Основные вопросы генетики

DjVu

      ВВЕДЕНИЕ
      Наследственность — одна из важнейших особенностей живых организмов. С очень давних времен это интересовало человека.
      Люди не могли не замечать сходства между родителями и детьми, стойкую передачу из поколения в поколение видовых признаков известных им животных и растений.
      С тех давних нор, когда человек начал культивировать растения, приручать и разводить животных, он все больше встречался с загадкой наследственности.
      Однако при всем этом наука, изучающая наследственность, — генетика — одна из самых молодых биологических наук, вступившая лишь во второе столетие своего развития.
      У ученых-биологов интерес к вопросам наследственности особенно возрос во второй половине XIX столетия. Это было связано с тем, что в XIX в. в некоторых странах, особенно в Англии, больше обращали внимание на получение новых, более продуктивных пород скота и сортов сельскохозяйственных растений. Животноводы и растениеводы усиленно практиковали скрещивание и отбор.
      Большое значение имели работы Чарлза Дарвина и выход в свет в 1859 г. его основного сочинения «Происхождение видов». Ч. Дарвин использовал в своих работах опыт, накопленный животноводами, и вскрыл значение искусственного отбора полезных изменений.
      Теория Ч. Дарвина о происхождении видов путем естественного отбора в борьбе за жизнь имела огромное значение. Учение об эволюции органического мира Ч. Дарвина вызвало переворот в биологической науке и открыло широчайшие возможности для ее развития. Ч. Дарвин предложил свою гипотезу, которая должна была объяснить сущность явления наследственности (гипотеза пангенезиса Ч. Дарвина).
      Ряд других ученые того времени пытались вскрыть закономерности в наследовании (Найт, Ноден, Гертнери др.). Однако основные законы наследственности оставались невыясненными, хотя и были установлены некоторые интересные факты, например единообразие потомства в первом поколении, полученном в некоторых скрещиваниях, и его разнообразие (расщепление) во втором поколении.
      К 60—80-м годам XIX в. были сформулированы некоторые основные положения генетической науки.
      В 70—80-х годах широко развернулись цитологические работы по изучению митотического деления клетки. Особое внимание было обращено на поведение хромосом. К этому времени относятся классические исследования О. Гертвига и Страсбурге р а, установивших, что в оплодотворенном яйце объединены отцовские и материнские ядра, этим определяется наследование отцовских и материнских свойств.
      Работами Флеминга, Страсбургера и других было установлено, что хромосомы, вытянутые в тонкие нити, в процессе деления клетки продольно удваиваются, а затем укорачиваются и утолщаются. Одновременно были опубликованы интересные работы русских биологов Горянинова и Чистякова. Было установлено, что этот процесс, обеспечивающий постоянство числа хромосом в ряду клеточных поколений, наблюдается у животных и растений.
      В итоге такие ученые, как Флеминг, Страсбургер, Вильгельм Ру, Ван Бенеден и другие, пришли к выводу, что именно хромосомы являются физическими носителями наследственности. Эти выводы были использованы А. Вейсманом. Он разработал теорию наследственности. В этой теории им было допущено много ошибок, но заслугой Вейсмана является утверждение, что хромосомы содержат наследственные задатки.
      Так^в 80-х годах прошлого столетия зародилась хромосомная теория наследственности. В дальнейшем развитии науки о наследственности хромосомная теория вошла в золотой фонд науки. Правильность ее подтвердило все развитие классической генетики, и наконец она была строго доказана развитием молекулярной генетики в последние пятнадцать лет.
      Независимо от изучения цитологами митоза и роли хромосом почти одновременно появились первые строго научно поставленные экспериментальные работы по изучению законов наследственности.
      В 186{»jr. была напечатана замечательная работа чешского ученого Грегора Менделя «Опыты над растительными гибридами». Тщательно поставленными опытами по скрещиванию растений Г. Мендель вскрыл основные законы наследования. Однако работа Г. Мецделя, напечатанная в местном журнале (г. Брно), оставалась неизвестной до 1900 г., когда его опыты были повторены тремя учеными: де Фризом, Корренсом иЧер-маком. С этого времени началось бурное развитие исследований гибридов. На многих животных и растениях была доказана правильность выводов Г. Менделя.
      Особенно важно, что результаты опытов по меыделистическо-му анализу законов наследования были связаны с достижениями цитологии, с изучением хромосом. Вскрытые Г. Менделем законы наследования получили материальную основу. Многие исследователи пришли к выводу, что наследственные особенности организмов зависят от определенных участков хромосом, называемых генами.
      Так, два направления в развитии науки: цитологическое п экспериментальное генетическое — слились в единое русло, и была заложена основа единой науки генетики. В дальнейшем в соответствующих главах мы подробно остановимся на развитии этих исследований.
