Закони спадковості відкрили. Відкриття Г. Менделем законів наслідування. Умови виконання закону незалежного наслідування

Вперше ідея про диференціюючих поділах ядра клітин зародка, що розвивається, була висловлена ​​В. Ру. в 1883 р. Висновки Ру послужили відправною точкою до створення теорії зародкової плазми, що отримала остаточне оформлення в 1892 р. Вейсман чітко вказав на носіїв спадкових чинників - хромосоми.

З початку Ру 1883 р., а потім і Вейсман висловили припущення про лінійне розташування в хромосомах спадкових факторів (хромативних зерен, по Ру, і ід по Вейсману) та їх поздовжньому розщепленні під час мітозу, чим багато в чому передбачили майбутню хромосому.

Розвиваючи ідею про нерівно спадковий поділ, Вейсман логічно дійшов висновку про існування в організмі двох чітко розмежованих клітинних ліній - зародкових та соматичних. Перші, забезпечуючи безперервність передачі спадкової інформації, "потенційно безсмертні" та здатні дати початок новому організму. Другі такі властивості не мають. Таке виділення двох категорій клітин мало велике позитивне значення для подальшого розвитку генетики.

В. Вальдейєр у 1888 р. запропонував термін хромосома. Роботи ботаніків і тваринників підготували ґрунт швидкого визнання законів Г. Менделя після їх перекриття в 1900 р.

Відкриття Г. Менделем законів наслідування.

Честь відкриття кількісних закономірностей, що супроводжують формування гібридів, належить чеському ботаніку-аматору Йоганну Грегору Менделю. У своїх роботах, що виконувались у період з 1856 по 1863 р., він розкрив основи законів спадковості.

Перша його увага була звернена на вибір об'єкта. Для своїх досліджень Мендель обрав горох. Підставою для такого вибору послужило, по-перше, те, що горох - суворий самозапилювач, і це різко знижувало можливість занесення небажаного пилку; по-друге, на той час було достатньо сортів гороху, що відрізнялися за декількома успадкованими ознаками.

Мендель отримав від різних ферм 34 сорти гороху. Після двох річної перевірки, зберігають вони свої ознаки незмінними при розмноженні без схрещування, він відібрав для експериментів 22 сорти.

Мендель почав з дослідів з схрещування сортів гороху, що відрізняються за однією ознакою (моногібридне схрещування). У всіх дослідах із 7 парами сортів було підтверджено явище домінування у першому поколінні гібридів, виявлене Сажере та Ноденом. Мендель увів поняття домінантної та рецесивної ознак, визначивши домінантними ознаками, які переходять у гібридні рослини абсолютно незмінними або майже незмінними, рецесивнимиті, що стають при гібридизації прихованими. Потім Мендель вперше зумів дати кількісну оцінку частотам появи рецесивних форм серед загального числа нащадків під час схрещування.

Для подальшого аналізу природи спадковості Мендель вивчив ще кілька поколінь гібридів, що схрещуються між собою. В результаті отримали міцне наукове обґрунтування такі узагальнення фундаментальної ваги:

1. Явище нерівнозначності спадкових ознак.

2. Явище розщеплення ознак гібридних організмів внаслідок їх подальших схрещувань. Було встановлено кількісні закономірності розщеплення.

3. Виявлення не тільки кількісних закономірностей розщеплення за зовнішніми, морфологічними ознаками, а й визначення співвідношення домінантних і рецесивних задатків серед форм, на вигляд не відмінних від домінантних, але змішаними за своєю природою.

Таким чином, Мендель впритул підійшов до проблеми співвідношення між спадковими. задаткамита визначеними ними ознаками організму. За рахунок перекомбінації задатків(згодом ці задатки В. Йоганнсен назвав генами.), при схрещуванні утворюються зиготи, що несуть нове поєднання задатків, чим і зумовлюються різницю між індивідуумами. Це становище лягло в основу фундаментального закону Менделя. закону чистоти гамет.

Експериментальні дослідження та теоретичний аналіз результатів схрещувань, виконані Менделем, визначили розвиток науки більш як на чверть століття.

Розвиток біометричних методів вивчення спадковості.

Індивідуальні відмінності навіть між близькими організмами зовсім не обов'язково пов'язані з різницею в генетичній структурі цих особин; вони можуть бути пов'язані з різними умовами життя. Тому робити висновки про генетичні відмінності можна лише на підставі аналізу великої кількості особин. Першим, хто привернув увагу до математичних закономірностей в індивідуальній мінливості, був бельгійський математик та антрополог А. Кетле. Він став одним із засновників статистики та теорії ймовірностей.

У той час важливе питання було про можливість передачі у спадок ухилень від середньої кількісної характеристики ознаки, що спостерігаються в окремих індивідуумів. З'ясуванням цього питання зайнялися кілька дослідників. За своєю значимістю виділилися роботи Гальтона, який зібрав дані про успадкування зростання в людини. Потім Гальтон вивчив успадкування величини віночка квітки у запашного горошку і дійшов висновку, що потомству передається лише невелика частина ухилень, які у батьків. Гальтон спробував надати своєму спостереженню математичний вираз, започаткувавши велику серію робіт з математико-статистичних основ спадкування.

Послідовник Гальтона К. Пірсон продовжив цю роботу у ширших масштабах. Найсерйозніше і що стало класичним дослідження питань, що порушувалися Гальтоном і Пірсоном та його послідовників, було виконано 1903 -1909 гг. В. Йоганнсена, який звернув головну увагу на вивчення генетично однорідного матеріалу. Виходячи з отриманих аналізів, Йоганнсен дав точне визначення генотипу та фенотипу і заклав основи сучасного розуміння ролі індивідуальної мінливості.

Цитологічні основи генетики

У 70 – 80-х роках XIX ст. були описані мітоз та поведінка хромосом під час поділу клітини, що навело на думку, що ці структури відповідальні за передачу спадкових потенцій від материнської клітини дочірнім. Розподіл матеріалу хромосом на дві рівні частки свідчив на користь гіпотези, що саме у хромосомах зосереджено генетичну пам'ять.Вивчення хромосом у тварин і рослин привело до висновку, що кожен вид тварин істот характеризується певним числом хромосом.

Відкритий Е. ван Бенедоном (1883) факт, що число хромосом у клітинах тіла вдвічі більше, ніж у статевих клітинах, можна пояснити: оскільки при заплідненні ядра статевих клітин зливаються і оскільки число хромосом у соматичних клітинах залишається константним, то постійне подвоєння числа хромосом при Послідовне запліднення має протистояти процесу, що призводить до скорочення їх числа в гаметах рівно вдвічі.

