Материал: Биология размножения и развития

Идеи Вейсмана о зародышевой плазме, неравнонаследственном распределении детерминантов в основе оказались неверными, но в тот период имели огромное влияние на последующие поколения исследователей в этой области и надолго определили направление экспериментальных исследований. Нельзя не упомянуть и о том, что Вейсман задолго предсказал одно из крупнейших открытий в биологии - редукцию хромосом в половых клетках.

Итак, в течение последних десятилетий XIX в. была установлена важная роль ядра в наследственности, что в дальнейшем предопределило одну из центральных проблем биологии - проблему роли ядра и цитоплазмы в развитии. Хотя вывод о том, что наследственные потенции сосредоточены в ядре (хроматине), был верным, эта проблема только начинала разрешаться. Но уже тогда высказывались идеи о том, что цитоплазма также играет определенную роль в наследственности. Ряд исследователей (например, Г. де Фриз) пришли к выводу о том, что наследственное вещество - идиоплазма - частично может выходить в цитоплазму и реализовать свои потенции здесь (а не в ядре). Роль цитоплазмы в наследственности раскрылась значительно позднее, а сама проблема о роли ядра и цитоплазмы постепенно преобразовалась в проблему их взаимодействия. Это произошло в 30-е годы, когда вновь повысился интерес к проблемам биологии клетки как к важному аспекту индивидуального развития.

В начале XX столетия резко возрос интерес к проблемам наследственности. В 1900 г. Г. де Фриз, К.Корренс и К.Чермак заново открыли законы наследования дискретных признаков, описанные еще в 1865 г. Г.Менделем и оставшиеся неизвестными. Начались исследования в области мутагенеза. В 1906 г. У.Бетсон вводит понятие генетика, а в 1909 г. В.Иогансен - понятие ген, которое сразу же вытеснило не очень удачные названия единиц наследственности - фактор, детерминант. К этому времени уже не вызывало сомнений, что местом локализации генов являются хромосомы, которые имеют сложное строение, обусловленное характером расположения генов и их распределением в процессе деления. Формировалась цитогенетика, занимающаяся изучением цитологических основ генетики, главным образом морфологии, структуры, функций и изменений хромосом.

Значительный вклад в выяснение роли хромосом в наследственности был внесен трудами эмбриолога Т.Бовери. Еще в 1888 г. он сформулировал теорию индивидуальности и непрерывности хромосом, установив закон постоянства числа хромосом у видов и правило, согласно которому зигота и все соматические клетки содержат наборы материнских и отцовских хромосом. Он же показал, что хромосомы не исчезают, а сохраняют свою индивидуальность в фазе покоя клетки.

Мысль о тонкой связи между структурными компонентами хромосомы и наследственностью была отчетливо выражена в книге Э.Вильсона «Клетка в развитии и наследственности» (1896). Автор рассматривал хромосому как нить, построенную из последовательно расположенных, качественно различных элементов, определяющих наследственность. Эти элементы обладают индивидуальностью и генетической непрерывностью. В процессе митоза хромосомная нить продольно расщепляется, и ее материал поровну распределяется между дочерними клетками.

Окончательно роль хромосом как носителей генов утвердилась в хромосомной теории наследственности, создание и дальнейшее развитие которой связано с именем Т.Моргана и его учеников (К.Бриджес, Г.Меллер, А.Стёртевант). Созданию этой теории и прогрессу цитогенетики и генетики во многом способствовало широкое использование в качестве объекта дрозофил - быстро размножающихся насекомых, личинки которых содержат «гигантские» (политенные) хромосомы. Возможность визуального изучения участков хромосомы (хромомер), размеры которых соизмеримы с размерами генов, особенности биологии (короткий жизненный цикл, возможность массового разведения в лабораторных условиях) этих животных позволили интенсифицировать генетические и цитогенетические исследования. Были сформулированы и обоснованы фундаментальные принципы - линейность расположения генов в хромосомах, сцепление, кроссинговер, аллельность, начата работа по составлению генетических карт хромосом.

