Генетика за 1 час

Ну а как же, по теории Вейсмана, у представителей того или иного вида возникают новые признаки? Ведь опыт с мышиными хвостами вроде бы доказал малозначимость внешнего воздействия? Август Вейсман считал, что наследственность можно изменить, если воздействовать непосредственно на зародышевую плазму.

Часть II. Век генетики: становление и развитие науки

2.1. Начало генетики. Грегор Мендель: открытия великие, но незамеченные

Итак, к концу XIX в. ученые были как никогда близки к тому чтобы открыть все тайны наследственности: были выделены и описаны практически все элементы клетки, предположена связь хромосом с передачей признаков от родителей потомству Но закономерности в проявлении тех или иных признаков по-прежнему не просматривались. По крайней мере, официально. Интересный исторический казус: когда Август Вейсман, Вальтер Флемминг и Генрих Вальдейер проводили свои исследования и пытались найти ответы на вопросы, связанные с наследственностью, августинский монах Грегор Мендель в городе Брюнне (в то время Австрийская империя; в настоящее время – город Брно, Чехия) давно уже вывел главные правила наследования разнообразных признаков, применив для установления закономерностей математические методы. Но его открытия, ставшие мостиком от гипотез XIX в. к современной генетике, при жизни исследователя рассмотрены и оценены не были… Впрочем, обо всем по порядку.

Грегор Мендель родился в 1822 г. в Моравии, происходил из бедной крестьянской семьи и при крещении получил имя Иоганн. С раннего детства мальчик проявлял способности к обучению и интерес к наукам, но из-за тяжелого материального положения семейства не смог в юности завершить образование и в 1843 г. постригся в монахи Августинского монастыря святого Фомы, взяв монашеское имя Грегор. Здесь он получил возможность изучать биологию, которую страстно любил. Казалось бы, странное занятие для монаха. Ничего удивительного: августинцы уделяли особое внимание образованию и просвещению – в первую очередь, конечно, религиозному, но монастырь в Брюнне шел в ногу со временем. Там была великолепная библиотека, лаборатории, обширные коллекции научных приборов и главное – прекрасные сады и оранжереи, в которых Мендель проводил большую часть времени. Заинтересовавшись вопросами наследственности, он обратился к работам своих предшественников. Отдавая должное их трудам, Грегор Мендель справедливо замечал, что каких-либо закономерностей в скрещивании и проявлении у гибридов тех или иных признаков они так и не нашли.

Есть ли вообще какой-либо общий закон, устанавливающий, какими именно будут цветы у гибридных роз или душистого горошка? Можно ли спрогнозировать, какой масти будут котята от кота и кошки, различающихся по цвету и структуре шерсти? Наконец, можно ли математически просчитать, в каком поколении и с какой частотой проявится тот или иной признак?

Для опытов Грегор Мендель по примеру Томаса Эндрю Найта избрал самый обычный садовый, или посевной горох (Pisum sativum). Это самоопыляемое растение: в обычных условиях пыльца с тычинок цветка переносится на пестик того же цветка (в отличие от перекрестного опыления, при котором пыльца должна переноситься с одного растения на другое).

В генетике к самоопыляемым относят растения, у которых опыление происходит между разными цветками одного и того же экземпляра.

Исследователь счел, что такая особенность обеспечит чистоту опыта, ведь при самоопылении семена и плоды получают определенные признаки только от одного растения. Следовательно, опыляя горох искусственно, перенося пыльцу с одного экземпляра на другой, можно сократить число непредвиденных случайностей и целенаправленно использовать только те растения, которые интересуют нас как подопытные. Кроме того, горох обладает набором разнообразных и хорошо узнаваемых признаков: цвет семян, форма стручка, высота стебля. Взаимно опыляя горох с резко отличающимися признаками, Мендель намеревался, получив гибридные образцы, вывести закономерности наследования. Он начал с того, что распределил выбранные им растения по следующим признакам:

• по длине (высоте) стебля: высокие либо низкорослые;

• по расположению цветков: вдоль стебля или в основном на его верхушке;

• по цвету стручков (желтые или зеленые);

• по форме семян (гладкая либо морщинистая);

• по цвету семян (желтый или зеленый) и так далее.

Затем были восемь лет опытов, несколько десятков тысяч исходных растений и гибридов, сложные вычисления и статистические таблицы. Грегор Мендель скрещивал растения с резко различающимися признаками: например, выбирал родителей, у одного из которых семена были гладкие, а у другого – морщинистые.

В первую очередь он обратил внимание на то, что в первом поколении гибриды проявляли в той или иной своей части признаки только одного родителя. При скрещивании растения с желтыми семенами и растения с зелеными семенами у гибрида не было желто-зеленых либо пестрых семян – их цвет полностью наследовался от одного родителя. Таким образом, Мендель обогатил лексикон будущих генетиков важными терминами: признаки, которые проявлялись в первом гибридном поколении, он назвал доминантными; а те, которые отошли на второй план и не отразились в первом поколении гибридов, – рецессивными.

