Этапы становления генетики как науки

Генетика — наука о закономерностях наследственности и изменчивости организмов

Генетика (в переводе с греческого — происходящий от кого-то) — наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости. Генетика — часть общей биологии. Своими успехами современная генетика обязана в основном исследованиям, проведенным на растениях и насекомых, применительно к которым легко проследить результаты многочисленных направленных скрещиваний. Если бы изначально объектом исследования был человек, вряд ли удалось бы открыть ос­новные генетические законы так быстро. Но когда стало ясно, что за­коны генетики являются универсальными и применимы к человече­ским популяциям, появились новые возможности для исследований. Возник комплекс наук, изучающих проявления наследственности и изменчивости у человека (антропогенетика, популяционная генетика человека, иммуногенетика, фармакогенетика, поведенческая генети­ка, или психогенетика). В конечном итоге генетика человека внесла существенный вклад в общую генетику. Сама же она оказалась в довольно сложном положении и часто становилась ареной ожесточён­ной идеологической борьбы. Проблема заключается в том, что гене­тика человека неминуемо вторгается в сферу человеческих ценностей и этики, т. е. в социальную и философскую антропологию. Учитывая биосоциальную природу человека, необходимо соблюдать баланс между представлениями биологического характера и их возможными приложениями к развитию человеческих сообществ. Этими пробле­мами занимается биоэтика, которая сейчас бурно развивается.

Для обновления представлений в области генетики полезно ис­пользовать исторический подход, рассмотрев основные этапы ста­новления этой науки. Если начать из глубины веков, до возникнове­ния научных знаний, то можно сказать, что людям из жизненной практики было всегда понятно, что потомки каким-то образом полу­чают различные признаки (цвет глаз, особенности строения тела, го­лос, форма и цвет волос, характер, способности и т. д.) от своих роди­телей. Зачатки практической генетики можно проследить ещё в доисторические времена, когда одомашнивались животные и культи­вировались растения. В различных дошедших до нас источниках со­держатся некоторые элементарные знания и рекомендации генетиче­ского характера, например, относительно скрещивания лошадей или повышения урожайности растений. В Библии и Торе, например, есть многочисленные упоминания о различных наследственных заболева­ниях, причём по некоторым признакам можно утверждать, что в глу­бокой древности уделялось большое внимание родословным и их анализу. Однако основы современных представлений о механизмах наследственности были заложены только в середине XIX века.

Центральный вопрос генетики как науки

Центральным вопросом генетики всегда был вопрос о том, что является материальной осно­вой передачи свойств и качеств по наследству. В течение долгого времени считалось, что наследственность каким-то образом связана с кровью. Отсюда дошедшие до нас и укрепив­шиеся в разговорной речи выражения «родная кровь» и «кровное родство». Чарльз Дарвин (1809 — 1882 гг.), внесший огромный вклад в биологию и со­здавший эволюционную теорию и первую, т. н. биологическую теорию эмоций, полагал (в со­ответствии с уровнем науки в его время), что в крови содержатся некие субмикроскопические гипотетические единицы наследственности, которые он называл «геммулами». Теоретические взгляды Дарвина по­лучили название теории пангенезиса. Двигаясь с током крови, геммулы в конечном итоге концентрируются в половых структурах и обес­печивают передачу признаков потомству. Родительские признаки, смешиваясь, формируют новые свойства у потомства, что является важнейшей предпосылкой для естественного отбора. Взгляды Дарви­на, несмотря на умозрительность и некоторую наивность с точки зре­ния сегодняшнего дня, имели большое значение, поскольку в каче­стве непреложного факта выдвигали положение о материальной природе факторов наследственности.

То, насколько серьёзно относились к данной идее во времена Дарвина, свидетельствует следующий факт. Двоюродный брат Дарвина и также вы- дающийся ученый своего времени, основатель психогенетики, дифференциаль­ной психологии и психометрии Френсис Гальтон предпринимал эксперимен­тальную проверку этой гипотезы. Он переливал кровь чёрных кроликов белым, полагая, что этим удастся изменить окраску животных. Не получив резуль­тата, он опроверг точку зрения о нахождении факторов наследственности непосредственно в крови.

Научный этап в развитии генетики

Научный этап в развитии генетики, как известно, связан с име­нем Грегора Менделя (1822 — 1884 гг.). В 1865 году монах Грегор Мендель, занимав­шийся гибридизацией растений в Августинском монастыре в Брюнне (ныне Брно, на территории Чехии) представил на заседании местного обще­ства естествоиспытателей результаты исследова­ний о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха. Сама работа Менделя «Опыты над растительными гибридами» была опубликована в трудах общества в 1866 г. Сфор­мулированные им закономерности наследования позже получили название законов Менделя. При жизни его работы не были оценены научным со­обществом. Слава первооткрывателя пришла к Менделю после его смерти, в начале XX века.

