Генетика

Во второй половине XVIII ‒ начале XIX века ученые считали, что наследственные признаки гибрида растений определяются борьбой отцовских и материнских компонентов, а результат ее зависит от их количественного соотношения.

Научная генетика начинается с открытий Огюстена Сажрэ (1763 ‒ 1851). Он первым стал исследовать не все, а лишь отдель­ные признаки растений, которые скрещиваются между собой для образования гибрида. Согласно распространенной в то время точке зрения, при гибридизации признаки родителей усредняются. Однако, изучая тыквенные растения, Сажрэ пришел к выводу о том, что в гибри­де признаки не сливаются, а перераспределяются.

Дальнейшее развитие генетика получила в работах Грегора Менделя (1822 – 1884). Он служил в монастыре города Брюнне в Австро-Венгрии (ныне ‒ город Брно в Чехии). Несколько лет Мендель в монастырском саду проводил опыты с горохом. Развивая идеи Сажрэ, он изучал наследственные свойства не всех признаков растений, а лишь отдельных, и выявил важные закономерности.

8 марта 1865 года Мендель прочитал доклад на заседании Общества естествоиспытателей города Брюнне. В конце следующего года конспект его доклада был опубликован в очередном томе «Трудов Общества…» под названием «Опыты над растительными гибридами». Эту книгу получили 120 библиотек университетов мира. Около 40 отдельных оттисков своей работы Мендель отправил крупным ученым-ботаникам. Но современники не заметили великое открытие.

В 1900 году законы наследственности независимо друг от друга открыли три исследователя, живущие в разных европейских странах. Уже после своего открытия они обнаружили, что точно к таким же выводам пришел австрийский ученый Грегор Мендель, опередив их на 35 лет. Они назвали эти законы его именем.

Мендель проводил опыты с горохом 22 сортов, которые отличались по семи признакам. Он пришел к выводу о том, что каждое растение может быть либо высоким, либо низким, цвет горошин ‒ либо желтым, либо зеленым, кожица горошин ‒ либо гладкой, либо морщинистой. Иными словами, каждый признак представлен двумя альтернативными, т.е. взаимоисключающими состояниями, которые ученый назвал факторами.

Сначала Мендель скрещивал растения, которые отличались по одному признаку, например, по цвету. Он выбирал такие, у которых при самоопылении получались семена того же цвета, иными словами, проявлялись признаки в чистом виде. При скрещивании двух чистых форм разного цвета горошин в первом поколении все потомство оказалось одинаковым, т.е. проявляло фактор одного из родителей. Его Мендель назвал доминантным, или преобладающим. Другой фактор, который оказался подавленным, стал называться рецессивным.

Например, если скрещивались растения двух сортов, у которых горошины были желтые и зеленые, то в первом поколении гибридов у всех семян была желтая окраска. Иными словами, желтый цвет горошин ‒ доминантный фактор, зеленый – рецессивный.

Первый закон Менделя (закон доминирования). При скрещивании двух особей, которые различаются по одной паре альтернативных факторов, гибриды первого поколения проявляют лишь доминантный фактор.

В следующей серии опытов Мендель скрещивал между собой потомство первого поколения. В результате появились особи, у которых проявлялся как доминантный, так и рецессивный фактор. Первых было примерно в три раза больше, чем вторых.

Второй закон Менделя (закон расщепления).При скрещивании гибридов первого поколения их потомство проявляет доминантные и рецессивные факторы в соотношении 3: 1.

В примере с горохом во втором поколении гибридов произойдет расщепление: количество желтых горошин будет приблизительно в три раза больше, чем зеленых.

Наконец, Мендель пробовал скрещивать растения, которые различались по нескольким признакам, например, и по цвету горошин, и по высоте. Он пришел к выводу о том, что факторы наследуются независимо друг от друга, и соединение их является случайным.

Третий закон Менделя (закон независимого распределения). Расщепление каждой пары альтернативных факторов происходит независимо от других пар, так что факторы сочетаются между собой случайным образом.