Грегор Мендель (фото 1884 г.)

Интересных результатов он добился при скрещивании высоких и низкорослых растений гороха. Потомство в первом поколении было сплошь высоким. Но когда эти растения самоопылялись и давали семена, следующее поколение уже делилось таким образом: одно низкое растение на три высоких. Внешний вид последующих поколений и соотношение высоких и низких экземпляров тоже можно было математически спрогнозировать. Такое же соотношение наблюдалось и в сочетаниях прочих признаков.

Большинство современных генетиков убеждены, что Грегор Мендель предвосхитил понятие гена. Лишь спустя много лет ген получит определение – участок ДНК, отвечающий за наследственность. Но не будем забегать наперед: разговор о ДНК нам еще предстоит. А Мендель не использовал понятие «ген», этот термин появится много позже. Он писал о «факторах», или «задатках», утверждая, что тот или иной признак (цвет, размер, форма) растения определяется двумя факторами, один из которых содержится в мужской, а другой – в женской половой клетке. Растения, появившиеся в результате слияния клеток, несущих в себе одинаковые «задатки», исследователь именовал константными (впоследствии их назовут гомозиготными).

Для упрощения работы Грегор Мендель обозначал доминантные признаки в паре растений прописными буквами (А, В, С), а рецессивные – строчными (а, b, с). Следовательно, при описании гибридов можно было составить простые формулы, наглядно демонстрирующие сочетания признаков и их «проявляемость». Менделю сослужило добрую службу то, что некоторое время он увлекался математикой и преподавал ее в школе. Склонность к систематизации и уверенное обращение с цифровыми и буквенными обозначениями помогли ему сделать то, что до него исследователям было недоступно: выявить и описать закономерности наследственности. Сейчас эти закономерности известны как законы Менделя. Давайте ознакомимся с ними подробнее.

Первое и второе гибридные поколения в опытах Менделя с низким и высокорослым горохом

1. Закон единообразия гибридов первого поколения (он же закон доминирования признаков) гласит, что при скрещении двух константных (или, как сказали бы сейчас, гомозиготных) растений все первое поколение гибридов будет полностью подобно одному из родителей – на первый план выйдут доминантные признаки. Правда, известны случаи неполного доминирования: когда доминантный признак не может полностью подавить более слабый, рецессивный. Помните, ранее мы описывали предположение ряда ученых XVIII–XIX вв., которые утверждали, что по логике вещей гибрид всегда должен представлять собой нечто среднее между родительскими экземплярами? В ряде случаев это возможно, например, у некоторых видов цветов при скрещивании растений с красными и белыми цветами в первом поколении гибридов цветы будут розовыми. То есть доминантный красный цвет лепестков не смог полностью подавить рецессивный белый. Могут быть и другие частные особенности в законе единообразия, но наша задача – дать читателю самые общие сведения о генетике и ее истории.

2. Закон расщепления признаков: если скрещивать между собой гибриды первого поколения, то во втором поколении признаки обеих родительских форм проявятся в определенном соотношении.

3. Закон независимого наследования признаков: если скрещиваются две особи, которые отличаются друг от друга двумя парами признаков, факторы и связанные с ними признаки будут наследоваться и комбинироваться независимо друг от друга. Так, Мендель скрестил горох с гладкими желтыми зернами и горох с морщинистыми зелеными зернами. При этом желтый цвет и гладкость зерен были доминантными признаками. Первое поколение гибридов было полностью представлено растениями с доминантными признаками – у гороха были желтые гладкие зерна. После самоопыления гибридов были получены новые растения: у девяти были желтые гладкие зерна, у трех – желтые морщинистые, у трех – зеленые гладкие и одно растение обладало зелеными морщинистыми зернами.

Конечно, впоследствии законы Менделя уточнялись в соответствии с новыми научными данными. Например, стало известно, что если за тот или иной признаку растения или организма отвечает не один ген, а несколько, то формы наследования будут более сложными и составными. Но все же Грегор Мендель был первопроходцем в области закономерностей наследования, и в его честь учение о наследственности позже было названо менделизмом.