У 1900 р. незалежно один від одного К. Корренс у Німеччині, Г. де Фріз у Голландії та Е. Чермак в Австрії виявили у своїх дослідах відкриті раніше закономірності і, натрапивши на його роботу, знову опублікували її в 1901 р. глибокий інтерес до кількісних закономірностей спадковості. Цитологи виявили матеріальні структури, роль та поведінка яких могли бути однозначно пов'язані з менделівськими закономірностями. Такий зв'язок побачив у 1903 р. В. Сеттон – молодий співробітник відомого американського цитолога Е. Вільсона. Гіпотетичні уявлення про спадкові фактори, наявність одинарного набору факторів у гаметах, і подвійного - в зиготах отримали обґрунтування в дослідженнях хромосом. Т. Бовері (1902) представив докази на користь участі хромосом у процесі спадкової передачі, показавши, що нормальний розвиток морського їжака можливий лише за наявності всіх хромосом.

Вторинне відкриття законів Менделя, розвиток концепції гена як елементарної одиниці спадкової речовини, що передається від батьків до нащадка, здатну мутувати, рекомбінуватися з іншими такими ж одиницями та визначати конкретні ознаки організму становлять сутність класичного етапу розвитку генетики. Механізм спадковості та її менделівських закономірностей виявився подібним у всіх організмів - від найвищих до найпростіших. У всіх них було встановлено наявність генів, що передаються потомству та рекомбінуються в ньому, їх локалізація та лінійне розташування в хромосомах, складено генетичні карти різних організмів на основі статистичних досліджень явищ рекомбінації та кросинговеру (обміну гомологічними ділянками хромосом).

За чверть століття після закінчення першого етапу розвитку генетики уявлення про природу та структуру гена значно поглибилися: у дослідженнях на мікроорганізмах було остаточно доведено складну структуру гена, розширено базу об'єктів генетичного аналізу. Якщо об'єктами дослідження для Менделя та перших менделістів були рослини та хребетні тварини (гризуни, птиці), що забезпечують отримання потомства при схрещуваннях порядку десятків та сотень особин (цього було цілком достатньо для встановлення основних менделівських законів), то об'єктами досліджень Моргана стали дрозофіли, що забезпечили отримання потомства близько кількох десятків тисяч особин (що дозволяло аналізувати явища зчеплення та обміну факторів, локалізованих у гомологічних хромосомах).

Таким чином, суть теоретичної концепції гена, за Морганом, полягає в наступному: ген - матеріальна одиниця спадковості, відповідальна за біохімічну активність та фенотипову відмінність організмів; гени розташовуються у хромосомах у лінійному порядку; кожен ген утворюється шляхом подвоєння материнського гена. Істотною рисою такого поняття гена було перебільшене уявлення про його стійкість. Фактично тривалий час ген трактувався як остання, далі нерозкладна спадкова корпускула, виключена з метаболізму клітини та організму в цілому, що залишається практично незмінною в умовах впливу на неї зовнішніх факторів. Відповідно генотип особини часто представлявся як мозаїки генів, а організм загалом - як механічна сума ознак, що визначаються дискретними спадковими чинниками. У методологічному плані слабкістю такого уявлення про ген, про взаємодію між генотипом та фенотипом особини була механістична спрощеність, ігнорування діалектичних зв'язків внутрішнього та зовнішнього, цілісності біологічних систем та процесів. Вважалося, що причини мутацій – суто внутрішні, що мінливість має автогенетичну природу і що зовнішнє відокремлено від внутрішнього.

Інтенсивний відбір нових експериментальних даних відкрив нові можливості хромосомної теорії спадковості. Стали ставитися під сумнів уявлення про генотип як просту суму ізольованих генів. Вивчення взаємодії генів призвело до того, що окремі ознаки стали пов'язуватися з дією багатьох генів і водночас вплив одного гена став поширюватися на багато ознак. Це, у свою чергу, призвело до перегляду уявлення про гени як жорстко відокремлені одиниці спадковості, до розуміння їх взаємозв'язку та взаємодії. Поступово суто морфологічні підходи до трактування поняття гена стали дедалі більше доповнюватися фізіологічними і біохімічними трактуваннями, що значною мірою розхитувало класичну концепцію гена, вело до встановлення зв'язку гена з обмінними процесами клітини та організму загалом, до розуміння змінності і, отже, лише відносної стійкості. гена. Цей процес отримав потужне прискорення, коли було здійснено дослідження з мутагенной дії рентгенівських променів та деяких хімічних речовин.

Багато з цих нових характеристик гена отримали своє теоретичне узагальнення у роботах самого Моргана. Вони еволюцію поняття гена можна простежити досить чітко. Найповніше концепція гена Морганом викладено у його нобелівської лекції (у її початковому тексті), прочитаної у червні 1934 р. У ньому він ставить питання: яка природа елементів спадковості, які Мендель постулював як суто теоретичні одиниці; що є генами; Чи маємо право після того, як локалізували гени в хромосомах, розглядати їх як матеріальні одиниці, як хімічні тіла вищого порядку, ніж молекули? Відповідь на ці питання була така: «Серед генетиків немає згоди в точці зору на природу генів, - чи є вони реальними або абстракцією, тому що на рівні, на якому знаходяться сучасні генетичні досліди, не уявляє жодної різниці, чи є ген гіпотетичною чи матеріальною часткою. В обох випадках ця одиниця асоційована зі специфічною хромосомою і може бути локалізована там шляхом суто генетичного аналізу. Тому, якщо ген є матеріальну одиницю, він повинен бути віднесений до певного місця в хромосомі, причому до того ж самому, що і при першій гіпотезі. Тому в практичній генетичній роботі байдуже, якої точки зору дотримуватися». Однак пізніше Морган відповість на це питання більш точно: «Після даних, отриманих в даний час, не може бути сумніву, що генетика оперує з геном, як з матеріальною частиною хромосоми».

Теорія гена Моргана спиралася на експериментальні дані, які в основному відносяться до клітинного рівня. Ця теорія була видатним досягненням класичного періоду у розвитку генетики. І хоча сучасні уявлення про ген від морганівського відрізняються досить сильно, в головних своїх рисах ця концепція гена зберігає своє значення. Це відноситься, зокрема, до морганівського уявлення про гени як одиниці спадковості («матеріалізація» гена), до його розуміння необхідності подолання суто морфологічних підходів у дослідженні матеріальних основ спадковості, поглиблення фізіологічного аналізу до молекулярного рівня, на якому стає можливе розшифруванняфізико-хімічних процесів, що забезпечують дію генів. генетичний спадковість Мендель ген

Слід зазначити те що, що у кінці 20-х А.С. Серебровським та її школою було встановлено, що з генів дрозофіли складається з серії лінійно розташованих одиниць, різницю між якими виражалося, наприклад, у присутності чи відсутності деяких щетинок на тілі мухи. Це суперечило морганівському уявленню про ген як елементарну, неподільну далі одиниці спадковості. Але оскільки в цей час морганівська концепція займала панівне становище, то нова думка змогла зміцнитися лише тоді, коли розвинулася генетика мікроорганізмів, коли з'явилася можливість досліджувати тонку структуру гена у фізико-хімічних та молекулярних аспектах. Проблеми розвитку генетичної теорії обумовлювалися й тим, що у методологічному відношенні дарвінізм був більш просунутий, ніж генетика цього періоду свого розвитку (його філософська основа може бути кваліфікована як природно-історичний матеріалізм з елементами діалектики). Тому кожному етапі свого розвитку генетика перевірялася дарвінізмом.