Основной заслугой Менделя стало то, что он доказал, что в половых клетках существуют особые дискретные факторы наследственности. Каждый такой фактор определяет кон­кретный признак организма. Наследственные факторы, переходя из поколения в поколение, не смешиваются и не разбавляются, как полагали Дарвин, Гальтон и другие ученые до Менделя, а сохраняют свою индивидуальность, т. е. ведут себя как независимые дискретные единицы. Залогом успеха Менделя был удачный выбор объекта ис­следований, тщательное планирование экспериментов, большое чис­ло наблюдений, предоставляющее возможность статистической обра­ботки данных.

Следует отметить, что и до Менделя многие учёные проводили подобные эксперименты на растениях, но ни один из них не получил таких точных и подробных данных, кроме того, они не смогли объяс­нить свои результаты с точки зрения механизма наследственности. Заслугой Менделя было то, что он следил отдельно за каждой парой альтернативных признаков отдельно, анализируя их частоты среди гибридов. Кроме того, Менделю в известном смысле «повезло» с вы­бором объекта исследований, поскольку у многих растений в силу взаимодействия генов признаки могут проявляться совсем не так, как у горошка. Известно, что Мендель лично разослал копии своей статьи ведущим профессорам европейских университетов, но не получил от­кликов. Почти 35 лет эти важнейшие результаты ждали своего часа. За этот период большой прогресс был достигнут в области клеточной биологии, что имело значение для развития генетики.

К концу XIX в. в результате улучшения оптических характери­стик микроскопов и совершенствования цитологических методов по­явилась возможность наблюдать поведение хромосом в гаметах (по­ловых клетках) и зиготах (делящихся оплодотворённых яйцеклетках). В 1875 г. Р. Гертвиг дал подробное описание слияния двух ядер — ядра спермия и ядра яйцеклетки при оплодотворении яиц морского ежа. В 1882 г. немецкий гистолог В. Флемминг описал по­ведение хромосом во время митоза (клеточного деления), а в 1902 г. Т. Бовери продемонстрировал роль ядра в регуляции развития при­знаков организма. Таким образом, была доказана важнейшая роль хромосом в клеточном ядре. Достижения цитологии и эмбриологии подготовили почву для дальнейшего развития учения о наследствен­ности и изменчивости.

В начале XX века данные Менделя вновь привлекли внимание в связи с исследованиями Карла Корренса, Эриха фон Чермака и Гуго Де Фриза по гибридизации растений (в частности, кукурузы), в кото­рых были подтверждены основные выводы о независимом наследо­вании признаков и о численных соотношениях при «расщеплении» признаков в потомстве. Вскоре английский натуралист Уильям Бэт­сон ввёл в употребление название новой научной дисциплины: генетика (в 1905 г. в частном письме и в 1906 г. публично). В 1909 году датский ботаник Вильгельм Йоханнсен впервые использовал термин «ген». Так он предложил именовать открытые Менделем факторы наследственности, содержащиеся в половых клетках. Им же были предложены понятия «генотип» и «фенотип».

Хромосомная теория наследственности

Следующим важным моментом стало формирование хромосомной теории наследственно­сти. Немецкий учёный Август Вейсман впервые предположил, что гены как наследственные факторы находятся в хромосомах, а амери­канские исследователи В. Сеттон, Э. Вильсон и Т. Морган доказали это предположение в серии исследований, объектом которых стала плодовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster).

С этого момента дрозофила становится излюбленным объектом для генетики ввиду небольшого числа хромосом (4 пары), короткого жизненного цикла и сравнительной лёгкости учета фенотипических проявлений. Хромосомная теория стала важным вкладом в развитие генетики. Изучение закономерностей сцепленного наследования поз­волило путём анализа результатов скрещиваний составить карты рас­положения генов в «группах сцепления» и сопоставить группы сцеп­ления с хромосомами (1910 — 1913 гг.). Таким образом, стало ясно, что гены расположены в хромосомах, причём в линейном порядке. В 1913 г. Альфред Стертевант составил первую генетическую карту хромосомы. В 1927 г. для обозначения изменений в генах был введен термин мутация, и было доказано, что мутации возникают под влия­нием ионизирующего излучения (Г. Меллер).