Почему же его исследования при жизни не получили признания? Известно, что в 1865 г. Грегор Мендель выступил с докладом в Обществе естествоиспытателей и опубликовал статью «Опыты по гибридизации растений», не снискавшую особого успеха в научной среде. Скорее всего, открытия брюннского монаха не получили развития в первую очередь потому, что он сам вскоре разочаровался в их результатах. Мендель приступил к скрещиванию некоторых видов растений, изначально имевших особенности в способах размножения. Таким образом, закономерности, которые он вывел во время работы с горохом, не получили подтверждения – неприятный итог почти десятка лет напряженной работы! Вскоре Грегор Мендель стал аббатом, и новые обязанности заставили его полностью забросить биологические исследования. О его работах вспомнили только в начале XX в., когда несколько ученых «открыли» законы Менделя и подтвердили его разработки. Сам биолог-августинец скончался в 1884 г., задолго до триумфального возвращения его идей в научную среду…

2.2. Законы Менделя: второе рождение

На исходе XIX в. научный мир по-прежнему активно обсуждал проблемы наследственности, но «центром притяжения» были не открытия Грегора Менделя, а теории Дарвина и Вейсмана. Они находили как горячих сторонников, так и убежденных противников. Некоторые ученые предлагали воспринимать явления изменчивости и наследственности просто как данность, не пытаясь вывести какие-то общие правила. Например, дарвинист Климент Аркадьевич Тимирязев (1843–1920 гг.) считал, что рассмотрение законов наследственности вообще не имеет особого смысла, в первую очередь потому, что они связаны с условиями жизни организма, следовательно, предполагают слишком много допущений и исключений. Илья Ильич Мечников (1845–1916 гг.), очень интересовавшийся разработками Августа Вайсмана, с течением времени изменил свои взгляды. Начав с убеждения, что приобретенные признаки у растения или животного обязательно будут унаследованы последующими поколениями, позже Мечников писал, что простые и наглядные опыты немецкого зоолога (помните бесхвостых мышей?) убедили его в обратном.

Кстати, российские исследователи еще в 1880-е гг. обратили внимание на то, что в процессе эволюции организмы иногда подвергаются внезапным, на первый взгляд, совершенно непредсказуемым изменениям: слово «мутации» тогда еще не звучало, но явление как таковое было замечено и через несколько лет его рассмотрят и обоснуют подробнее. В целом биология, медицина, зоология в конце XIX в. развивались достаточно активно как в России, так и в Европе; и вскоре несколько исследователей независимо друг от друга «переоткрыли» законы Менделя и подтвердили их опытным путем; на этот раз «менделизм» вызвал серьезный резонанс.

Так, в 1890-е гг. нидерландский ботаник Хуго де Фриз (1848–1935 гг.; возможны разные написания его имени, например, Гуго де Фрис) изучал явления наследственности, скрещивая различные растения – как культурные, так и встречающиеся в дикой природе. Достоверно неизвестно, был ли он тогда в курсе работ Менделя. Согласно распространенной точке зрения, де Фриз лишь после нескольких лет опытов и подсчетов ознакомился с трудами брюннского аббата и нашел в них подтверждение собственных теорий. В 1900 г. он пишет статью для Немецкого ботанического общества, в которой подробно рассказывает о своих достижениях, ссылаясь на опыты Грегора Менделя лишь в качестве дополнительного аргумента в свою пользу.

В то же самое время в Германии публикует свою работу о наследственности у растений профессор Тюбингенского университета Карл Корренс (1864–1933 гг.). Спектр его научных интересов был очень широк: водоросли, семенные растения, грибы… Но на выводы относительно законов наследственности его натолкнули, прежде всего, опыты с кукурузой и горохом. Корренс выяснил, что отдельные постулаты Менделя – например, закон расщепления – могут иметь исключения, а также высказал предположение, что некоторые признаки могут быть связаны с полом, так как наследуются только по материнской или отцовской линии. Последний тезис тогда не получил особого развития – к нему вернутся позднее, когда сложится хромосомная теория наследственности.

Наконец, в Австрии ученый Эрих Чермак-Зейзенегг (1871–1962 гг.), занимавшийся гибридизацией гороха (поистине замечательное растение!), также обращает в 1899 г. внимание на закономерности, о которых более 30 лет назад писал Грегор Мендель, и год спустя публикует результаты своих изысканий.

После этого наступил подлинный ренессанс менделевской теории. Работы ученого-августинца переиздаются, переводятся на разные языки. Почему же это не произошло раньше? Многие исследователи считают, что Мендель слишком опередил свое время, что открытия, сделанные им, просто оказались не по зубам биологам той эпохи. Может быть, и так. Но ему постарались отдать должное ученые XX в.: памятники отцу генетики установлены не только в августинском монастыре города Брно, но и по всему миру, например, в российских Колтушах. А в 1970 г. его именем назвали лунный кратер.

«Генетика – это наука, а не шаманство»

(Н. Вавилов)

2.3. Мутационная теория. Параллельные разработки в России и Нидерландах

Наступил момент вернуться к теме уже упоминавшихся мутаций, тем более что значительные открытия в этой области были сделаны именно в рассматриваемое нами время.

