Валерия Черепенчук - Генетика за 1 час
После этого наступил подлинный ренессанс менделевской теории. Работы ученого-августинца переиздаются, переводятся на разные языки. Почему же это не произошло раньше? Многие исследователи считают, что Мендель слишком опередил свое время, что открытия, сделанные им, просто оказались не по зубам биологам той эпохи. Может быть, и так. Но ему постарались отдать должное ученые XX в.: памятники отцу генетики установлены не только в августинском монастыре города Брно, но и по всему миру, например, в российских Колтушах. А в 1970 г. его именем назвали лунный кратер.
«Генетика – это наука, а не шаманство»
(Н. Вавилов)2.3. Мутационная теория. Параллельные разработки в России и Нидерландах
Наступил момент вернуться к теме уже упоминавшихся мутаций, тем более что значительные открытия в этой области были сделаны именно в рассматриваемое нами время.
Так же, как и в случае с повторным открытием законов Менделя, мутационная теория разрабатывалась параллельно в разных странах: в России, где о мутациях писал Сергей Иванович Коржинский (1861–1900 гг.), и в Нидерландах, где этим вопросом заинтересовался уже известный нам Хуго де Фриз.
Коржинский работал в Казанском и Томском университетах, с 1893 г. стал директором Ботанического музея Академии наук в Санкт-Петербурге. Много времени он проводил в поездках по России, изучая растительный мир разных регионов. Ученый неоднократно обращал внимание, что среди растений разных видов иногда появляются экземпляры, резко отличающиеся от своих сородичей – размерами, формой листьев или плодов. Причем это явно не было связано ни со скрещиванием, ни с внешними условиями. Он назвал такие изменения «гетерогенными вариациями» и попытался увязать их наличие с дарвиновской теорией.
С точки зрения Коржинского, эволюцию двигают вперед не постепенные изменения, направленные на приспособление растения или организма к условиям внешней среды, а скачкообразные «вариации». Так, считал он, и возникают новые виды – не путем постепенного превращения, как утверждал Дарвин, а при помощи резкого выделения «из себя» новых форм. Такой способ Сергей Иванович назвал гетерогенезисом (от греч. heteros – другой; genes – происхождение, возникновение). Понятие «мутация» он еще не использовал. В 1899 г. исследователь изложил свою теорию в работе «Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов». Он не пришел к однозначному выводу относительно того, чем вызываются эти скачкообразные изменения, предположил только, что дело в каком-то воздействии на «яйцевую клетку». Ученый намеревался продолжить исследования, и, возможно, ему удалось бы значительно прояснить явление гетерогенезиса. Но сделать это ему помешала безвременная смерть – Коржинский умер в 1900 г., не дожив до 40 лет. Надо сказать, что в среде коллег его труд вызвал весьма неоднозначную реакцию. Многие прямо писали о том, что Сергей Иванович пытается представить «уродов» творцами эволюции и что далеко не всегда экземпляры, по неизвестной причине получившие какие-то новые признаки, оказываются идеально приспособленными к условиям окружающей среды!
Дискуссия продолжилась, когда свои разработки в вопросе внезапных изменений в 1901–1903 гг. представил Хуго де Фриз.
В числе его «подопытных» были экземпляры энотеры Ламарка (Oenothera lamarckiana), или проще – ослинника. Де Фриз заметил, что среди обычных растений иногда попадались довольно странные – чрезвычайно ветвистые, слишком большие или, наоборот, слишком маленькие, с чрезмерно большим количеством листьев или цветков. Вряд ли дело было в необходимости приспособиться, ведь подобные экземпляры произрастали рядом с обычными. Биолог предположил, что если бы изменение внешнего вида было результатом дарвиновской эволюции, то, во-первых, оно происходило бы постепенно и не столь явно, а во-вторых, затрагивало бы большее количество особей. Значит, причина в чем-то другом. Но самое интересное, что такие видоизмененные экземпляры, как выяснилось, могли передавать свои особенности потомкам! Именно Хуго де Фриз предложил термин «мутация» (от лат. mutatio – изменение). И по сей день мы называем так резкое изменение во внешнем виде организма или в его внутреннем строении, которое может наследоваться потомками «мутанта».
Как исследователи начала XX в. сформулировали «мутационную теорию»? Основные положения были следующими.
• Мутации происходят внезапно.