      В первом десятилетии XX в. делались попытки объяснить сущность явлений наследственности, создавались гипотезы. Как это всегда бывает в молодой науке, многие из создаваемых гипотез не подтвердились дальнейшими исследованиями — оказались ложными.
      Так, например, некоторые ученые, правильно признавая существование материальных наследственных факторов — генов, считали гены неизменяемыми, а появление наследственных различий объясняли выпадением того или иного гена (гипотеза присутствия — отсутствия Бэтсона). Другие ученые признавали изменяемость генов, но ошибочно полагали, что изменение генов происходит самопроизвольно, независимо от внешних воздействий (теория автогенеза).
      Эти ТГЦругие неправильные, метафизические, представления о неизменяемости или самопроизвольном изменении генов были опровергнуты последованиями в генетической науке.
      Дальнейший замечательный период в развитии генетики охватывает время с начала 20-х годов почти до 1950 г. В это время исследования в области генетики особенно большое значение имели работы американского ученого Томаса Гента Моргана и его учеников.
      В рассматриваемый период было проведено большое количество исследований и многими крупными советскими генетиками: Н. И. Вавиловы м, 10. А. Филипченко, Г. Д. Карпеченко, Н. К. Кольцовым, Б. Л. Астауровым, А. С. Серебровским, С. С Четвериковым,Н. П. Дубининым и др. Их работы имели большое значение для развития генетики.
      В период от работ Г. Менделя до 50-х годов XX столетия генетика стала точной экспериментальной наукой — «классической генетикой».
      Развитие молекулярной генетики. За последние 15 лет были сделаны в области науки о наследственности такие значительные открытия, которые позволяют говорить о новой эпохе в истории генетики. Появление этих открытий было~обусловлено прежде все-
      го тем, что произошло объединение ряда наук в разработке проблемы наследственности. Генетика кооперировалась с биохимией, физикой, математикой и кибернетикой. Существенно изменились методы исследования. Помимо светового микроскопа, для изучения клетки стали применять электронный микроскоп. Все чаще используется применение лучистой энергии и химических соединений как мутагенных факторов и т. д.
      Если раньше ученые-биологи не могли проникнуть в своих исследованиях дальше того, что можно было увидеть при помощи светового микроскопа и применявшихся методов цитологических исследований, то новые методы позволили заглянуть в молекулярное строение клетки и ее органоидов. Генетика поднялась на молекулярный уровень.
      В соответствующих главах мы разберем основные достижения молекулярной генетики. Здесь мы лишь отметим важнейшие открытия. Было доказано, что хромосомы состоят из нуклеопротеидов, представляющих собой сочетание белковых молекул с молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Вскрыта роль нуклеиновых кислот в жизненных процессах и показано, что носителем наследственной информации у вирусов, бактерий, растений и животных является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), содержащаяся в хромосомах. Таким образом была установлена молекулярная основа хромосомной теории. Широко развернулось изучение мутационного процесса. Генетика вплотную подошла к изучению природы гена как определенного участка молекулы ДНК.
     
      ГЛАВА I
      КЛЕТКА — ОСНОВА ЖИЗНИ
     
      Современные данные о строении клетки
      Жизнь — высшая форма движения материи. Она тесно связана с физическими и химическими особенностями организмов.
      В биологии уже давно установилось представление о том, что в основе явлений жизни лежат процессы, происходящие в клетке.
      До недавнего времени достаточно точных данных о структуре клетки не было. Основным орудием исследования долгое время оставался световой микроскоп, который увеличивает до двух с половиной — трех тысяч раз и дает возможность наблюдать частицы размером не менее микрона (1 микрон — 0,001 доля миллиметра). В последнее время на помощь цитологам, изучающим клетку, пришел электронный микроскоп, при помощи которого достигается увеличение в сотни тысяч раз и больше. Теперь уже исследователь может наблюдать частицы размером меньше микрона. А в качестве единицы измерения употребляется ангстрем, составляющий 0,0000001 миллиметра (одну десятимиллионную часть миллиметра). Понятно, что электронный микроскоп позволил увидеть в клетке такие структуры, о наличии которых раньше и не знали. Кроме того, в настоящее время используются разнообразные методы изучения клетки и ее частей, а именно ультрафиолетовая микроскопия, применение изотопов (меченых атомов), рентгеноструктурный анализ и др.
      Давно известно, что полноценная живая клетка состоит из цитоплазмы и ядра, но многие важные особенности их строения не были известны.