Так же, как и в случае с повторным открытием законов Менделя, мутационная теория разрабатывалась параллельно в разных странах: в России, где о мутациях писал Сергей Иванович Коржинский (1861–1900 гг.), и в Нидерландах, где этим вопросом заинтересовался уже известный нам Хуго де Фриз.

Коржинский работал в Казанском и Томском университетах, с 1893 г. стал директором Ботанического музея Академии наук в Санкт-Петербурге. Много времени он проводил в поездках по России, изучая растительный мир разных регионов. Ученый неоднократно обращал внимание, что среди растений разных видов иногда появляются экземпляры, резко отличающиеся от своих сородичей – размерами, формой листьев или плодов. Причем это явно не было связано ни со скрещиванием, ни с внешними условиями. Он назвал такие изменения «гетерогенными вариациями» и попытался увязать их наличие с дарвиновской теорией.

С точки зрения Коржинского, эволюцию двигают вперед не постепенные изменения, направленные на приспособление растения или организма к условиям внешней среды, а скачкообразные «вариации». Так, считал он, и возникают новые виды – не путем постепенного превращения, как утверждал Дарвин, а при помощи резкого выделения «из себя» новых форм. Такой способ Сергей Иванович назвал гетерогенезисом (от греч. heteros – другой; genes – происхождение, возникновение). Понятие «мутация» он еще не использовал. В 1899 г. исследователь изложил свою теорию в работе «Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов». Он не пришел к однозначному выводу относительно того, чем вызываются эти скачкообразные изменения, предположил только, что дело в каком-то воздействии на «яйцевую клетку». Ученый намеревался продолжить исследования, и, возможно, ему удалось бы значительно прояснить явление гетерогенезиса. Но сделать это ему помешала безвременная смерть – Коржинский умер в 1900 г., не дожив до 40 лет. Надо сказать, что в среде коллег его труд вызвал весьма неоднозначную реакцию. Многие прямо писали о том, что Сергей Иванович пытается представить «уродов» творцами эволюции и что далеко не всегда экземпляры, по неизвестной причине получившие какие-то новые признаки, оказываются идеально приспособленными к условиям окружающей среды!

Дискуссия продолжилась, когда свои разработки в вопросе внезапных изменений в 1901–1903 гг. представил Хуго де Фриз.

В числе его «подопытных» были экземпляры энотеры Ламарка (Oenothera lamarckiana), или проще – ослинника. Де Фриз заметил, что среди обычных растений иногда попадались довольно странные – чрезвычайно ветвистые, слишком большие или, наоборот, слишком маленькие, с чрезмерно большим количеством листьев или цветков. Вряд ли дело было в необходимости приспособиться, ведь подобные экземпляры произрастали рядом с обычными. Биолог предположил, что если бы изменение внешнего вида было результатом дарвиновской эволюции, то, во-первых, оно происходило бы постепенно и не столь явно, а во-вторых, затрагивало бы большее количество особей. Значит, причина в чем-то другом. Но самое интересное, что такие видоизмененные экземпляры, как выяснилось, могли передавать свои особенности потомкам! Именно Хуго де Фриз предложил термин «мутация» (от лат. mutatio – изменение). И по сей день мы называем так резкое изменение во внешнем виде организма или в его внутреннем строении, которое может наследоваться потомками «мутанта».

Как исследователи начала XX в. сформулировали «мутационную теорию»? Основные положения были следующими.

• Мутации происходят внезапно.

• Они проявляются весьма разнообразно; мутации могут быть как полезными, так и вредными.

• Появившиеся новые формы достаточно устойчивы.

• Мутации не представляют собой каких-то средних переходных форм, в отличие от наследственных эволюционных изменений. Они проявляются резко и радикально.

Во времена де Фриза механизм возникновения таких изменений не был подробно рассмотрен и изучен. Почему мутация возникает? Почему и, главное, как она передается? Можно ли вызвать мутацию искусственно? В самом начале XX в. на эти вопросы не было ответов… Как вы помните, к тому времени были лишь предположения относительно того, что наследственность (а значит, и мутации, скорее всего, тоже) связана с хроматином и хромосомами в клеточном ядре. Но предполагать мало, надо еще обосновать и доказать!

2.4. Где находятся гены? Хромосомная теория наследственности

Параллельно с исследованиями Хуго де Фриза велись новые разработки в области исследования клеточного ядра и хромосом. Прежде чем рассказывать о том, как была окончательно сформулирована хромосомная теория наследственности, давайте посмотрим, что вообще на тот момент было известно о делении клетки и участии ее частей в этом процессе.