Вместе с тем именно в этот период бурного развития генетика сильно отдалилась от проблем индивидуального развития, а проблема реализации генов в признаках была сведена к схематизированным отношениям «ген» - «фен» (признак), генотип (совокупность генов) - фенотип (совокупность признаков особи). Онтогенетический аспект взаимоотношений между генотипом и фенотипом разрабатывался очень слабо, в рамках формализованного направления, получившего название феногенетики (термин введен в 1918 г. В.Геккером). Феногенетика в принципе была важным направлением, установившим взаимосвязи между индивидуальным развитием и генетикой. Однако и эти связи касались главным образом морфологического описания признаков. Проблемы развития еще не могли в полной мере найти свое выражение в генетике, которая была на пути становления.

Прежние взгляды о жесткой детерминированности проявления гена в признаке все меньше оправдывались. Многие факты показывали, что отношения «ген - признак» сложнее и что проявление признака - процесс, проходящий через множество стадий и зависящий от условий. Поэтому признак может проявиться в разной степени. Эти новые представления одним из первых отчетливо выразил Б.Л.Астауров. Еще в 1927 г. он писал: «Реальное положение вещей находится в непримиримом противоречии с представлениями о жесткой запрограммированности процесса развития исходными условиями живой системы и окружающей среды». Как отражение этих новых представлений появились понятия (введенные в 1925 г. Н.В.Тимофеевым-Ресовским) «пенетрантность» (процент особей в потомстве, несущих признак), «экспрессивность» (степень выраженности признака). Подверглось сомнению представление и об автономности генов: развитие признаков стало рассматриваться как результат их взаимодействия. В 1930 г. Бриджес сформулировал теорию генного баланса, согласно которой в развитии признака важно соотношение, баланс генов. По Бриджесу, отдельный признак возникает в результате совместного действия всех генов. В этих переменах отражался огромный прогресс генетики, ее сближение с проблемами развития.

Начало работ в области биохимической генетики

К этому времени значительного успеха достигли биологические науки, занимавшиеся изучением физико-химических и физиолого-биохимических основ жизни. В исследованиях этого плана наибольшее внимание привлекали белки, с функциями которых связывались важнейшие, в том числе и наследственные свойства клетки.

В 1913 г. Э.Фишер доказал, что белки - это цепочки из аминокислот, соединенные обнаруженной им пептидной связью. К 1936 г. были открыты все аминокислоты, из которых построены белки. В 30-х годах началось изучение пространственной структуры белков рентгеноструктурными методами. Огромных успехов достигла энзимология - наука о биокатализаторах. Уже давно было известно, что они представляют собой белки. Поскольку белки выполняют важнейшие функции в клетке, присутствуют и в цитоплазме, и в ядре, казалось очевидным, что гены тоже должны иметь белковую природу. Это представление, очень скоро превратившееся в догму о белковой природе гена, впоследствии сильно затормозило прогресс в генетике.

Большую роль в формировании истинных представлений о природе гена, механизме его действия сыграли работы в области биохимической генетики. Первой экспериментальной работой, которая положила начало биохимической генетике, были исследования А.Гаррода (1899-1910). Он обнаружил, что у больных алкаптонурией в крови и моче появляется красный пигмент - окисленная форма гомогентизиновой кислоты (промежуточный продукт окисления фенилаланина). Он предположил, что из-за генетического дефекта у этих больных отсутствует фермент, необходимый для дальнейшего химического превращения гомогентизиновой кислоты. Тем самым обнаружилась связь между конкретной энзиматической реакцией и наследственным дефектом. В дальнейшем эти исследования пополнялись новыми фактами о связи между деятельностью генов и ферментов.

Однако биохимическая генетика как наука оформилась лишь с работы Дж.Бидла и Е.Татума, которые в 1940 г. выдвинули тезис «один ген - один фермент». Из него следовало, что каждый ген ответствен за появление в клетке одного определенного фермента и что действие генов опосредовано ферментами. В этой связи следует упомянуть и работы Р.Гольдшмидта. Создавая физиологическое направление в генетике, он способствовал тому, что действие гена стали понимать как физиолого-биохимический процесс. Важнейшей заслугой Р.Гольдшмидта является то, что он рассматривал функцию гена как определенную энзиматическую реакцию: гены ускоряют или ослабляют скорость этих реакций и тем самым определяют свойства организмов. Одним из первых Гольдшмидт обратил внимание на важность количественной стороны деятельности генов, установив зависимость скорости реакции от «дозы» гена (по современной терминологии). Значение работ Р.Гольдшмидта для генетики очень велико. И хотя в 30-40-е годы еще нельзя было сказать, каким образом ген определяет скорость энзиматических реакций, является ли он сам энзимом или воздействует на него, работы в этом направлении прямо указывали на необходимость выяснения физико-химической природы гена. Прогресс в этой области тормозился отсутствием ясных, научно обоснованных знаний о молекулярных механизмах, лежащих в основе деятельности гена как единицы генетической функции, рекомбинации и мутации.