• Они проявляются весьма разнообразно; мутации могут быть как полезными, так и вредными.
• Появившиеся новые формы достаточно устойчивы.
• Мутации не представляют собой каких-то средних переходных форм, в отличие от наследственных эволюционных изменений. Они проявляются резко и радикально.
Во времена де Фриза механизм возникновения таких изменений не был подробно рассмотрен и изучен. Почему мутация возникает? Почему и, главное, как она передается? Можно ли вызвать мутацию искусственно? В самом начале XX в. на эти вопросы не было ответов… Как вы помните, к тому времени были лишь предположения относительно того, что наследственность (а значит, и мутации, скорее всего, тоже) связана с хроматином и хромосомами в клеточном ядре. Но предполагать мало, надо еще обосновать и доказать!
2.4. Где находятся гены? Хромосомная теория наследственности
Параллельно с исследованиями Хуго де Фриза велись новые разработки в области исследования клеточного ядра и хромосом. Прежде чем рассказывать о том, как была окончательно сформулирована хромосомная теория наследственности, давайте посмотрим, что вообще на тот момент было известно о делении клетки и участии ее частей в этом процессе.
Весь путь развития организма – от оплодотворения до конца жизни – принято называть онтогенезом (от греч. őντος, ontos – сущий и γένεσις, genesis – зарождение). Термин был предложен Эрнстом Геккелем (1834–1919 гг.) еще в 1867 г. Как мы уже говорили, согласно клеточной теории, рост и развитие организмов – животных и растительных – основан на процессе деления клеток. Во второй половине XIX в. изучением этого удивительного явления занимался упоминавшийся нами Вальтер Флемминг. Именно он предложил термин «митоз» для обозначения клеточного деления, в процессе которого одна клетка делится на две с параллельным распределением хромосом поровну между дочерними клетками. Давайте посмотрим, какие основные стадии (фазы) митоза принято выделять.
• Профаза. В ходе этого подготовительного этапа образуется так называемое веретено деления клетки, условно говоря, клетка планирует, как она будет разделяться. Начинается процесс, который ученые называют конденсацией хромосом: они становятся видны под микроскопом. Как еще говорят, хромосомы уплотняются. Так происходит, потому что идут изменения на уровне ДНК (впрочем, во времена Флеминга об участии ДНК в процессе митоза, а тем более в формировании наследственности, еще никто не знал). Мы тоже обратимся к теме ДНК чуть позднее! Иногда говорят еще о препрофазе, но этот процесс «подготовки к подготовке» выделяют не всегда. Дело в том, что у клеток разных организмов и разных растений могут наблюдаться незначительные расхождения в протекании фаз митоза, но для нас они особого значения не имеют.
• Метафаза. Веретено деления полностью сформировалось, «внутренности» клетки начинают разделяться, как будто их притягивает к противоположным полюсам. Самое интересное, что хромосомы тоже подготавливаются к расщеплению. Если на ранней стадии митоза они под микроскопом напоминали пучки травинок или клочки тополиного пуха, то теперь они приобрели более четкую форму и стали похожи на буквы «X». «Пояски» в центре этих условных букв именуются центромерами.
• Анафаза. Хромосомы-буковки разделяются на уровне центромер и направляются к противоположным полюсам материнской клетки. Таким образом, в ней образуется два идентичных набора хромосом.
• Телофаза. Хромосомы становятся почти незаметны, или, как говорят биологи, деконденсируются. Вокруг каждого комплекта хромосом формируется новое клеточное ядро. Материнская клетка окончательно делится (этот процесс именуют еще цитокинезом), и на месте одной клетки образуется две. Каждая из двух дочерних клеток получает полный набор элементов, характерных для первоначальной клетки. Все!
В среднем все стадии митоза проходят за один-два часа. Конечно, мы описали этот сложнейший процесс в упрощенном виде, но для понимания происходящего пока достаточно. Митоз не следует путать с мейозом, который происходит в половых клетках и в процессе которого число хромосом уменьшается в два раза (ведь иначе при оплодотворении число хромосом увеличивалось бы вдвое, а с хромосомами шутки плохи!) Существует также понятие «амитоз» – в ходе этого процесса веретено деления клетки не образуется, она разделяется случайным образом и такое деление характерно в основном для патологических процессов, например, возникновения опухолей.