Весь путь развития организма – от оплодотворения до конца жизни – принято называть онтогенезом (от греч. őντος, ontos – сущий и γένεσις, genesis – зарождение). Термин был предложен Эрнстом Геккелем (1834–1919 гг.) еще в 1867 г. Как мы уже говорили, согласно клеточной теории, рост и развитие организмов – животных и растительных – основан на процессе деления клеток. Во второй половине XIX в. изучением этого удивительного явления занимался упоминавшийся нами Вальтер Флемминг. Именно он предложил термин «митоз» для обозначения клеточного деления, в процессе которого одна клетка делится на две с параллельным распределением хромосом поровну между дочерними клетками. Давайте посмотрим, какие основные стадии (фазы) митоза принято выделять.

• Профаза. В ходе этого подготовительного этапа образуется так называемое веретено деления клетки, условно говоря, клетка планирует, как она будет разделяться. Начинается процесс, который ученые называют конденсацией хромосом: они становятся видны под микроскопом. Как еще говорят, хромосомы уплотняются. Так происходит, потому что идут изменения на уровне ДНК (впрочем, во времена Флеминга об участии ДНК в процессе митоза, а тем более в формировании наследственности, еще никто не знал). Мы тоже обратимся к теме ДНК чуть позднее! Иногда говорят еще о препрофазе, но этот процесс «подготовки к подготовке» выделяют не всегда. Дело в том, что у клеток разных организмов и разных растений могут наблюдаться незначительные расхождения в протекании фаз митоза, но для нас они особого значения не имеют.

• Метафаза. Веретено деления полностью сформировалось, «внутренности» клетки начинают разделяться, как будто их притягивает к противоположным полюсам. Самое интересное, что хромосомы тоже подготавливаются к расщеплению. Если на ранней стадии митоза они под микроскопом напоминали пучки травинок или клочки тополиного пуха, то теперь они приобрели более четкую форму и стали похожи на буквы «X». «Пояски» в центре этих условных букв именуются центромерами.

• Анафаза. Хромосомы-буковки разделяются на уровне центромер и направляются к противоположным полюсам материнской клетки. Таким образом, в ней образуется два идентичных набора хромосом.

• Телофаза. Хромосомы становятся почти незаметны, или, как говорят биологи, деконденсируются. Вокруг каждого комплекта хромосом формируется новое клеточное ядро. Материнская клетка окончательно делится (этот процесс именуют еще цитокинезом), и на месте одной клетки образуется две. Каждая из двух дочерних клеток получает полный набор элементов, характерных для первоначальной клетки. Все!

В среднем все стадии митоза проходят за один-два часа. Конечно, мы описали этот сложнейший процесс в упрощенном виде, но для понимания происходящего пока достаточно. Митоз не следует путать с мейозом, который происходит в половых клетках и в процессе которого число хромосом уменьшается в два раза (ведь иначе при оплодотворении число хромосом увеличивалось бы вдвое, а с хромосомами шутки плохи!) Существует также понятие «амитоз» – в ходе этого процесса веретено деления клетки не образуется, она разделяется случайным образом и такое деление характерно в основном для патологических процессов, например, возникновения опухолей.

Итак, к концу XIX в. процесс деления клеток и распределения хромосом при этом уже не представлял особого секрета. Более того, многие ученые заявляли, что именно в хромосомах надо искать разгадку всех тайн наследственности. Но как?

Американский ученый Уолтер Саттон (1877–1916 гг.) в 1902 г. сопоставил «переоткрытые» законы Менделя с тем, что было ему известно о фазах митоза и мейоза. В работах брюннского монаха-исследователя он обратил внимание на строгие математические закономерности проявления разных признаков у дочерних организмов по отношению к родительским. Также Саттон удостоверился, что в ходе мейоза, при формировании половых клеток (их еще именуют гаметами) пары хромосом расщепляются, но их общее количество не увеличивается. Получается, что в составе половой клетки остается только ½ хромосомного набора, и когда сперматозоид сольется с яйцеклеткой, новый организм получит от каждого родителя по половине хромосом. Но ведь это вполне стыкуется с разработками Грегора Менделя! Значит, – делает вывод Саттон, – именно в хромосомах содержатся «факторы», о которых писал Мендель. Правда, ученый не разобрался окончательно, как именно связаны хромосомы и отдельные признаки: одна хромосома отвечает за что-то конкретное (например, за форму листьев у растения или цвет глаз у человека) или здесь работают какие-то иные закономерности? Саттон предполагал, что правило «один признак – одна хромосома» было бы слишком наивно, ведь каждый вид, а тем более каждый отдельный организм, – это сложнейшая совокупность разнообразных признаков. Исследователь считал, что одна хромосома должна содержать несколько так называемых аллеломорфов – это понятие равноценно понятию «ген», но, как мы помним, о генах тогда еще не говорили. В то время еще не выяснили достоверно, каким именно количеством хромосом обладают те или иные организмы и насколько это количество стабильно. До окончательного ответа на этот вопрос оставалось еще несколько десятилетий, например, дискуссии о количестве хромосом у человека продолжались вплоть до 1950-х гг. Но было очевидно, что число их ограничено. Одним из первых идею о постоянном количестве хромосом выдвинул немецкий ученый Теодор Бовери (1862–1915 гг.), и он же параллельно с Уолтером Саттоном заявил об их приоритетной роли в вопросах наследственности.

