История развития генетики

Содержание

Введение

Почти 3,5 миллиона видов  животных, растений и микроорганизмов  населяют нашу планету. Их численность  варьирует в широких пределах: от нескольких десятков особей, как у амурского тигра, до нескольких миллиардов индивидов, как, например, у Homo sapiens – человека разумного. Длительность существования на Земле отдельных видов живых организмов исчисляется миллионами лет, простираясь на целые геологические периоды, при этом продолжительность жизни конкретной особи может составлять от нескольких часов (у отдельных видов микроорганизмов) до нескольких тысячелетий (у отдельных видов хвойных деревьев). Длительность существования биологических видов, состоящих из короткоживущих индивидов, обеспечивается процессами размножения, представляющими собой фундаментальное отличие живых систем от мира неживой природы.

Главная особенность  размножения живых существ состоит  в том, что особи любого вида производят на свет только себе подобных: кошка рождает кошку, а человек – человека. Именно это называют наследственностью. При этом наследственность не означает тождественность родительских и дочерних особей, а лишь их чрезвычайное сходство между собой и отличие от индивидов, принадлежащих к другим, даже очень близким биологическим видам.

В понятие наследственности входят четыре группы явлений: организация  генетического материала, его экспрессия, воспроизведение (репликация) и передача от одного поколения к другому¹.

Феномену наследственности неизменно сопутствует феномен  изменчивости, отражающий индивидуальные, семейные и иные различия между особями  одного вида. В совокупности наследственность и изменчивость живых организмов составляют предмет изучения генетики.

Очень велико и практическое значение генетики, так как она  служит теоретической основой селекции полезных микроорганизмов, культурных растений и домашних животных.

По признанию многих современных биологов, генетика в  последние годы стала сердцевиной всей биологической науки. Лишь в рамках генетики разнообразие жизненных форм и процессов может быть осмысленно как единое целое.

Генетика имеет не только историю, но и предысторию. Она  сформировалась в качестве самостоятельной  научной дисциплины, уже проделав известную эволюцию в рамках других, более общих биологических теорий и концепций, которые послужили предпосылкой и основой ее развития.

В чем же причины длительной задержки развития генетики как самостоятельной  науки? С одной стороны, развитие генетики зависит от состояния смежных естественнонаучных дисциплин: анатомии, физиологии, эмбриологии, цитологии, иммунологии, биохимии и др. С другой стороны, поскольку генетический материал имеет сложную многоуровневую организацию: надмолекулярную (хромосомную) и молекулярную (генную) – для его успешного изучения необходимы тонкие физические, химические и математические методы. Их появление стало возможным лишь в ХХ веке.

На протяжении одного столетия генетика сложилась как современная фундаментальная наука, достижения которой используются в медицине, биологической промышленности и сельском хозяйстве.

1. История развития представлений о наследственности

Фактически вплоть до начала ХХ века гипотезы о механизмах наследственности имели умозрительных  характер.

Первые идеи о механизмах наследственности высказывали древние  греки уже в V в. до н.э. Согласно Демокриту (460 г. до н.э.) все в мире состоит из неделимых частиц – атомов, а «семя есть истечение…из всего тела и его важнейших частей – костей, мяса и жил». Гиппократ (400 г. до н.э.) также считал, что половые продукты состоят из экстрактов, поступающих из всего организма, так что все органы тела непосредственно влияют на признаки потомства (прямое наследование признаков). Аристотель (384 – 322 до н.э.) высказывал несколько иную точку зрения: он полагал, что половые задатки, участвующие в оплодотворении, производятся не напрямую из соответствующих органов,  а из питательных веществ, необходимых для этих органов. Это теория непрямого наследования. Семя образуется в крови, представляет собой продукт переваривания пищи, и «будучи сваренным, отделяется от крови как нечто отличное».

Много лет спустя, на рубеже XVIII – XIX вв., автор концепции эволюции Ж.Б. Ламарк использовал представления Гиппократа для построения своей теории передачи потомству новых признаков, приобретенных в течение жизни. Учение Ламарка, в котором факторы эволюции сводились к прямому или косвенному влиянию среды, привносило в трактовку проблемы наследственности и изменчивости элементы, выходящие за рамки подлинной науки².