Людей завжди цікавили закономірності успадкування ознак. Чому діти схожі на своїх батьків? Чи є ризик передачі спадкових захворювань? Ці та інші питання залишалися під завісою таємниці до XIX століття. Саме тоді Менделю вдалося акумулювати всі накопичені знання з цієї теми, і навіть шляхом складних аналітичних дослідів встановити конкретні закономірності.

Внесок Менделя у розвиток генетики

Основні закономірності успадкування ознак – це принципи, відповідно до яких певні характеристики передаються від батьківських організмів до потомства. Їх відкриття та чітке формулювання є заслугою Грегора Менделя, який проводив з цього питання численні досліди.

Головне досягнення вченого – це доказ дискретного характеру спадкових факторів. Іншими словами, за кожну ознаку відповідає конкретний ген. Перші карти були побудовані для кукурудзи та дрозофіли. Остання є класичним об'єктом щодо генетичних дослідів.

Заслуги Менделя важко переоцінити, що говорять і вітчизняні вчені. Так, знаменитий генетик Тимофєєв-Ресовський зазначив, що Мендель був першим, хто провів фундаментальні досліди та дав точну характеристику явищам, які раніше існували на рівні гіпотез. Таким чином, його можна вважати піонером математичного мислення в галузі біології та генетики.

Попередники

Варто зазначити, що закономірності успадкування ознак Менделю були сформульовані не на порожньому місці. Його дослідження ґрунтувалися на дослідженнях попередників. Варто особливо відзначити наступних учених:

• Дж. Госс проводив експерименти на гороху, схрещуючи рослини із плодами різного кольору. Саме завдяки цим дослідженням відкрили закони однаковості першого покоління гібридів, а також неповного домінування. Мендель лише конкретизував та підтвердив цю гіпотезу.
• Огюстен Сарже - це рослинник, який вибрав для своїх досвідів гарбузові культури. Він першим став вивчати спадкові ознаки над сукупністю, а окремо. Йому належить твердження, що з передачі тих чи інших характеристик де вони змішуються між собою. Таким чином, спадковість є константною.
• Ноден проводив дослідження на різних видахтакої рослини, як дурман. Проаналізувавши отримані результати, він вважав за потрібне говорити про наявність домінуючих ознак, які у більшості випадків переважатимуть.

Таким чином, вже до XIX століття були відомі такі явища як домінантність, однаковість першого покоління, а також комбінаторика ознак у наступних гібридів. Проте загальних закономірностей вироблено був. Саме аналіз наявної інформації та вироблення достовірної методики дослідження є головною заслугою Менделя.

Методика роботи Менделя

Закономірності успадкування ознак Менделя були сформульовані в результаті фундаментальних досліджень. Діяльність вченого здійснювалася так:

• розглядалися над сукупності, а окремо;
• для аналізу вибиралися лише альтернативні ознаки, які становлять суттєву різницю між різновидами (саме це дозволило найчіткіше пояснити закономірності процесу спадкування);
• дослідження були фундаментальними (Мендель досліджував велика кількістьсортів гороху, які були як чистими, так і гібридними, а потім схрещував "нащадок"), що дозволило говорити про об'єктивність результатів;
• використання точних кількісних методів під час аналізу отриманих даних (використовуючи знання у сфері теорії ймовірностей, Мендель знизив показник випадкових відхилень).

Закон однаковості гібридів

Розглядаючи закономірності успадкування ознак, варто приділити особливу увагу однакові гібридів першого покоління. Він був відкритий шляхом досвіду, в ході якого проводилося схрещування батьківських форм з однією контрастною ознакою (форма, фарбування тощо).

Менделем було прийнято рішення провести експеримент на двох різновидах гороху – з червоними та білими квітками. Як результат, гібриди першого покоління одержали пурпурові суцвіття. Таким чином, з'явилася підстава говорити про наявність домінантних та рецесивних ознак.

Варто відмітити що даний досвідМенделя був єдиним. Він використовував для експериментів рослини з іншими відтінками суцвіть, різною формою плодів, різною висотою стебла та інші варіанти. Досвідченим шляхом йому вдалося довести, що всі гібриди першого порядку однакові та характеризуються домінантною ознакою.

Неповне домінування

У результаті вивчення такого питання, як закономірності успадкування ознак, проводилися досліди як у рослинах, і живих організмах. Отже, вдалося встановити, що які завжди ознаки перебувають у відносинах і придушення. Так, наприклад, при схрещуванні курей чорного та білого забарвлення вдалося отримати сіре потомство. Так само було з деякими рослинами, коли різновиди з пурпуровими та білими квітками на виході давали рожеві відтінки. Таким чином, можна скоригувати перший принцип, вказавши, що перше покоління гібридів матиме однакові ознаки, причому вони можуть бути проміжними.

Розщеплення ознак

Продовжуючи досліджувати закономірності успадкування ознак, Мендель вважав за необхідне схрещувати двох нащадків першого покоління (гетерозиготних). Як результат, було отримано потомство, частина якого мало а інша - рецесивний. З цього можна дійти невтішного висновку, що другорядний ознака в першого покоління гібридів не зникає зовсім, лише придушується і може проявитися у наступному потомстві.

Незалежне наслідування

Багато питань викликають закономірності успадкування ознак. Досвід Менделя торкнулися також особин, які відрізняються один від одного відразу за декількома ознаками. По кожному окремо попередні закономірності дотримувалися. Але ось, розглядаючи сукупність ознак, не вдалося виявити будь-якої закономірності між їхніми комбінаціями. Таким чином, є підстави говорити про незалежність спадкування.

Закон чистоти гамет

Деякі закономірності успадкування ознак, встановлені Менделем, мали суто гіпотетичний характер. Мова йде про закон чистоти гамет, який полягає в тому, що в них потрапляє лише по одному алелі з пари, що міститься в гені батьківської особи.

За часів Менделя був технічних засобів на підтвердження цієї гіпотези. Проте вченому вдалося сформулювати загальне твердження. Суть його полягає в тому, що в процесі утворення гібридів спадкові ознаки зберігаються у незмінному вигляді, а не поєднуються.

Істотні умови

Генетика – це наука, що вивчає закономірності успадкування ознак. Мендель зробив істотний внесок у її розвиток, виробивши фундаментальні положення з цього питання. Проте, щоб вони виконувались, необхідне дотримання таких істотних умов:

• вихідні форми мають бути гомозиготними;
• альтернативність ознак;
• однакова ймовірність формування різних алелів у гібриду;
• рівна життєздатність гамет;
• при заплідненні гамети поєднуються випадковим чином;
• зиготи з різними комбінаціями генів життєздатні однаково;
• чисельність особин другого покоління має бути достатньою, щоб вважати отримані результати закономірними;
• прояв ознак має бути залежним від впливу зовнішніх умов.