Фазы митоза

В 1904–1905 гг. было сделано еще одно важное открытие – так называемые половые хромосомы. Американские исследователи Кларенс Мак-Кланг (1870–1947 гг.), Эдмунд Уилсон (1856–1939 гг.) и Нетти Стивене (1867–1912 гг.) практически одновременно обнаружили у самцов отдельных видов насекомых «добавочные» хромосомы, в процессе митоза отвечающие за формирование половых признаков.

Вот мы и возвращаемся к тому, с чего начинали наше небольшое исследование: в 1906 г. английский биолог Уильям Бэтсон предложил использовать термин «генетика»: новая наука постепенно получала внешнее оформление…

Вскоре, в 1909 г., датчанин Вильгельм Иогансен (1857–1927 гг.) в своей работе «Элементы точного учения об изменчивости и наследственности» впервые использовал термин «ген». Как он определял его? В представлении Иогансена ген – это некий наследственный фактор, который располагается в половой клетке, по сути, аналог менделевского «фактора». Но что такое ген? Особого вида клетка, какой-то химический элемент, некая волшебная палочка, которая заставляет проявляться наследственность? Сам ученый писал о том, что он использует понятие гена скорее для удобства, обозначая им элементы, отвечающие за наследственность. А как, собственно, выглядит ген – достоверно неизвестно. Для удобства читателя поясним, что и в наше время особого единства в использовании этого термина нет. Кто-то понимает ген как условную единицу информации, кто-то – как двигатель естественного отбора. Большинство современных ученых отождествляют ген с участком ДНК, несущим информацию, определяющую признаки будущих организмов.

Иогансен также ввел понятие генотипа, обозначив таким образом совокупность генов, характерную для данного конкретного организма.

Окончательно хромосомная теория наследственности сформировалась благодаря американскому ученому Томасу Моргану (1866–1945 гг.) и его последователям.

Для своих опытов Морган избрал плодовую мушку Drosophila melanogaster. Это существо обладало рядом привлекательных для генетика свойств: обходилось дешево, занимало мало места, не требовало сложного ухода и, главное, размножалось с невероятной скоростью.

В один прекрасный день в 1910 г. Морган обратил внимание, что среди множества лабораторных мушек один самец обладал не ярко-красными, как у всех остальных особей, а белыми глазами. Морган отсадил красавца в отдельную емкость и начал скрещивать его с красноглазыми самками. У первого поколения потомков этих скрещиваний глаза тоже были красными. Значит, – сделал вывод исследователь, – «белоглазость» является рецессивным признаком. А вот в последующих поколениях уже встречались белоглазые особи, причем все они были самцами! Это позволило Томасу Моргану прийти к выводу, что некоторые признаки связаны с полом. Ведь уже несколько лет как были открыты половые хромосомы и можно было проследить связь наследования определенных признаков с особенностями митоза и распределения хромосом, отвечающих за половую принадлежность особи. Таким образом было получено весомое доказательство того, что факторы – гены – на самом деле «находятся на хромосоме». В дальнейшем Морган продолжил опыты и обнаружил еще несколько мутаций, сцепленных с полом. Его ученики и последователи – Кэлвин Бриджес (1889–1938 гг.), Альфред Стёртевант (1891–1970 гг.), Герман Мёллер (1890–1967 гг.) – продолжили исследования в области передачи различных признаков. Школа Моргана не только убедительно доказала, что ген (а значит, наследственность) неотделим от хромосомы, но и заявила, что гены расположены на хромосоме в определенной последовательности, причем разные хромосомы могут содержать разное число генов.

Основные положения хромосомной теории наследственности были опубликованы в 1915 г. в книге The mechanism of mendelian heredity («Механизм менделевской наследственности»). В 1933 г. Томас Хант Морган получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины. Но всех секретов хромосом Морган и его сотрудники не открыли – хотя бы потому, что в то время еще не была изучена роль ДНК…

2.5. Мутации можно вызывать искусственно!

Ученики Моргана внесли свой вклад и в изучение мутаций. Мы уже говорили о том, что такие скачкообразные изменения в признаках у растений и животных были известны давно. Правда, относительно причин их возникновения оставалось много вопросов. Ученых также интересовало, можно ли влиять на мутагенез (возникновение мутаций) искусственно?

Герман Мёллер в 1927 г. попробовал воздействовать на плодовых мушек-дрозофил рентгеновскими лучами и обнаружил, что это вызывает многочисленные мутации у потомства, в частности, отмечался сильный тератогенный эффект.