Понятие ген прочно вошло в науку. Ученые сформулировали основные свойства генов (единица хранения гене­тической информации, отвечающая за развитие признака, единица рекомбинации, элементарной функции и мутации), однако это понятие остава­лось абстрактным. Природа гена, его химическая структура, оставались загадкой. Высказывались множество предположений и гипотез. Одной из таких важных и продуктивных гипотез была ги­потеза белкового строения гена Н. К. Кольцова. Николай Константинович Кольцов (1872 — 1940 гг.) был директо­ром созданного им Института экспериментальной биологии АН СССР. Он по праву считается осно­вателем советской генетики, учителем целого по­коления учёных. Гипотеза Кольцова была умозрительной, она выдви­гала на роль носителей генетической информации белки. Кольцов рассматривал гены как боковые радикалы огромных белковых моле­кул (гемонем) хромосом. Несмотря на ошибочность основной идеи, гипотеза содержала важные положения, которые впоследствии вошли в современную теорию гена. Во-первых, это идея о том, что роль ге­нов выполняют полимерные химические структуры, во-вторых, предположение, что в силу своей нерегулярности именно биополиме­ры несут в особенностях своего строения генетическую информацию. Но самым главным достижением было то, что гипотеза Кольцова предусматривала механизм удвоения (репликации) генов посредством матричного синтеза (т. е. образования новой молекулы на матрице предыдущей со считыванием хранящейся информации).

Таким образом, уже в то время были заложены предпосылки для развития молекулярной генетики. Вопрос о молекулярной природе гена стал наиболее актуаль­ным, а наиболее вероятными кандидатами на эту роль считались белки. В этом была своя логика — белки были наибо­лее изучены, их многообразие представлялось практически неограни­ченным, можно было полагать, что именно они и есть хранители и переносчики информации. В то же время, накапливались и другие данные, которые позволяли предположить, что некую важную роль играют уже известные науке полимерные молекулы иного строения, а именно нуклеиновые кислоты.

Следует отметить, что само открытие нуклеиновых кислот про­изошло ещё во второй половине XIX в. Это открытие принадлежит швейцарскому физиологу Фридриху Мишеру, который в 1868 г. в ла­боратории Ф. Гоппе-Зейлера в Тюбингене (Германия) выделил из ра­невого отделяемого (т. е. из лейкоцитов гноя) ранее неизвестное вы­сокомолекулярное вещество с кислотными свойствами, названное им «нуклеином». В последующем он установил, что оно представляет со­бой смесь высокомолекулярной кислоты и щелочного белка, полу­чившего название «протамин». Вскоре аналогичные соединения бы­ли выделены из различных животных и растительных тканей. Однако роль нуклеиновых кислот в передаче и хранении наследственной ин­формации была ещё далека от выяснения. В 1935 г. М. Демерец в ста­тье «Что такое ген?» высказал предположение, что наследственность связана с молекулой ДНК, однако вплоть до 1953 г. вопрос о роли белков не был снят с повестки дня.

В то же время, ещё в 1928 г. бактериолог Фредерик Гриффит по сути уже обнаруживает молекулу наследственности, которая переда­ётся от бактерии к бактерии. В экспериментах Гриффита мышей за­ражали смесью микроорганизмов — живого невирулентного штамма пневмококков с вирулентным штаммом, но убитым нагреванием. Мыши заболевали пневмонией, и у них в крови обнаруживался живой вирулентный штамм. Такое могло происходить только в случае, как если бы убитые микроорганизмы трансформировали (например, пу­тём переноса какого-то фактора) живых, изменяя их свойства. Этот фактор получил название «трансформирующего начала». Необходи­мо было разобраться, что же является этим «началом».

Открытие ДНК и РНК

Ряд авторов (О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти) в 1944 г. детально изучили явление трансформации микроорганизмов и убеди­тельно доказали, что этим фактором является дезоксирибонуклеино­вая кислота (ДНК). В 40-е — 50-е годы вклад в ломку старых представлений внесли также работы А. Тодда и Дж. Смита в Кембридже, Э.  Чаргаффа в Колумбийском университете и А. Н. Белозёрского в Московском университете. Все эти работы были посвящены изуче­нию структуры и функции ДНК и РНК (рибонуклеиновой кислоты).

Следует сказать, что проведенные в 20-е годы исследования биохимического характера однозначно установили химический со­став этих двух видов полимерных молекул. Стало точно известно, что ДНК состоит из 2-х типов азотистых оснований — пуриновых (адетт и гуанин) и пиримидиновых (цитозин и тимин), моносахарида дезоксирибозы и остатков фосфорной кислоты. В то же время, в составе РНК находили те же аденин и гуанин, однако пиримидины были представлены урацилом и тимином, а моносахарид — рибозой, а не дезоксирибозой. Эти качественные химические различия, впрочем, не объясняли пространственного строения молекул ДНК и РНК.