Чтобы объяснить полученные закономерности, Мендель предположил, что каждая половая клетка содержит какой-либо один из альтернативных факторов. При скрещивании происходит слияние половых клеток, и оплодотворенная клетка нового организма получает от каждого из родителей по одному из факторов. В зависимости от того, состоит ли в слившейся половой клетке образованная пара доминантных, рецессивных или смешанных факторов, в новом организме проявляются те или иные наследственные признаки.

Законы Менделя показали, что обвинение Дженкина против теории Дарвина было неверным и «кошмаром» только казалось, но не являлось. Действительно, при скрещивании белой и красной розы потомки будут либо белыми, либо красными, но никогда – смешанными.

После того как трое ученых заново открыли законы наследственности, генетика стала развиваться бурными темпами. В 1909 году датский биолог Вильгельм Иогансен (1857 – 1927) заменил менделеевский термин «фактор» понятием «ген[59]». Он обогатил генетику еще двумя понятиями – «генотип» и «фенотип». В настоящее время они определяются следующим образом.

Ген – структурная и функциональная единица наследственности живых организмов [60].

Генотип – совокупность всех генов одного организма.

Фенотип ‒ совокупность всех признаков одного организма.

Например, какое-либо конкретное растение гороха в ядрах клеток может содержать гены, определяющие цвет горошин, высоту и множество других признаков. Эта совокупность генов составляет генотип. Допустим, желтый цвет горошин, их гладкая кожа, большой рост растения и другие признаки вместе составляют фенотип.

Другой вклад в генетику сделали российский ботаник Сергей Иванович Коржинский (1861 – 1900) и его нидерландский коллега Хуго Де Фриз[61] (1848 – 1935), независимо друг от друга создавшие теорию мутаций.

Мутации ‒ изменения наследственных свойств организмов, которые возникают естественным путем или вызываются искусственно.

Как правило, они вредны. Чем сильнее мутация, тем меньше шансов выжить у новой формы организма. Но в редких случаях мутация может быть полезной. И тогда организм совершенствуется, лучше приспособляется к среде, чем его родственники, не претерпевшие изменений. А поскольку изменения произошли в наследственных свойствах, то они передаются потомству, и естественный отбор их закрепляет. Так теория мутаций смогла устранить недостаток теории Дарвина, проистекающий от незнания им законов наследственности. Она смогла соединить теорию эволюции и генетику.

Теория мутаций породила новые проблемы. Почему одни организмы определенного вида изменяются, а другие, живущие в подобных условиях, нет?

В 1927 году американский генетик Герман Мëллер (1890 – 1967) написал короткую заметку, в которой описал свои опыты. Он облучал плодовых мушек дрозофил рентгеновскими лучами и наблюдал резкое повышение изменчивости. В скором времени ученые обнаружили, что мутации могут возникать под действием различных видов излучений, многих химических соединений, резких изменений температуры и т.п.

Мутации – явления случайные, поэтому их результат неопределенный. Однако случайные изменения становятся необходимыми, если помогают организмам выживать в борьбе за существование. Закрепляясь в последующих поколениях, мутационные изменения способствуют возникновению новых видов.

Мутации лишь поставляют элементарный материал для эволюции и без других ее факторов не могут направлять изменение популяции.

Американский биолог Томас Хант Морган (1866 – 1945) и другие ученые в начале XX века создали хромосомную теорию наследственности. Наблюдая за делением клеток, Морган пришел к выводу о том, что основную роль в передаче наследственной информации играют хромосомы клеточного ядра. В клетках любого организма число хромосом невелико, а признаков ‒ много. Каждый признак определяется некоторым геном. Следовательно, в каждой хромосоме должно быть множество генов.

Исследования показали, что количество хромосом в ядрах клеток является постоянным для данного вида. Хромосомы всегда парные, иными словами, в клетке всегда имеются по две хромосомы каждого вида.

Основные выводы хромосомной теории наследственности следующие.

Хромосомы состоят из генов.

Ген ‒ неделимая единица наследственности.

Гены расположены на хромосомах в линейном порядке ‒ друг за другом.

В процессе мутации ген из­меняется как единое целое.

Одно из важнейших положений хромосомной теории наследственности получило название закона Моргана.

Закон Моргана. Признаки, которые соответствуют генам, находящимся в одной хромосоме, наследуются совместно.