Варто зазначити, що цим ознакам відповідає більшість живих організмів, у тому числі людина.

Закономірності успадкування ознак у людини

Незважаючи на те, що спочатку генетичні принципи досліджувалися на прикладі рослин, для тварин та людини вони також справедливі. Варто відзначити такі типи спадкування:

• Аутосомно-домінантний – успадкування домінуючих ознак, що локалізуються за допомогою аутосом. При цьому фенотип може бути як сильно вираженим, так і помітним. При цьому типі успадкування ймовірність отримання дитиною патологічного алелю від батька становить 50%.
• Аутосомно-рецесивний – успадкування другорядних ознак, поєднаних з аутосомами. Захворювання проявляються за допомогою гомозигот, причому ураженими будуть обидва алелі.
• Домінантний Х-зчеплений тип передбачає передачу домінантних ознак детермінованими генами. При цьому у жінок захворювання зустрічаються у 2 рази частіше, ніж у чоловіків.
• Рецесивний Х-зчеплений тип - успадкування відбувається за слабшою ознакою. Захворювання або його окремі ознаки завжди виявляються у нащадків чоловічої статі, а у жінок - тільки в гомозиготному стані.

Основні поняття

Щоб зрозуміти, як працюють закономірності успадкування ознак Менделя та інші генетичні процеси, варто ознайомитися з основними визначеннями і поняттями. До них належать такі:

• Домінантна ознака - переважна характеристика, яка виступає як визначальний стан гена і пригнічує розвиток рецесивних.
• Рецесивна ознака - характеристика, яка передається у спадок, але не виступає як визначальна.
• Гомозигота – диплоїдна особина або клітина, у хромосомах якої містяться однакові клітини зазначеного гена.
• Гетерозигота - диплоїдна особина або клітина, яка дає розщеплення та має різні алелі в рамках одного гена.
• Алель - це одна з альтернативних форм гена, яка розташована у певному місці хромосоми та характеризується унікальною послідовністю нуклеотидів.
• Алель - це пара генів, які розташовані в тих самих зонах і контролюють розвиток певних ознак.
• знаходяться на різних ділянках хромосом і відповідають за прояв різних ознак.

Висновок

Мендель сформулював і практично довів основні закономірності успадкування ознак. Опис їх наведено з прикладу рослин і трохи спрощено. Але на практиці воно справедливе для всіх живих організмів.

Біографія

Грегор Йоган Мендель (Gregor Johann Mendel)- Видатний чеський натураліст. Він народився в Австрійській імперії у простій селянській родині. Під час хрещення він отримав ім'я Йоганн.

Вивченням природи хлопчик захоплювався з дитинства, коли ще працював, спочатку помічником садівника, а потім садівником. Провчившись деякий час в інституті Ольмюца, у філософських класах, він у $ 1843 $ постригся в ченці і прийняв ім'я Грегор. Далі з $1844$ по $1848$ рік Грегор Мендель навчався у Брюннському богословському інституті та став священиком. Під час навчання він самостійно вивчав багато наук, вивчав у Віденському університеті природну історію.

Саме у Відні Грегор Мендель захопився дослідженнями процесів гібридизації та статистичними співвідношеннями гібридів. Мендель приділяв особливу увагу питанням змін якісних ознак рослин. Об'єктом експериментів він вибрав горох, який можна було виростити у монастирському саду. Саме спостереження за результатами цих досліджень лягли в основу знаменитих «законів Менделя».

Натхнений першими успіхами, Мендель переніс свої експерименти на рослину сімейства айстрових (схрещував різновиди яструбінки) та проводив схрещування різновидів бджіл. Результати експериментів не збіглися з результатами дослідів із горохом. Тоді ще не знали, що механізм успадкування ознак у цих рослин та тварин відрізняється від механізму успадкування у гороху.

Зауваження 1

Грегор Мендель був розчарований у біологічній науці. Після його призначення настоятелем монастиря він більше не займався наукою. Але його заслугою є те, що він вперше виявив та описав статистичні закономірності успадкування ознак у гібридів. Ознайомимося з ними детальніше.

Перший закон Менделя

Для полегшення обліку результатів експерименту Грегор Мендель обрав рослини з ознаками, що чітко відрізняються. Це були колір та форма насіння.

Спочатку він отримав насіння «чистих ліній» рослин. Це насіння при подальшому посіві і в результаті самозапилення не давало розщеплення ознак.

При схрещуванні різних сортів гороху – з пурпуровими квітками та з білими квітками, у першому поколінні гібридів Мендель отримував усі рослини з пурпуровими квітками. Аналогічними були результати, коли вчений брав рослини гороху з жовтим і зеленим насінням або насінням гладкої та зморшкуватої форми.

За результатами цих дослідів Грегор Мендель вивів закон однаковості гібридів першого покоління , який ми знаємо, як "перший закон Менделя". Сьогодні він звучить так:

«При схрещуванні двох гомозиготних організмів. які відносяться до чистих ліній і відрізняються один від одного по одній парі альтернативних проявів певної ознаки, все перше покоління гібридів (F1) виявиться повністю одноманітним і буде виявляти ознаку лише одного з батьків».

Цей закон ще називають законом домінування ознак . Він означає, що домінуючий ознака у фенотипі, пригнічуючи рецесивний.

Другий закон Менделя

Проводячи подальші експерименти з гібридами першого покоління, Мендель виявив, що з подальшому схрещуванні гібридів першого покоління між собою гібриди другого поколінь відрізняються розщепленням ознак з стійким постійністю. Сьогодні цей закон формулюють таким чином:

Визначення 1

«Після схрещування двох гетерозиготних нащадків першого покоління між собою, спостерігається розщеплення у другому поколінні у певному числовому співвідношенні: за фенотипом $3:1$, за генотипом $1:2:1$».

Він отримав назву закону розщеплення . Він означає, що рецесивна ознака у гібридів першого покоління не зникає, а лише пригнічується і потім проявляється у другому гібридному поколінні.

Третій закон Менделя

У перших дослідах Грегор Мендель брав до уваги лише одну пару альтернативних ознак. Він зацікавився питанням, якщо взяти до уваги кілька ознак. Ознаки почали комбінуватися між собою і спочатку викликали у вченого збентеження. Але за більш детальному розгляді, Менделю вдалося вивести закономірність розщеплення. Виявилося, що гібриди першого покоління однакові, а в другому поколінні ознаки фенотипу розщеплюються в пропорції $9:3:3:1$, незалежно від іншої ознаки. Цей закон було названо законом незалежного наслідування . Сьогодні його формулювання виглядає так:

Визначення 2

«При схрещуванні двох особин, які відрізняються один від одного за кількома парами (двома або більшими) альтернативних ознак, гени та відповідні їм ознаки успадковуються один від одного незалежно і можуть комбінуватися у всіх можливих поєднаннях (подібно як при моногібридному схрещуванні)».

