Лекция: Генетика как наука. Предмет и задачи генетики.

Генетика –наука о закономерностях наследственности и изменчивости. Основоположник – монах Мендель(1822) 1900-перерождение генетики, переоткрыты законы наследования Менделя.

Наследственность – св-во живих организмов обеспечивать структурную и функциональную приемственность при смене поколений и свойственных виду особенностей индивидуального развития.

В основе наследственности лежит конвариантное самовоспроизведение материальных носителей(молекул ДНК, хромосом.клеток) Передача насл.инфо при смене поколений называется наследованием.

Изменчивость-св-во живых организмов изменяться генотипически и фенотипически под влиянием факторов среды.

Изменчивость обеспечивает приспособление организмов к вариациям разнообр. Ф. среды и способств. Сохранению и эволюции видов.

Первые представления о наследственности содержатся в тру­дах ученых античной эпохи. Уже к V в. до н. э. сформировались две основные, чисто умозрительные теории: прямого и непрямого наследования признаков. Сторонником прямого наследования был Гиппократ, который считал, что репродуктивный материал соби­рается из всех частей тела и таким образом все органы тела непосредственно влияют на признаки потомства. По мнению Гиппократа, здоровые части тела поставляют здоровый репродук­тивный ■ материал, а нездоровые — нездоровый, и в результате признаки, приобретаемые в течение жизни, должны наследоваться.

Точку зрения Гиппократа оспаривал Аристотель (IV в. до н. э.). Он был сторонником теории непрямого наследования призна­ков и считал, что репродуктивный материал вовсе не поступает из всех частей тела, а производится из питательных веществ, по своей природе предназначенных для построения разных частей тела.

Теория прямого наследования просуществовала 23 века. Пос­ледней серьезной вариацией на эту тему можно считать теорию пангенезиса Ч. Дарвина (1868), развитую в книге «Изменение жи­вотных и растений в домашнем состоянии». Согласно этой теории у растений или животных все клетки «отделяют от себя крошеч­ные геммулы, рассеянные по зсему организму». Геммулы попадают в репродуктивные органы, и таким образом признаки передаются потомкам. Как считал и сам Ч. Дарвин, эта теория весьма напо­минала взгляды Гиппократа.

Уже в 1871 г. дарвиновская теория, а правильнее, гипотеза пангенезиса была экспериментально проверена Ф. Гальтоном — крупным естествоиспытателем, двоюродным братом Ч. Дарвина. Ф. Гальтон переливал кровь черных кроликов белым, а затем скре­щивал реципиентов. «Я повторял это в трех поколениях и не нашел ни малейшего следа какого-либо нарушения чистоты сереб- ристо-белой породы», — писал он. Следовательно, по крайней мере в крови кроликов геммулы не содержатся.

Ситуация становится драматической, если вспомнить, что в 1865 г., еще до публикации дарвиновской гипотезы пангенезиса, уже вышла в свет работа Г. Менделя «Опыты над растительными гибридами», в которой были сформулированы законы непрямого наследования, позже ставшие основой генетики. Эксперименты Менделя были неизвестны Дарвину. В своей работе «Действие перекрестного и самооплодотворения» (1876) Ч. Дарвин ссылается на сводку Гоффмана «Проблема вида и разновидности» (1869), в которой пять раз упомянута статья Менделя. Эти ссылки не привлекли внимания Дарвина.

Неверно думать, что современники не заметили «Опытов...» Менделя. С 1865 по 1900 г. работу Менделя цитировали по мень­шей мере 6 раз, в том числе в Британской энциклопедии за 1881 — 1885 гг. в статье о «гибридизме». Современники не поняли Мен­деля. Биология тог\э времени не была готова к восприятию его идей, несмотря на то что он отнюдь не был единственным или первым ученым, ставившим опыты по гибридизации растений. Достаточно упомянуть И. Г. Кельрейтера (1733—1806), немецкого ботаника (работавшего в нескольких городах Европы, в том числе в Петербурге), открывшего гибридную мощность и одинаковый результат реципрокных скрещиваний у табака. Англичанин Т. Э. Найт (1759—1838), экспериментируя, как позднее и Мен­дель, с горохом, вновь обратил внимание на одинаковый резуль­тат реципрокных скрещиваний, на единообразие гибридов первого поколения и расщепление при самоопылении гибридов. Его сооте­чественник и современник Дж. Госс обнаружил (1822), что гиб­риды второго поколения при последующем самоопылении делятся на расщепляющиеся и не расщепляющиеся.

Французский исследователь О. Сажрэ (1763—1851) обратил внимание на перераспределение константных признаков при гибри­дизации. Он предвосхитил понятие комбинативной изменчивости: «Нельзя не восхищаться той простоте способов, которой придер­живается природа для возможности бесконечно варьировать ее произведения и избежания однообразия. Эти два способа — слия­ние и распределение признаков, различным образом комбинируе­мые, могут довести разновидности до безграничного числа» (1825).