Теория пангенеза, выдвинутая Ч. Дарвином в 1868 г., также базируется на идее Гиппократа. По мнению Дарвина, от всех клеток организма отделяются мельчайшие частицы – «геммулы», которые, циркулируя с потоком крови по сосудистой системе организма, достигают половых клеток. После их слияния в ходе развития организма следующего поколения геммулы превращаются в клетки того типа, из которого произошли, со всеми особенностями, приобретенными в течение жизни родителей.

В 1871 г. английский врач Ф. Голтон, двоюродный брат Ч. Дарвина, опроверг своего великого родственника. Он переливал кровь черных кроликов белым, а затем скрещивал белых между собой. В трех поколениях он «не нашел ни малейшего следа какого-либо нарушения чистоты серебристо-белой породы». Эти данные показали, что по крайней мере в крови кроликов геммулы отсутствуют³.

В 80-х гг. XIX в. с теорией пангенеза не согласился А. Вейсман. Он предложил свою гипотезу, согласно которой в организме существует два типа клеток: соматические и особая наследственная субстанция, названная им «зародышевой плазмой», которая в полном объеме присутствует только в половых клетках. Согласно представлениям Вейсмана половые клетки защищены от влияния соматических клеток, и поэтому признаки, изменяющие только соматоплазму, не могут наследоваться. Подходы к современной генетике наметились в XVIII и особенно в XIX в. Научные методы скрещивания растений впервые применил И.Г. Кельрейтер (1733-1806). Он разработал метод полукастрации цветков (удаление тычинок с недозревшими пыльниками); применив взаимообратные направления скрещиваний, установил равноправие пыльцы и семяпочек в передаче наследственных признаков; показал достаточность для завязывания семени минимального количества пыльцы. Кельрейтер скрещивал различные виды табака. Он также открыл явление гибридной мощности (гетерозиса), которое успешно используется в современной селекции, например, кукурузы⁴.

Методы гибридизации растений Кельрейтера развил дальше английский ботаник Т.Э. Найт (1759-1838) – организатор и президент Лондонского общества любителей садоводства. Наряду с опытами по гибридизации плодовых растений, он проводил искусственные скрещивания гороха, с тем, чтобы «…удостовериться в действии пыльцы одной разновидности на другую». В своих опытах на горохе (в отличие от Кельрейтера) Найт наблюдал не за общим габитусом растений, а пытался проследить за отдельными «элементарными признаками». При этом он обнаружил, что некоторые признаки при скрещивании «исчезают», а другие сохраняются (доминируют). Так, Найт первым заметил доминирование признака серой кожуры и пурпурной окраски цветков, которое впоследствии доказал Г. Мендель. Кроме того, в его опытах при скрещивании низкорослой разновидности гороха с более крупной доминировала крупная форма. Причину этого явления Найт видел в стимулирующем действии скрещивания⁵.

Работы Кельрейтера  и Найта развивали далее и  многие другие ботаники.   О. Сажрэ (1763-1851) получил известность как создатель новых сортов фруктовых деревьев и овощных культур. Впервые в истории гибридизации он стал изучать отдельные признаки растений, подбирая для скрещивания альтернативные пары (мякоть желтая – белая, кожура сетчатая – гладкая и др.). Он установил отсутствие смешения изучаемых признаков у дынь: признаки у потомков не исчезали, а только перераспределялись среди них. Признаки, которые не исчезают, а проявляются во втором поколении гибридов, были позже названы Менделем рецессивными⁶.

Итак, во второй половине XIX века ученые и практики из многих стран, занимаясь гибридизацией различных видов растений, правильно подметили такие особенности наследования признаков как доминирование, единообразие гибридов первого поколения, расщепление и комбинаторика признаков во втором поколении, одинаковое проявление признаков в реципрокных скрещиваниях.

Фактически всех их можно  считать непосредственными предшественниками  Г. Менделя. Однако только Мендель сумел  провести глубоко продуманные и  спланированные эксперименты. Уже в  первоначальной стадии работы он понял, что в эксперименте нужно выполнить  два условия: растения должны обладать константно различающимися признаками и гибриды должны быть защищены от влияния чужой пыльцы.