Закономірності, відкриті Менделем передбачили початок нової науки – генетики.

РОЗДІЛ 8. Розгадати шифр Бога:відкриття генетики та ДНК

В один прекрасний день на зорі цивілізації, на прекрасному грецькому острові Кос, в кришталево чистих водахЕгейського моря молода жінка, представниця благородного роду, непомітно проникла через чорний хід у храм з каменю та мармуру - Асклепіон, - щоб звернутися з проханням до одного з перших та найзнаменитіших у світі лікарів. У відчайдушній надії отримати пораду вона зніяковіло розповіла Гіппократу про свою незвичайну проблему. Жінка нещодавно народила хлопчика. І хоча він був здоровим і пухким, Гіппократу, щоб поставити діагноз, достатньо було поглянути на малюка, закутаного в пелюшки, і його білошкіру матір. Темний колір шкіри немовля красномовно свідчив про палку пристрасть матері до африканського торговця. Якби інформація про невірність набула розголосу, вибухнув би скандал, плітки поширилися островом зі швидкістю лісової пожежі, викликавши неабияку лють чоловіка.

Але Гіппократ - знав про спадковість і генетику рівно стільки, скільки міг хтось знати в V столітті до н. е.. - одразу запропонував пояснення. Деякі риси дітей дійсно можуть бути успадковані від батьків, але не враховували концепцію «материнських вражень». Відповідно до неї, діти могли набувати рис, що виникають залежно від того, на що їхні матері дивилися під час вагітності. А отже, як переконав свою відвідувачку Гіппократ, дитина, швидше за все, набула негроїдних рис під час вагітності, оскільки майбутня мати надто уважно вивчала портрет ефіопа, який - так уже вийшло - висів на стіні в її спальні.

Від загадок до генетичної революції

З перших днів цивілізації до завершення індустріальної революції представники різних верств суспільства з мужністю - що часом межує з дурістю - намагалися розкрити таємниці спадковості. Навіть сьогодні ми дивуємось тому, як властивості передаються з покоління в покоління. Кому з нас не знайоме здивування при погляді на власну дитину чи рідного брата у спробі розгадати, від кого йому дісталася та чи інша риса: трохи викривлена ​​усмішка, колір шкіри, рідкісний розум чи його відсутність, перфекціонізм чи схильність до лінощів? Хто не запитував, чому дитина взяла саме ці риси у матері, саме ці - у батька, або чому брати і сестри часом такі несхожі один на одного?

І це лише очевидні питання. А як бути з рисами, які в одному поколінні наче зникають, а потім виявляються у онуків? Чи батьки можуть передавати дітям риси, «набуті» протягом життя: навички, знання, навіть травми? Яку роль відіграє оточення? Чому в якихось сім'ях одна й та сама хвороба переслідує всі покоління, а іншим дістаються міцне здоров'я та неймовірне довголіття? І, мабуть, найтривожніше питання: як саме передається «бомба уповільненої дії», яка визначає, від чого і коли ми помремо?

Аж до XX століття всі ці загадки можна було узагальнити у двох простих питаннях. Чи контролується спадковість якимись правилами? І як?

Дивно, але, навіть не розуміючи, як чи чому певні риси передаються з покоління до покоління, людство тривалий час справлялося з цими загадковими явищами. Тисячоліттями – у пустелях, степах, лісах та долинах – люди схрещували різні рослини та різних тварин, щоб отримати бажані ознаки, а іноді й нові організми. Рис, кукурудза, вівці, корови, коні ставали більшими, сильнішими, твердішими, смачнішими, дружелюбнішими і продуктивнішими. Кінь жіночої статі та осел чоловічої статі виробили мула, який був одночасно сильніший за матір і розумніший за батька. Не розуміючи, як саме це працює, люди використовували спадковість для створення сільського господарства – багатого та надійного джерела їжі, яке сприяло піднесенню цивілізації та перетворення людства з жменьки кочівників у мільярдну популяцію.

Лише останні 150 років (а точніше, 60) ми почали в цьому розбиратися. Зрозуміли не всі, але достатньо, щоби розшифрувати базові закони, розібрати на частини, вказати саму суть спадковості та застосувати нові знання, викликавши революційні зміни практично у всіх напрямках медицини. І, мабуть, цей прорив більше, ніж будь-який інший, схожий на повільний вибух. Відкриття спадковості та того, як ДНК, гени та хромосоми дозволяють різним характеристикам передаватися з покоління в покоління, - довга робота, яка багато в чому ще не завершена.

Навіть після 1865 р., коли перший революційний експеримент показав, що спадковістю справді керує набір правил, знадобилося ще більше відкриттів – від відкриття генів та хромосом наприкінці XIX століття до визначення структури ДНК у 1950-ті – щоб вчені почали розуміти, як вона насправді працює. Півтора століття пішло на те, щоб з'ясувати, як ті чи інші риси передаються від батька до дитини і як крихітна яйцеклітина без будь-яких характеристик здатна вирости і перетворитися на людину зі 100 трлн клітин та безліччю індивідуальних особливостей.

Але ми досі на початку шляху. Хоча відкриття генетики і ДНК і було революційним, воно також відчинило ящик Пандори, показавши масу можливостей, що хвилюють розум і викликають безліч питань: від визначення генетичних причин захворювань і генетичної терапії, здатної їх лікувати, до «персоналізованої» медицини, в якій лікування залежить від унікальний генетичний профіль пацієнта. Не кажучи вже про численні пов'язані з генетикою революції, включаючи використання ДНК для розслідування злочинів, складання родоводів, а колись - хто знає - для того, щоб наділяти дітей тими чи іншими талантами нашомурозсуду.

І через багато років після епохи Гіппократа лікарів так само інтригувала ідея «материнських вражень». Про це говорять три випадки, що мали місце у XIX – на початку XX століття.

Жінка на сьомому місяці вагітності жахнулася, побачивши палаючу вдалині хату. Щоразу їй ставало страшно від думки, що це може бути її хата. Будинок її не згорів, але страшний образ полум'я залишався у неї «постійно перед очима» протягом вагітності. У дівчинки, що народилася через кілька місяців, на лобі виявилася червона пляма, що за формою нагадувала язики полум'я.

Вагітна жінка, побачивши дитину із заячою губою, так сильно переживала через те, що вселяла собі: її дитина з'явиться на світ з таким же недоліком. Так і вийшло: через 8 місяців її малюк народився із заячою губою. І це не вся історія. Випадок набув розголосу, і на немовля прийшли подивитися кілька вагітних жінок. Три з них пізніше також народили дітей із заячою губою.