Тератогенное действие (от греч. τέρας – чудовище, урод) – влияние химических препаратов, лекарств, излучений на эмбриональное развитие. Итогом становится возникновение уродств и других аномалий.

Эти опыты убедили исследователя в том, что оказать внешнее влияние на гены и наследственность – возможно. Опыты Мёллера (в 1920-х – 1950-х гг. он работал в Америке, Германии, СССР) произвели ошеломляющее впечатление на научный мир. Исследователи задались вопросом: какие перспективы перед человечеством открывает возможность искусственно вызывать мутации? И несмотря на то, что в 1946 г. Мёллер получил Нобелевскую премию «за открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения», много сил он потратил на пропаганду исключительно мирного использования любых видов излучения и атомной энергии… После двух страшных мировых войн и появления атомного оружия было очевидно, что в случае бездумного использования мутагенов результаты могут быть чудовищными.

Еще за два года до начала опытов Мёллера с дрозофилами Георгий Адамович Надсон (1867–1939 гг.) в Советском Союзе описал мутагенное воздействие рентгеновских лучей на микроскопические грибы, а в 1928–1932 гг. были проведены успешные опыты по выявлению химического мутагенеза. В те годы ученые могли уже сказать однозначно, что мутация происходит потому, что вредное воздействие каким-то образом влияет на хромосому, ведь именно там заложены «двигатели» наследственности. Впоследствии было выяснено, что разные виды мутагенов «предпочитают» действовать в разные моменты: во время деления клетки, в момент покоя… Но как конкретно это происходит, было сложно судить, пока генетика не сделала очередной шаг вперед.

Кстати, а существует ли в наши дни какая-либо классификация мутаций? Их несколько: можно исходить из причин возникновения мутации, способа влияния мутагена на хромосому или ее часть, результатов изменений… Остановимся только на самых показательных моментах.

В зависимости от причин возникновения, мутации можно разделить на спонтанные и индуцированные. Во втором случае резкое скачкообразное изменение возникает в ходе намеренного воздействия мутагенами, например, опыты Мёллера с дрозофилами – яркий пример индуцированной мутации.

Метаболизм (от греч. μεταβολή – превращение, изменение) – совокупность происходящих в организме химических реакций.

В случае со спонтанными – никакого целенаправленного воздействия нет, причиной изменения могут стать, например, какие-то метаболические перестройки в организме, приводящие к повреждению генов и хромосом (именно эти повреждения становятся непосредственной причиной мутации). По характеру изменения мутации можно разделить на геномные (когда изменяется число хромосом), хромосомные (когда изменения происходят в структуре хромосомы, например, утрачивается ее часть), генные (когда изменениям подвергается структура ДНК в гене). Впрочем, о ДНК мы пока не говорили и к теме мутаций ненадолго вернемся в соответствующем разделе.

Еще два интересных вопроса – насколько спонтанные мутации случайны и можно ли разделить мутации на положительные и отрицательные? Большинство ученых утверждают, что не следует ставить знак равенства между понятиями «спонтанная» и «беспричинная», так как тот или иной сдвиг в любом случае чем-то обусловлен: например, внезапным изменением климата или химического состава пищи. А вот вопрос «положительности и отрицательности» до сих пор один из самых дискуссионных в генетике. Бесспорно, многие мутации приводят к уродствам или даже летальному исходу. Ряд хромосомных изменений приводит к тяжелым заболеваниям – например, лишняя хромосома становится причиной проявления синдрома Дауна. Но иногда мутация ведет к появлению каких-то новых признаков, которые помогут организму выжить в окружающей среде. Такие мутации принято называть адаптационными – с точки зрения многих ученых, мутации являются материалом для естественного отбора. Нужно учитывать также, что мутация – это не внезапно появившаяся способность летать или вызывать шаровую молнию, как мы привыкли видеть в фантастическом кино. В большинстве случаев мутации практически незаметны.

2.6. Закон Харди-Вайнберга, дрейфующие гены и прочие интересные вещи

Давайте посмотрим, какие еще интересные исследования происходили параллельно с разработкой мутационных теорий. А заодно познакомимся с еще несколькими определяющими понятиями генетики.

Недавно мы упоминали слово «аллеломорфы» (от греч. allelon – взаимно и morphe – вид). Во времена Саттона оно было тождественно появившемуся позднее понятию «гены». В. Иогансен, автор термина «ген», также предложил в 1909 г. понятие «аллель», который сейчас понимается чуть уже, чем ген. Аллелями принято называть две формы гена, отвечающего за один и тот же признак, который может проявляться по-разному. Например, за цвет глаз отвечает определенный ген. Но разные аллели гена могут отвечать за голубой или карий цвет глаз. Если родительские аллели одинаковы, то потомство будет гомозиготным (от греч. őμοιος – подобный, похожий, равный и ζυγωτός – спаренный, соединенный). Если же аллели разные, то оно будет гетерозиготным (от греч. héteros – иной, другой) и в первом поколении проявится доминантный признак, а в последующих произойдет расщепление. Что это такое – вы уже знаете по законам Менделя.