Физико-химическая природа гена была установлена в 1953 г., когда генетик Г.Уотсон и физик-теоретик Ф.Крик предложили свою модель молекулярного строения ДНК. К этому времени исследователи были готовы уже отказаться от догмы о белковой природе гена, и было накоплено немало веских доказательств тому, что не белки, а нуклеиновые кислоты служат материалом, из которого построены гены.

Нуклеиновые кислоты были открыты в 70-х годах XIX в., но на протяжении последующих десятилетий их изучали без какой-либо связи с проблемами генетики. Первооткрыватель нуклеиновых кислот Ф.Мишер был учеником и племянником В.Гиса, который и рекомендовал ему изучать химию ядра и цитоплазмы. В 1869 г. Мишер выделил вещество ядра - нуклеин, а в 1889 г. Р.Альтман показал, что основу нуклеина составляет богатая фосфором органическая кислота, которую он назвал нуклеиновой. Таким образом, у истоков исследований нуклеиновых кислот оказался один из основоположников современной эмбриологии В.Гис. Есть свидетельства тому, что это было не случайно, так как интерес к физико-химическим аспектам биологии был характерен для методологии В.Гиса в целом.

Уже в работах Р.Альтмана, а в последующем А.Косселя было показано, что нуклеиновые кислоты находятся в комплексе с белками («альбумином»). Исследование нуклеиновых кислот не привлекало особого внимания вплоть до конца 40-х годов. К этому времени было выяснено, что существуют два типа нуклеиновых кислот, отличающихся по строению: ДНК и РНК. Первая сосредоточена в ядре, вторая - преимущественно в цитоплазме. Впервые о важной роли нуклеиновых кислот исследователи узнали из работ Т.Касперсона и Ж.Браше. Касперсон создал спектрофотометры, с помощью которых измерял содержание ДНК в клетке и в хромосомах. Эта техника, метод количественной окраски ДНК, предложенный Р.Фельгеном еще в 1924 г., а позднее биохимические методы определения количества ДНК в ядрах позволили установить одну из важных закономерностей - правило постоянства видового содержания ДНК и его кратного изменения в соматических клетках. В работах Браше было выявлено, что количество РНК в клетке коррелирует с уровнем синтеза белка, что указывало на направление поисков в выяснении функции РНК.

Впервые генетическая функция нуклеиновых кислот была продемонстрирована в 1944 г. в работе О.Эвери, С. Мак Леода и М. Мак Карти. Еще в 1928 г. Ф.Гриффите установил, что генетические признаки убитых пневмококков могут быть переданы живым пневмококкам. Это явление получило название трансформации. Позже из пневмококков было выделено вещество, ответственное за трансформацию. О.Т.Эвери и его сотрудники показали, что трансформирующий фактор представляет собой ДНК. Однако поскольку в любых препаратах ДНК содержатся белковые примеси, а догма о белковой природе вещества наследственности была еще сильна, эти результаты не были восприняты как указание на то, что ДНК - химическая субстанция генов. Для такого вывода потребовалось еще 10 лет, в ходе которых нуклеиновые кислоты, прежде всего ДНК, были подвергнуты тщательным химическим и физическим (рентгеноструктурным) исследованиям.

Проблема взаимоотношений ядра и цитоплазмы, сформулированная в общих чертах в трудах цитологов и эмбриологов прошлого столетия, в начале XX в. была сведена к проблеме хромосомной локализации генов и к цитогенетическим аспектам. В 30-е годы начинается новый этап исследований роли ядра и цитоплазмы в механизмах наследственности и развития. В формулировании этой проблемы и ее разработке наиболее важную роль сыграли советские биологи Н.К.Кольцов, Б.Л.Астауров и другие представители этой школы.