Ни один из предшественников Г. Менделя даже не пытался проанализировать, свои результаты количественно: подсчитать соотношение классов среди гибридов различных поколений.

Главное достижение Г. Менделя заключается в том, что он сформулировал и применил принципы гибридологического анализа для проверки конкретной гипотезы — гипотезы о наследственной передаче дискретных факторов. Выявленные Г. Менделем законо­мерности наследования по достоинству были оценены только в 1900 г., когда они вновь были открыты независимо друг от друга тремя исследователями: Гуго Де Фризом в Голландии, Карлом Корренсом в Германии и Эрихом Чермаком в Австрии. К. Кор- ренс и Э. Чермак еще раз продемонстрировали справедливость менделевских закономерностей для гороха, а Г.Де Фриз подтвер­дил это сразу для 16 видов растений.

Вскоре было доказано, что те же законы наследования справед­ливы и для животных. У. Бэтсон в 1902 г. продемонстрировал это на примере наследования формы гребня у кур, a JI. Кюэно в том же 1902 г. — на примере наследования серой и белой окраски шерсти у домовой мыши. Уже в 1909 г. У. Бэтсон опубликовал сводку, где перечислил около 100 признаков растений и прибли­зительно столько же у животных, для которых доказано наследо­вание по Менделю. Менделизм прочно вошел в науку.

Что же изменилось за 35 лет после менделевских открытий? Прежде всего сформировалась и развилась клеточная теория. В общих чертах было выяснено поведение хромосом в митозе и мейозе и при оплодотворении у растений и животных, установлено постоянство хромосомных наборов.Еще до переоткрытия законов Менделя возникла ядерная гипо­теза наследственности, которая была подтверждена изящными опытами немецкого исследователя Т. Бовери (1862—1915), дока­завшего равнозначность мужского и женского пронуклеусов при оплодотворении у морского ежа (1889). Если оплодотворять яйца, ядра которых разрушены встряхиванием, или даже их безъядер­ные фрагменты, то личинка развивается нормально только за счет мужского пронуклеуса. Правда, такие личинки примерно в 4 раза меньше обычных.