С понятием «ген» непосредственно связаны «генотип» и «фенотип» (также авторства Иогансена). Генотипом мы сейчас называем всю совокупность генов конкретного организма, а фенотип (от греч. φαίνω) – являю, обнаруживаю и τύπος – образец) – это набор внешних и внутренних признаков организма, которые были им получены в процессе развития и основаны на генотипе. Как говорят, генотип – это наследственность, а фенотип – то, как она реализовалась. Например, вы приобрели несколько клубней элитного картофеля, взятых с одного куста. У них генетически заложен крупный размер клубней, ровная окраска и высокая урожайность. Но половину клубней вы посадили в плодородный чернозем, удобряли, поливали, окучивали. А другую половину просто сунули в необработанную землю и забыли о них. В результате картофель, получавший достойный уход, отблагодарил вас высоким урожаем и в полной мере проявил все свои элитарные задатки. А те кусты, которые росли как попало, конечно, сохранили часть своих замечательных качеств, но клубни на них уродились мелкими и корявыми (и, скорее всего, менее вкусными), нежели на тех кустах, за которыми тщательно ухаживали. Таким образом, фенотип формируется на основе генотипа, внешней среды и возможных мутаций.

В первой трети XX в. генетики уделяли большое внимание изменчивости – одному из ключевых понятий науки. Под изменчивостью мы понимаем способность организма приобретать какие-либо отличия от остальных представителей своего вида. Причем принято выделять два типа изменчивости – прерывистую (дискретную] и непрерывную. В первом случае особи одного вида можно разделить на несколько групп, хорошо отличимых друг от друга, по ряду признаков. Например, вспомним опыты Менделя: у разных сортов гороха зерна были либо желтые и гладкие, либо зеленые и морщинистые. Это дискретная изменчивость, так как различия между разными сортами одного вида видны невооруженным глазом, группы резко отличаются друг от друга. Белая или ярко-малиновая окраска цветов флокса – тоже образец дискретной изменчивости. Если же мы возьмем такой признак, как, скажем, количество икринок в кладках нескольких самок озерной лягушки, то оно будет весьма разнообразным, четких градаций тут нет. Хороший пример – человеческий рост: например, в группе из 50 человек самый высокий и самый маленький будут отличаться друг от друга очень резко. А если поставить всех по росту, то два человека, стоящих рядом, будут отличаться совсем незначительно. Таким образом, непрерывная изменчивость проявляется в среде представителей одного вида размыто и имеет очень много промежуточных форм.

Существуют разные классификации изменчивости по ее происхождению, в основном выделяют следующие.

• Мутационная изменчивость (изменения происходят на генном уровне, влияет на наследственность). С мутациями вы уже знакомы.

• Комбинативная (возникает, когда смешиваются генотипы. Например, рождение детей у пары с резко отличающимся друг от друга цветом глаз, волос, кожи).

• Модификационная (самая нестойкая, возникает под влиянием окружающей среды: например, бледные листья у растения, лишенного солнца).

Но какова значимость разных видов изменчивости в ходе эволюционного процесса? Как мы помним, Хуго де Фриз на первое место в эволюции поставил мутации. Но всегда ли резкое изменение в одном организме (или даже в нескольких) приведет к появлению новых устойчивых признаков в масштабах вида? С таких вопросов начинался особый раздел генетики – генетика популяционная, изучающая распределение аллелей и возможности их изменения. Основой для нее стал закон Харди – Вайнберга, сформулированный около 1908 г.

Для начала разберемся, что такое популяция. Так принято называть группу организмов одного вида, которые проживают на определенной территории и относительно обособлены от других подобных групп (например, географически, располагаются на острове или в долине, окруженной горами. У человека популяции могут быть ограничены религиозными запретами или социальными традициями). Между собой они могут скрещиваться свободно. У популяции общий генофонд (еще одно новое слово, которое означает совокупность всех возможных аллелей данной популяции).

И вот в 1908 г. английский математик Годфри Харди (1877–1947 гг.) и немецкий врач Вильгельм Вайнберг (1862–1937 гг.) независимо друг от друга вывели интересную закономерность: в ряду поколений одной популяции соотношение частот генотипов будет сохраняться, если не повлияют какие-то факторы извне. Причем эта закономерность может быть выражена математически.

Предположим, в некоей популяции представлены два аллеля: доминантный (А) и рецессивный (а). Обозначим частоту встречаемости первого аллеля буквой р, второго – q, все экземпляры популяции – 1. Соответственно, р + q = 1.

В условиях свободного скрещивания справедливо равенство: р2 + 2pq + q2 = 1.