Метод, открытый Менделем, состоял в том, что он подвергал  анализу наследование отдельных  пар альтернативных качеств у  растений (цвет или форма горошин). Простота и четкость методики гибридологического эксперимента, возможность применения количественного вариационно-статического подхода и алгебраических символов в анализе его результатов – все это сделало метод Менделя новым этапом в развитии биологического познания вообще и генетики в частности.

Таким образом, заслугой Менделя является то, что из непрерывной  характеристики растений он выделил  дискретные признаки, выявил константность  и контрастность их проявления, а  также ввел понятие доминантности и рецессивности. Все эти приемы впоследствии вошли в гибридологический анализ любого организма.

В результате скрещивания  растений, обладающих двумя парами контрастных признаков, Мендель обнаружил, что каждый из них наследуется независимо от другого. Признаки контрастны, не теряются при гибридизации и проявляются в последующих поколениях.

Эти краеугольные закономерности наследования признаков, названные через много  лет «законами Менделя», неизменно  проявляются у любых живых  организмов, вступающих в скрещивание, а также у их потомства, т.е. у всего живого. Обнаруженные правила наследования легко описываются математическими символами и схемами, позволяющими задолго до появления потомства точно предсказывать его характеристики. В биологии, таком образом, впервые появилась наука, обладающая предсказательной силой. И тем не менее работа Менделя не заинтересовала современников  и не повлияла на распространенные в конце XIX в. представления о наследственности.

Свою работу «Опыты над растительными  гибридами» Мендель опубликовал в 1866 г. в журнале «Труды Брюннского общества испытателей природы». С тех пор вокруг этой статьи ведутся дискуссии. Обсуждаемые вопросы:

1. Осталась ли работа незамеченной современниками и неизвестной вплоть до 1900 г.?

Обычно считается, что работа Менделя не была известна современникам, так как нигде не обсуждалась с 1866 по 1900 г. Известно, однако, что Брюннское общество испытателей природы обменивалось своими изданиями со 133 научными академиями и научными обществами Европы и Америки. Кроме того, Мендель получил из журнала 40 оттисков, которые разослал биологам, которым это могло быть интересно. Однако и это не помогло. Как вспоминал Ф.Г. Добржанский в 1964 г., в середине XX в. один из крупных ботаников, разбирая библиотеку отца, тоже крупного ботаника, нашел оттиск статьи Менделя. Его страницы не были даже разрезаны. В 1867 г. в основном ботаническом журнале того времени – «Flora» – в перечне наиболее важных работ по ботанике приведены полные библиографические данные статьи Менделя. Эта библиографическая справка в журнале «Flora» вызвала значительный интерес у читателей и повышенный спрос на том «Трудов Брюннского общества испытателей природы», в котором была статья Г.  Менделя. Из личной переписки Менделя и профессора К. Нэгели (апрель 1867 г.) стало известно, что после доклада Г. Менделя возникла дискуссия, во время которой мнения слушателей разделились. Эта дискуссия была отражена в местных газетах. В целом за период с 1865 по 1900 г. труды Менделя цитировались в научной литературе не менее 11-12 раз. Все это говорит о том, что работа Менделя не была неизвестной или тем более забытой.

2. Читали ли работу Менделя ученые, переоткрывшие его законы, до начала собственных экспериментов?

В современной литературе высказывается все больше сомнений в том, что переоткрыватели законов Менделя не читали его работу до начала своих экспериментов.

3. Понимал ли сам Мендель, что он открыл?

Довольно многие из историков, не находя четких формулировок законов  непосредственно в статье Менделя, приходят к выводу, что Мендель не осознавал до конца глубины написанного им. Однако это не так. В письме профессору Муру Мендель описывает результаты своих опытов с горохом и сообщает об открытии им двух основных принципов наследования: закона расщепления и закона независимого распределения единиц наследования, названных в письме «элементами».

4. Не слишком ли хорошо результаты экспериментов Менделя удовлетворяют теоретически ожидаемым?