Исключительно большое значение для дальнейшего развития науки сыграли работы Э. Чаргаффа (1905 — 2002 гг.) в Колумбийском университете США. Он подвергал гидролизу ДНК и РНК из различных животных и растительных источни­ков и исследовал их нуклеотидный состав. Чаргафф отстаивал мысль о том, что все нуклеино­вые кислоты построены однотипно. Вскоре ему удалось установить, что существуют универ­сальные для всех биологических объектов за­кономерности состава ДНК, а именно равенство между общим содержанием пуринов и пиримидинов (ПУР=ПИР), равенство между аденином и тимином (А=Т), гуанином и цитозином (Г=Ц) и суммой структурных 6-аминогрупп и 6-кетогрупп (Г+Т=А+Ц). Кроме того, Э. Чаргафф выяснил, что соотношение (А+Т)/(Г+Ц) ви­доспецифично. Эти закономерности получили название «правил Чар­гаффа». Правила Чаргаффа достаточно ясно намекали на то, что в структуре ДНК аденин должен быть каким-то образом связан с тими­ном, а гуанин — с цитозином. До расшифровки пространственной структуры молекулы ДНК оставалось всего несколько лет.

Данный этап развития физикохимии биополимеров характери­зовался триумфом рентгеноструктурного анализа, разработанного физиками для анализа биологических молекул в кристаллическом со­стоянии. Нобелевская премия в области химии 1954 года была при­суждения американскому учёному Лайнусу Полингу за открытие пространственной структуры молекулы белка, т. н. α-спирали. Идея о спиральном строении биологических макромолекул доминировала в умах учёных. Законченность, ясность, полное соответствие физико­химических данных структурной модели и объяснение на этой основе функций структурных белков и ферментов производили большое впечатление. Несколько групп учёных подвергли рентгеноструктур­ному анализу молекулу ДНК и попытались построить соответствую­щие пространственные модели.

На этом направлении работали В. Эстбери и Л. Полинг в США, а также Моррис Уилкинс и Розалинд Фрэнклин в Кингз-колледже в  Великобритании. Ещё одну группу теоретиков, интересовавшихся дан­ной проблемой, составляли вирусо­лог Джеймс Уотсон и физик Френсис Крик. Именно Д. Уотсон и Ф. Крик, анализируя рентгенограммы, полу­ченные Розалинд Франклин, постро­или модель ДНК, которая оказалась верной (следует отметить, что такие попытки делались многими). Более всего по своим стереохимическим характеристикам рентгенографиче­ской картине соответствовала двух­цепочечная молекула, в которой рибозо-фосфатный скелет располагался на периферии, а пары азотистых ос­нований были обращены внутрь спирали, причем пары А-Т и Г-Ц да­вали физически равное расстояние и, таким образом, внешние разме­ры молекулы были неизменными по всей её длине. Самое главное, что Уотсон и Крик поняли, что цепи должны быть антипараллельны и комплементарны, причём одна из цепей служит матрицей для дру­гой. Становился понятным механизм репликации (удвоения) ДНК.

В статье, опубликованной Уотсоном и Криком в наиболее авто­ритетном научном журнале Nature была такая фраза: «Мы вполне от­даём себе отчёт в том, что установленное нами специфическое спари­вание непосредственно указывает на возможный механизм копирования вещества наследственности». Произошло событие эпо­хального значения, стали одновременно понятными структура моле­кулы наследственности и механизм передачи наследственной инфор­мации. Он предусматривал синтез новой копии молекулы ДНК на матрице уже имеющейся путем раскру­чивания цепей и «достраивания» на каждой из новой комплементарной антипараллельной цепи из отдельных нуклеотидов. Идея матричного синтеза Н. К. Кольцова сработала.

В течение ближайших лет были получены прямые доказательства того, что Уотсон, Крик и Уилкинс (разде­лившие Нобелевскую премию в обла­сти биологии и медицины в 1962 г., Ро­залинд Франклин умерла в 1958 г. в возрасте 37 лет) были абсолютно пра­вы. Меселсон и Шталь в 1958 г. опуб­ликовали статью, в которой с помощью хитроумного эксперимента доказали полуконсервативный характер репли­кации ДНК. Действительно, каждой па­ре новых клеток, образовавшихся при делении материнской клетки, достаётся по одной цепи материнской ДНК, в то время как вторая цепь достраивается по принципу комплементарности (соответствия) из строительного материала (дезоксирибозы, фосфата и 4-х видов азотистых оснований, формирующих строительные блоки ДНК — нуклеотиды). С этого момента начинается новый период развития генетики — эра молекулярной генетики, когда развитие науки пошло необычайно быстрыми темпами.

Источник: Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Связанные статьи:

Связь биологии человека с другими науками

Гены, ДНК и РНК: понятие, структура, репликация, мутации

Гены или воспитание: что важнее?

12 факторов, определяющих ум человека

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>