      В последние годы установлено, что цитоплазма клетки имеет очень сложное строение. Она не представляет собой лишь полужидкую массу, состоящую из белков и других веществ, с теми или иными включениями
      Что же нового мы теперь знаем о строении цитоплазмы? Оказалось, что цитоплазма сложно дифференцирована. В ней имеются структуры, обеспечивающие всю сложность процессов, происходящих в клетке. В цитоплазме имеется сложная система мембран (см. рис. 1), образующих сеть канальцев, которые связывают цитоплазму клетки с поверхностью ядра. Эта сеть канальцев получила название эндоплазматической сети. Совершенно очевидно, что она обеспечивает теснейшую связь между ядром и цитоплазмой. Особое значение имеет наличие в цитоплазме митохондрий. Они имеют очень сложное строение и содержат ряд ферментов, имеющих огромное значение в энергетических процессах клетки.
      В цитоплазме, наконец, открыто большое количество мельчайших частиц, расположенных главным образом на мембранах эндоплазматической сети. Было обнаружено, что эти частицы состоят из молекул белка п рибонуклеиновой кислоты. Они получили название рибосом.
      Мы рассказали о различных органоидах в цитоплазме. Наличие их указывает на очень сложную ее организацию. Но конечно, этим не исчерпывается проблема строения цитоплазмы. В ней всегда имеется сложный комплекс различных химических веществ, находящихся в постоянном взаимодействии в процессе обмена веществ, это прежде всего аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты, притом для цитоплазмы характерно наличие различных рибонуклеиновых кислот, сосредоточенных в основном в рибосомах.
      Строение ядра. По старым представлениям, ядро состоит из ядерной оболочки, ядерного сока, одного или нескольких ядрышек и якобы периодически появляющихся в ядре во время деления клетки хромосом. Оказалось, что в эти представления должны быть внесены существенные изменения. Ядерная оболочка на самом деле двойная и пронизана тончайшими порами, при помощи которых содержимое ядра сообщается с эндоплазматической сетью цитоплазмы. Подчеркиваем эту постоянную взаимосвязь ядра и цитоплазмы. Хромосомы не исчезают между делениями в покоящемся ядре. Они находятся там всегда, но в ряде случаев их не удается выявить с помощью светового микроскопа.
      Установлено, что хромосомы имеют сложное строение и состоят из нуклеопротеидов, представляющих собой сочетание белковых молекул с молекулами ДНК. Оказалось, что дезоксирибонуклеиновая кислота обнаруживается всегда в составе хромосом ядра, тогда как рибонуклеиновые кислоты имеются как в ядре, так и в цитоплазме. Установлено, что именно молекулы ДНК через синтез специфической рибонуклеиновой кислоты (РНК), под контролем которой происходит синтез белков, несут в себе наследственную информацию, определяя тем самым наследственные качества организма. Кроме того, в ядре, в частности в ядрышках, содержатся и синтезируются РНК. Таким образом, ядро и цитоплазма взаимно связаны. Между ними происходит сложный процесс обмена различными химическими соединениями. Однако роль цитоплазмы и ядра различна. Ядро регулирует важнейшие реакции, происходящие в цитоплазме. Хромосомы ядра несут в себе наследственную информацию. Характерно, что если от клетки отделить часть цитоплазмы, то при благоприятных условиях цитоплазма регенерирует и восстанавливается ее утраченная часть. Если же убить или удалить из клетки ядро, то клетка погибает. Особенности строения цитоплазмы и ядра указывают на то, что в клетке происходят важнейшие процессы, и прежде всего процессы обмена веществ, в тесном взаимодействии цитоплазмы и ядра.
      Размножение клеток—митоз. Важнейшей особенностью клеток является их способность к размножению. Всякая клетка происходит только из клетки. Так формулировали это положение еще в XIX в. ученые того времени. Оно остается верным, несмотря на неоднократные попытки доказать недоказуемое, что будто клетки могут возникать из «живого вещества, не имеющего клеточного строения» (Леиешинская и др.). Вся нелепость такого взгляда на клетку нам ясна из того немногого, что выше сказано о строении клетки.
      Как же размножаются клетки? Как правило, клетки делятся, иричем делению предшествуют и сопровождают его сложнейшие изменения, происходящие в ядре клетки. Такое деление принято называть митотическим или, короче, митозом. Для клеток в организме характерны два состояния: первое — состояние «покоя» ядра, когда клетка не делится (этот период называют интеркинезом или интерфазой), и второе, когда в ядре происходят сложные изменения (период митотического деления клетки). Период интерфазы в несколько раз длиннее, чем период митотического деления клетки. Этот период отнюдь не является периодом покоя ядра, так как в это время в клетке осуществляются, как теперь установлено, важнейшие жизненные процессы, а именно: хромосомы осуществляют свою наследственную функцию, передают наследственную информацию в цитоплазму и контролируют синтез специфических белков. В период интерфазы происходит процесс ауторепродукции хромосом: синтез ДНК и белков. В результате каждая хромосома удваивается по своей длине, образуя две хроматиды.
      Процесс митотического деления состоит из четырех основных стадий, хорошо изученных еще в 80-х годах прошлого века.