Ще одна жінка на сьомому місяці вагітності була змушена поселити у своєму будинку сусідську дівчинку, бо її мати тяжко захворіла. Дівчинка часто допомагала господині з домашніми справами, і жінка раз у раз кидала погляд на її середній палець, що зберігся лише частково через нещасний випадок у пральні. В результаті жінка народила дитину, яка була повністю здорова - не рахуючи відсутності середнього пальця на лівій руці.

Руйнування міфів: загадка відсутності безголових немовлят

Враховуючи, як далеко зробила крок наука за останні 150 років, можна уявити, як наші предки пояснювали механізм успадкування різних рис. Так, наприклад, лікарі часів Гіппократа вважали, що під час зачаття чоловік та жінка віддають дитині «крихітні частинки» кожного органу, і змішання цих частинок дозволяє передавати ті чи інші риси. Але теорія Гіппократа - пізніше названа пангенезисом - незабаром була спростована грецьким філософом Аристотелем. Вона пояснювала, як риси можуть передаватися через покоління. У Арістотеля, звичайно, були свої оригінальні ідеї. Наприклад, він вірив, що діти набувають фізичних рис через менструальну кров матері, а душа до них приходить через батьківську сперму.

Оскільки мікроскопів або інших наукових приладів тоді не було, не дивно, що питання спадковості залишалося таємницею понад 2000 років. Навіть у XIX столітті люди здебільшого вірили, як і Гіппократ, у «доктрину материнського враження»: ідею про те, що на риси дитини, яка ще не народилася, може вплинути те, що жінка бачить під час вагітності, особливо якщо це якісь шокуючі або лякаючі речі. У медичних журналах і книгах повідомлялося про сотні випадків, коли жінки, які зазнали емоційного стресу від побаченого (зазвичай це були каліцтва або потворності), пізніше народжували дітей, у яких виявлялися аналогічні вади. Щоправда, вже на початку XIX століття виникли сумніви в цій теорії. "Якщо спостереження за чимось шокуючим може справляти такий ефект, - писав шотландський автор "Домашнього лікаря" Вільям Бухан, - то скільки ж обезголовлених немовлят мало народитися у Франції в період жорстокого правління Робесп'єра?"

Але багато дивних міфів збереглися до середини XIX століття. Наприклад, була дуже популярна чутка про те, що у чоловіків, які втратили кінцівки внаслідок гарматних поранень, народжувалися діти без рук чи ніг. Інша поширена помилка - що «набуті риси» (навички чи знання, які людина накопичує протягом життя) можуть бути передані дитині. Один автор наприкінці 1830-х писав про француза, який навчився говорити англійською за дуже короткий час, мабуть, успадкувавши свій талант від англомовної бабусі, яку жодного разу в житті не бачив.

А один письменник у ХІХ столітті впевнено заявляв, ніби дитина отримує «опорно-рухові органи» від батька, а «внутрішні, чи життєво важливі» – від матері. Варто відзначити, що основою цієї поширеної теорії стала зовнішність мулів.

Перші зрушення: мікроскопи допомагають виявити першопричину

Аж до кінця XIX століття, незважаючи на наукові досягнення, що стали основою революційних проривів у багатьох галузях медицини, спадкування розглядали як мінливу силу природи. При цьому вчені ніяк не могли дійти єдиної думки про те, звідки вона виникає, і точно не розуміли, як цей процес відбувається.

Перші зрушення у формуванні теорії спадковості з'явилися на початку XIX століття, частково завдяки вдосконаленню мікроскопа. З моменту, коли датські майстри з виготовлення окулярів Ганс Янсен та його син Захарій винайшли свій перший мікроскоп, минуло понад 200 років, і до початку XIX століття технічні вдосконалення нарешті дозволили вченим уважніше поглянути на «місце дії» – клітину. Потужний зрушення стався в 1831 р., коли шотландський вчений Роберт Броун виявив, що багато клітин містять крихітну темну центральну структуру, яку він назвав ядром. І хоча роль, яку ядро ​​клітини грало у питаннях спадковості, залишалася невідомою ще кілька десятиліть, Броун принаймні знайшов місце дії процесів, що вивчаються.

Майже через десять років британський лікар Мартін Беррі вивчив це місце дії ще глибше. Він з'ясував, що запліднення відбувається, коли клітина чоловічої сперми потрапляє до жіночої яйцеклітини. Так, сьогодні це звучить банально, але лише кілька десятиліть тому був популярний міф про те, що кожна незапліднена яйцеклітина містить крихітну «заготівлю» людини, і завдання сперми – пробудити її до життя. Більше того, аж до середини XIX століття більшість людей не підозрювали, що в зачатті беруть участь лише один сперматозоїд та одна яйцеклітина. А без знання цієї простої рівності (1 яйцеклітина + 1 сперматозоїд = 1 дитина) були неможливі навіть перші кроки до істинного розуміння спадковості.

Нарешті, в 1856 р. з'явилася людина, яка не тільки знала про цю рівність, а й була готова присвятити десять років життя розгадці таємниці. І хоча його робота може справляти враження повної ідилії (він працював у затишному саду на задньому дворі), його експерименти були, швидше за все, неймовірно трудомісткими. Роблячи те, чого ніхто раніше навіть не наважувався, він виростив десятки тисяч горохових пагонів і скрупульозно задокументував, як їхні маленькі паростки поводилися в кожному поколінні. Пізніше він не без гордості писав: «Безумовно, щоб узяти на себе таку масштабну працю, потрібна певна сміливість».

Але до того моменту, коли Грегор Мендель закінчив у 1865 р. свою роботу, він відповів на питання, яке людство ставило тисячоліттями: спадковість обумовлена ​​не випадковістю чи мінливістю, а певними правилами. Приємний бонус – крім комори, набитої запасами гороху – полягав у тому, що Мендель заснував науку під назвою генетика.

Віха № 1

Від гороху до наукових принципів: Грегор Мендель та відкриті їм закони спадковості

Народжений в 1822 р. в сім'ї фермерів у моравському селі (яка зараз знаходиться на території Чехії), Йоган Мендель може вважатися або найнеймовірнішим священиком в історії релігії, або найнеймовірнішим дослідником в історії науки. А можливо, і тим, і іншим. Його інтелектуальні здібності безперечні: Мендель так блискуче навчався в юності, що один із його вчителів рекомендував йому відвідати Серпневий монастир у найближчому місті Брюнне. Це був звичайний для тих часів спосіб, до якого вдавалися бідняки, щоб здобути освіту. Там він прийняв нове ім'я Грегора. До моменту, коли Мендель отримав сан священика в 1847 р. (у віці 26 років), він справляв враження людини, придатної для наукової діяльності. Мендель із задоволенням викладав у школі фізику та математику, проте провалив іспит на отримання ліцензії вчителя. Щоб реабілітуватися після такої невдачі, він вирушив до Віденського університету на чотири роки, де вивчав безліч різноманітних предметів, включаючи курси з математики та фізики (які викладав Крістіан Допплер) та з природничих наук. Повернувшись в абатство в 1853 р., Мендель отримав посаду викладача у вищій школі Брюнне і в 1856 р. зробив спробу скласти іспит на ліцензію вдруге.