В своих опытах Т. Бовери использовал два вида морских ежей: Echinus microtuberculatus и Sphaerechinus granulans, личинки кото­рых различаются по строению скелета. При нормальном оплодотво­рении личинки имеют скелет промежуточного строения. Если же оплодотворять безъядерные яйцеклетки Е. microtuberculatus спер матозоидами S. granulans, то личинки полностью повторяют строе­ние скелета S. granular is, хотя и обладают меньшими размерами, чем при обычном оплодотворении (рис. 1.3). Таким образом, доказы­валась роль ядра в наследовании.До хромосомной гипотезы оставался один шаг. Его сделал У. Сэттон, обративший внимание на поразительный параллелизм в поведении менделевских факторов и хромосом. Уже после пере­открытия законов Менделя Сэттон в 1903 г. поместил менделев- ские факторы в хромосомы.Большое влияние на развитие учения о наследственности ока­зали взгляды выдающегося немецкого биолога А. Вейсмана (1834—1914). Созданная им в основном умозрительная теория во многом предвосхищала хромосомную теорию наследственности. В дальнейшем она была уточнена с учетом данных цитологии и сведений о роли ядра в наследовании признаков. А. Вейсман дока­зывал невозможность наследования признаков, приобретенных в онтогенезе, и подчеркивал автономию зародышевых клеток. Ему, в частности, принадлежит объяснение биологического значения редукции числа хромосом в мейозе как механизма поддержания постоянства диплоидного хромосомного набора вида и основы комбинативной изменчивости.В самом начале XX в. (1901) Г. Де Фриз сформулировал мута­ционную теорию, во многом совпавшую с, теорией гетерогенеза (1899) русского ботаника С. И. Коржинского (1861—1900). Сог­ласно мутационной теории Коржинского — Де Фриза, наслед­ственные признаки не являются абсолютно константными, а мо­гут скачкообразно изменяться вследствие изменения — мутирова­ния их задатков.Таким образом, методология генетики сформировалась на базегибридологического анализа, цитоло­гического метода и изучения мута­ционного процесса. Эти три подхода в изучении наследственности и измен­чивости, ставшие основой так назы­ваемой классической генетики, раз­виваются и обогащаются новыми методами на протяжении всей исто­рии генетики и являются ее основа­ми до настоящего времени.Важнейшая веха в развитии гене­тики — создание хромосомной тео­рии наследственности, связанной с именем американского эмбриолога и генетика Томаса Ханта Моргана (1866—1945) (рис. 1.4) и его школы. На основе экспериментов с новым тогда объектом — плодовой мушкой Рис. 1.4. Т.Х.Морган (1866— (Drosophila melanogaster) Морган 1945) вместе со своими учениками А. Стёр-тевантом (1891 — 1970), К. Бриджесом (1889—1938) и Г. Мёлле- ром (1890—1967) к середине 20-х годов нашего века сформули­ровал представления о линейном расположении генов в хромосо­мах и создал первый вариант теории гена — элементарного носи­теля наследственной информации. Проблема гена стала централь­ной проблемой генетики. Она разрабатывается и в настоящее время.Дальнейшее развитие учение о наследственной изменчивости нашло в трудах советского ученого Николая Ивановича Вавилова (1887—1943), сформулировавшего в 1920 г. закон гомологических рядов наследственной изменчивости. Этот закон обобщил огром­ный фактический материал о параллелизме изменчивости близких родов и видов, связав таким образом воедино генетику и система­тику. Он явился крупным шагом на пути последующего синтеза генетики и эволюционного учения.Теория мутационного процесса обогатилась в 1925 г. откры­тием индуцированного мутагенеза. Советские микробиологи Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов в 1925 г. обнаружили влияние ра­диоактивного излучения на мутационный процесс у низших гри­бов. В 1927 г. американец Г. Мёллер продемонстрировал мутаген­ный эффект рентгеновских лучей в экспериментах с дрозофилой, а другой американский биолог Дж. Стадлер (1927) открыл анало­гичные эффекты у растений.Используя метод индуцированного мутагенеза, советские уче­ные в 1929 г. во главе с А. С. Серебровским (1892—1948) при­ступили к изучению строения гена у Drosophila melanogaster. В своих исследованиях (1929—1937) они впервые показали его сложную структуру.В этот период широко развернулись исследования по генетике в СССР. Уже в 1919 г. Ю. А. Филипченко (1882—1930) основал первую в СССР кафедру генетики в Петроградском университете и при ней в 1920 г. исследовательскую лабораторию генетики в Петергофском естественнонаучном институте Петроградского уни­верситета. В 1929 г. он опубликовал первый учебник «Генетика», объединивший написанные им ранее книги: «Изменчивость и мето­ды ее изучения» и «Наследственность». Уже после смерти Ю. А. Филипченко вышла его книга «Генетика мягких пшениц», ставшая первым руководством по генетическому анализу растений. В 1921 г. Ю. А. Филипченко организовал в Академии наук при КЕПС (Комитет по естественным производительным силам) ис­следовательскую лабораторию по генетике, которая впоследствии была преобразована в институт генетики. Этот институт уже после смерти Ю. А. Филипченко в 1930 г. возглавил Н.И.Вавилов.

В 1930 г. А. С. Серебровский основал кафедру генетики в Московском университете. Здесь он продолжал работу по генети­ке животных одновременно с преподаванием, завершив в 1948 г. свой классический труд «Генетический анализ», увидевший свет только в 1970 г.В 1932 г. в Ленинградском университете была открыта ещеодна кафедра — генетики растений, которую возглавил Г. Д. Кар- печенко (1899—1942), экспериментально показавший возмож­ность объединения двух геномов разных видов растений. Тем са­мым он доказал один из путей видообразования у растений.В 20—30-е годы крупнейшим центром исследований по гене­тике был Институт экспериментальной биологии в Москве, орга­низованный в 1916—1917 гг. Н.К.Кольцовым (1872—1940). В этом институте выполнил свои основополагающие работы С. С. Четвериков (1880—1959), обосновавший в 1926 г. и экспери­ментально подтвердивший значение мутационного процесса в при­родных популяциях.На рубеже 40-х годов Дж. Бидл (род. в 1903 г.) и Э. Тейтум (1909—1975) заложили основы биохимической генетики. Они показали, что мутации у хлебной плесени Neurospora crassa блоки­руют различные этапы клеточного метаболизма и высказали предположение о том, что гены контролируют биосинтез фер­ментов.В 1944 г. американцы О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти доказали генетическую роль нуклеиновых кислот в экспериментах по трансформации признаков у микроорганизмов — пневмококков. Они идентифицировали природу трансформирующего агента как молекулы ДНК. Это открытие символизировало возникновение нового этапа в генетике — рождение молекулярной генетики, которая легла в основу целого ряда революционизирующих откры­тий в биологии XX века. Ключ к разгадке наследственности ока­зался спрятанным в структуре биополимера сравнительно простого химического строения.Приоритет в расшифровке структуры молекулы ДНК принадле­жит американскому вирусологу Дж. Уотсону (род. в 1928 г.) и английскому физику Ф. Крику (род. в 1916 г.), опубликовавшим в 1953 г. структурную модель этого полимера.