      Стадия профазы (см. рис. 2). Она заключается в том, что хромосомы становятся более заметными в результате их спирализа-ции. В этот период они лучше окрашиваются ядерными красками. Уже в начале профазы заметно, что хромосомы двойные. Затем хромосомы постепенно еще сильнее спирализуются, укорачиваются и становятся толще. В определенных местах каждой из хромосом наблюдается перетяжка, на которой расположено небольшое тельце (также двойное), которое в дальнейшем поведении хромосом имеет очень большое значение. Эти тельца называют центромерами. К ним в дальнейшем прикрепляются нити веретена, направляющие расхождение хромосом при делении клетки. На этом заканчивается стадия профазы. Далее оболочка ядра растворяется, хромосомы устанавливаются в одной плоскости на экваторе клетки. В цитоплазме образуются нити веретена деления, к которым при помощи центромер прикреплйются хромосомы. Началась стадия метафазы. Нити веретена сходятся у полюсов клетки в определенных точках. В животных клетках там располагаются особые тельца — центросомы. В клетках высших растений центросомы не видны.
      В этой стадии хромосомы имеют вид наиболее плотных образований. Это связано с тем, что нуклеопротеиды (молекулы белка и ДНК), составляющие хромосомы, располагаются более плотно. Хромосомы плотно спирализованы.
      В стадии метафазы (см. рис. 3) наиболее отчетливо видны также индивидуальные различия между хромосомами по форме и величине. Форма хромосом зависит от положения центромер: одни хромосомы состоят из двух равных плеч, между которыми лежат центромеры, другие неравноплечие, у третьих центромеры расположены по экватору. Затем начинается расхождение к полюсам хроматнд, из которых состоит хромосома. Так начинается стадия анафазы, которая продолжается до концентрации двух групп хромосом у полюсов. В стадии анафазы центромеры всех хромосом обращены к полюсам и, видимо, расхождение хромосом обусловлено притягиванием их к полюсам нитями веретена, прикрепленными к центромерам.
      Четвертая стадия по существу напоминает, как видно на рисунке 2, стадию профазы, причем изменения идут в обратном порядке, хромосомы, все более утончаясь, образуют клубок. Заканчивается все это стадией покоящегося ядра. К этому времени клетка делится.
      Таким образом, в результате митоза дочерние клетки получают то же число хромосом, которые имела материнская. Нормально это число хромосом сохраняется во всех следующих клеточных поколениях. Напомним, что каждому виду животных или растений свойственно строго определенное число хромосом
      Еще одна особенность хромосом должна быть подчеркнута. На рисунке 5 показаны хромосомы человека. Легко можно заметить, что 46 хромосом человека, расположенные на рисунке в порядке убывания их размера, составляют 23 пары.
      Значит, хромосомы парны. Этот факт имеет очень большое значение, так как парный, двойной, набор хромосом (диплоидный набор) возникает при оплодотворении из двух гаплоидных, т. е. одинарных, наборов хромосом — отцовских и материнских. Посмотрим, как это происходит.
      Процесс созревания половых клеток — овогенез и сперматогенез. Выше было указано, что, как правило, зрелые половые клетки — гаметы — имеют вдвое меньшее, или гаплоидное, число хромосом по сравнению с двойным, диплоидным, числом их в остальных клетках, называемых соматическими. Из приведенной таблицы мы видим, что у человека гаметы имеют 23 хромосомы вместо 46, как в соматических клетках, у мухи дрозофилы— 4 вместо 8 и т. д. Этот факт имеет чрезвычайно большое значение, так как становится совершенно ясным происхождение диплоидного числа хромосом во всех клетках, кроме гамет. В процессе полового размножения (за исключением партеногенеза) организм развивается после оплодотворения, т. е. проникновения сперматозоида в яйцо. Таким образом, в результате оплодотворения яйцо получает двойной набор хромосом, из которых одна половина (по происхождению) — хромосомы материнской клетки, а другая половина — отцовские, принесенные ядром сперматозоида. При первом же делении яйца на два бластомера происходит удвоение каждой хромосомы. Это происходит и при всех после-
      X — клетка мужчины: В — клетка женщины; В, Г — хромосомы этих клеток сгруппированы попарно. В каждой клетке содержится 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом; XY—у мужчины и XX — у женщины.
      дующих делениях. Таким образом, двойное число хромосом сохраняется во всех клетках развивающегося организма, в том числе п в тех первичных половых клетках, из которых затем разовьются зрелые половые клетки, имеющие одинарное (гаплоидное) число хромосом. Происходит это уменьшение в числе хромосом, или редукция, в процессе созревания половых клеток — при овогенезе (так называют процесс созревания яйцеклеток) и при сперматогенезе (процессе созревания сперматозоидов).
      Понимание процессов овогенеза и сперматогенеза имеет очень большое значение для генетики, н потому мы остановимся на нем несколько подробнее.