І знову його провалив.

Хоча скласти іспит на посаду викладача Мендель так і не зміг, отриману ним освіту - включаючи курси з вирощування фруктів, анатомії та фізіології рослин та експериментальних методів - було, здавалося, призначене для чогось значно важливішого. Як ми знаємо сьогодні, вже у 1854 р., за два роки до того, як він провалив свій другий викладацький іспит, Мендель проводив експерименти в саду абатства, де вирощував різні види гороху, аналізував їх розвиток та планував ще більші експерименти, які провів лише через пару років.

Евріка: 20 тис. гібридів, проста пропорція та три найважливіші закони

Про що міркував Мендель, коли починав свій знаменитий експеримент із горохом 1856 р.? Насамперед, ця ідея прийшла до нього не звідки. Як це зазвичай буває, схрещування різних видів рослин і тварин тривалий час становило інтерес для фермерів Моравії: вони намагалися вдосконалити якість своїх декоративних квіткових рослин, фруктових дерев і овечої вовни. І хоча експерименти Менделя були, можливо, частково зумовлені бажанням допомогти місцевому сільському господарству, його також інтригували серйозні питання спадковості. Але якщо він коли-небудь намагався ділитися з кимось своїми ідеями, то швидше за все зустрічав подив. На той час вчені не припускали, що індивідуальні характеристики можуть бути предметом вивчення. Відповідно до теорією розвитку, що існувала тоді, вони змішуються з покоління в покоління і їх не можна вивчати окремо. Так що сама ідея експерименту Менделя (порівняння особливостей гороху в масштабах багатьох поколінь) була на ті часи ексцентричною (нікому це раніше і на думку не спадало) і – що не випадково – осяянням генія.

При цьому Мендель лише ставив ті самі питання, які багато хто вже ставив до нього: чому певні характеристики - чи то блискуча дідуся лисина чи вокальні здібності тітки - зникають в одному поколінні і знову з'являються в іншому? Чому якісь риси випадково проявляються і зникають, а інші, як сформулював Мендель, з'являються знову з «вражаючою регулярністю»? Щоб вивчити це питання, Менделю був потрібен організм, що має дві ключові властивості: характеристики, які можна легко виявити і кількісно проаналізувати, і короткий репродуктивний цикл, щоб нові покоління могли з'являтися відносно швидко. І ось удача розпорядилася так, що необхідний організм Мендель виявив у своєму дворі: це був Pisum sativum, традиційний горох. Почавши вирощувати їх у саду абатства в 1856 р., він зосередився на 7 характеристиках: відтінок квіток (фіолетовий чи білий), розташування квіток (на стеблі чи верхівці), колір насіння (жовтий чи зелений), форма насіння (округла чи зморщена) , колір стручка (зелений або жовтий), форма стручка (наповнена або зморщена), висота пагона (велика або маленька).

У наступні 8 років Мендель виростив тисячі рослин, ретельно проаналізувавши та розподіливши за категоріями їх характеристики у межах багатьох поколінь. Це була неймовірна праця: за один лише останній рік роботи він виростив 2500 рослин другого покоління, задокументувавши лише понад 20 тис. гібридів. І хоча він завершив свій аналіз лише до 1863, інтригуючі знахідки він виявляв майже з самого початку.

Щоб по-справжньому оцінити відкриття Менделя, зверніть увагу на одне з його найпростіших питань: чому при схрещуванні гороху з фіолетовими та білими квітками виходили рослини виключно з фіолетовими квітками; а при схрещуванні рослин з фіолетовими квітками серед нових рослин більшість була з фіолетовими квітками, а кілька - з білими? Іншими словами, де саме в першому поколінні рослин з фіолетовими квітками була «інструкція» сховати білі квітки? Те саме сталося і з усіма іншими характеристиками. При схрещуванні рослин із жовтими та зеленими плодами у всіх «нащадків» першого покоління плоди були жовтого кольору; але коли ці рослини схрещували між собою, у більшості представників другого покоління горошок був жовтого кольору, а в кількох – зеленого. Де ж у першому поколінні була «інструкція» змусити зелений горошок зникнути?

Лише після того, як Мендель ретельно задокументував та розподілив за категоріями тисячі гібридів у масштабах багатьох поколінь, він почав виявляти дивовижні відповіді. У рослинах другого покоління знову і знову з'являлося те саме цікаве співвідношення: 3 до 1. На кожні три рослини з фіолетовими квітками доводилося одне з білими. На кожні три рослини з жовтими плодами припадала одна із зеленою. На кожні три високі рослини припадала одна карликова - і т.д.

Для Менделя це була статистична похибка, а свідчення важливого принципу, основного закону. Розбираючись у тому, як саме могли виникнути такі спадкові механізми, він поступово наблизився до математичного та фізичного пояснення того, чому саме так спадкові риси передаються від батьків до потомства. У момент осяяння він припустив, що спадковість має включати переміщення певного «елемента» (фактора) від кожного з батьків дитині – те, що зараз ми називаємо генами.

І це був лише початок. Ґрунтуючись на аналізі характеристик гороху, Мендель інтуїтивно відкрив деякі з найважливіших законів спадковості. Так, наприклад, він дійшов правильного висновку про те, що у випадку з будь-якою існуючою характеристикою потомство успадковує два «елементи» (алеля гена) - по одному від кожного з батьків - і що ці елементи можуть бути домінантнимиабо рецесивними. Таким чином, стосовно кожної існуючої характеристики, якщо нащадок успадковував домінантний «елемент» від одного з батьків і рецесивний від іншого, то він демонстрував домінантну ознаку, але при цьому був носієм прихованогорецесивного, який міг передаватися наступному поколінню. У разі відтінків квіток, якщо потомство успадкувало домінантний «фіолетовий ген» від одного з батьків і рецесивний «білий» від іншого, у нього з'являлися квіти фіолетового кольору. При цьому він залишався носієм рецесивного гена білих квітів та міг передавати його своєму потомству. Це нарешті пояснило, як характеристики могли пропускати цілі покоління.

Грунтуючись на цих та інших висновках, Мендель розробив три свої найзнаменитіші закони про те, як «елементи» спадковості передаються від батька потомству.

Закон однаковості першого покоління: при схрещуванні двох чистих ліній (домінантної та рецесивної за однією ознакою) все перше покоління буде одноманітним за домінантною ознакою.

Закон розщеплення: при схрещуванні нащадків першого покоління між собою у другому поколінні з'являться особини як із домінантною, так і з рецесивною ознакою, причому у певному співвідношенні 3:1.

Для пояснення цього закону Мендель запропонував закон чистоти гамет:Доросла особина має два елементи, що відповідають за формування ознаки (два алелі гена), з яких один домінує (проявляється). При розподілі статевих клітин (гамет) у кожну їх потрапляє лише з двох алелей. При злитті чоловічої та жіночої гамет алелі гена не змішуються, а передаються наступному поколінню у чистому вигляді.

Закон незалежного наслідування ознак: при схрещуванні особин з різними ознаками, гени, які за них відповідають, успадковуються незалежно один від одного.

Щоб по-справжньому оцінити геніальність Менделя, важливо згадати, що під час його роботи ніхто не знав про фізичні підстави спадковості. Не було концепції ДНК, генів чи хромосом. При повній відсутності знань про те, якими можуть бути «елементи» спадковості, Мендель відкрив новий напрямок у науці, хоча визначальні терміни – гени та генетика – сформувалися кількома десятиліттями пізніше.

Вічна тема: впевнений у своїй правоті, але недооцінений за життя

У 1865 р., після дев'яти років вирощування тисяч горохових рослин та аналізу їх характеристик, Грегор Мендель представив свої висновки Брюннському суспільству дослідників природи, а наступного року побачила світ його класична робота «Досліди над рослинними гібридами». Це один із найбільших переломних моментів в історії науки та медицини. Було знайдено відповідь на питання, яке мучило людство тисячоліттями.

І якою була реакція? Млява байдужість.

Так-так, у наступні 35 років Менделя роботу ігнорували, неправильно інтерпретували. Про неї просто забули. Не можна сказати, що він не намагався: рано чи пізно він відправив свою роботу Карлу Негелі, впливовому вченому-ботаніку з Мюнхена. А Негелі не тільки не зумів гідно оцінити працю Менделя, але і відправив лист у відповідь, в якому піддав роботу вченого, мабуть, найпринизливішій критиці в історії науки. Вивчивши дослідження, засноване на працях, які зайняли майже десять років і зажадали виростити понад 20 тис. рослин, Негелі написав: «У мене складається враження, що експерименти мають тільки розпочатися…»

Проблема, як вважають сучасні історики, в тому, що колеги Менделя не зуміли зрозуміти значущість його відкриття. Через їхні консервативні погляди на розвиток і віру в те, що спадкові риси неможливо ні розділити, ні проаналізувати, експеримент Менделя був сприйнятий більш ніж прохолодно. Мендель продовжував наукову діяльність ще кілька років, а потім припинив її приблизно 1868 р. - невдовзі після отримання сану абата в Брюннському монастирі. Аж до смерті (1884 р.) він гадки не мав про те, що одного прекрасного дня його назвуть засновником генетики.

Як би там не було, Мендель був переконаний у важливості свого відкриття. За словами одного абата, за кілька місяців до смерті він впевнено заявив: «Настане час, коли важливість відкритих мною законів буде гідно оцінена». Також він, за деякими даними, говорив послушникам монастиря незадовго до смерті: "Я переконаний, що весь світ оцінить значущість цих досліджень".

Через 35 років, коли світ нарешті і справді гідно оцінив його праці, вчені відкрили те, про що Мендель не знав, але що забезпечує його роботі фінальну, перспективну перспективу. Його закони спадковості застосовні не тільки до рослин, а й до тварин та людей.

І тепер, з настанням епохи наукової генетики, закономірно постало питання: звідки береться спадковість?

Віха № 2

Дослідження території: глибоке занурення у таємниці клітини

Наступна важлива віха почала формуватися в 1870-х, приблизно в той же час, коли Мендель почав втрачати надію на успіх своїх експериментів. Проте її заснування було закладено кількома століттями раніше. У 1660-ті англійський фізик Роберт Гук став першою людиною, яка вирішила поглянути через найпростіший мікроскоп на шматок коркового дерева і виявив те, що він назвав крихітними «комірками». Але лише у 1800-ті кілька німецьких учених змогли вивчити їх уважніше й нарешті виявити, де саме виникає спадковість: у клітці та її ядрі.

Перший важливий прорив стався у 1838–1839 рр., коли удосконалення мікроскопа дозволили німецьким ученим Матіасу Шлейдену та Теодору Шванну визначити клітини як структурні та функціональні одиниці всіх живих істот. Потім у 1855 р., розвінчавши міф про те, що клітини з'являються з нізвідки, спонтанно, німецький вчений Рудольф Вірхов оголосив свою знамениту формулу: Omnis cellula e cellula («Кожна клітина з клітини»). Цим твердженням Вірхов дав науці ще одну ключову підказку про те, звідки саме береться спадковість: якщо кожна клітина з'являлася з іншої, то інформація, необхідна створення кожної нової клітини (інформація про спадковість), повинна зберігатися десь усередині клітини. Нарешті, 1866 р. німецький біолог Ернст Геккель прямо заявив: передача спадкових ознак пов'язана з чимось... з чимось усередині клітинного ядра, значимість якого було визнано ще 1831 р. Робертом Броуном.

До 1870-х вчені все глибше вивчали ядро ​​клітини, виявляючи загадкові явища, що відбувалися щоразу при клітинному розподілі. Так, 1879 р. німецький біолог Вальтер Флеммінг детально вивчив ці явища, назвавши весь процес мітозом (непрямим розподілом). У своїй роботі, опублікованій в 1882 р., Флеммінг вперше точно описав цікаві події, які відбувалися безпосередньо перед поділом клітини: в ядрі виявлялися довгі ниткоподібні структури, які потім розділялися на дві частини. У 1888 р., коли вчені почали говорити про роль, яку ці нитки грають у спадковості, німецький анатом Генріх Вальдейєр, один із великих авторів нових термінів у біології, запропонував для них нову назву, яка й увійшла до історії, – хромосоми.

Віха № 3

ДНК: відкриття та забуття

До кінця XIX століття світ, який наполегливо ігнорує перший великий етап у розвитку генетики, вирішив знехтувати і другим - відкриттям ДНК. Так, саме так. ДНК, якої зобов'язані своїм існуванням гени, хромосоми, спадкові риси та, нарешті, генетична революція у ХХІ столітті. І, як і у випадку з зневажливим ставленням до Менделя та його законів про спадковість, помилка не була короткочасною. Незабаром після свого відкриття у 1869 р. ДНК була практично забута на півстоліття.

Почалося все з того, що швейцарський фізіолог Фрідріх Мішер, щойно закінчивши медичну школу, прийняв ключове рішення про подальшу кар'єру. Через слабкий слух (наслідки перенесеної в дитинстві інфекції) йому було складно розуміти пацієнтів, і він вирішив відмовитися від кар'єри в клінічній медицині. Ставши співробітником лабораторії в Університеті Тюбінгена в Німеччині, Мішер вирішив ретельно вивчити недавнє припущення Ернста Геккеля про те, що секрети спадковості можуть розкритися завдяки ядру клітини. Вибравши найкращі клітини для вивчення ядра, він почав відмивати мертві білі кров'яні тільця (які містяться у великій кількості в гної) з хірургічних бинтів, взятих на звалищі найближчої університетської лікарні.

Відібравши для роботи найменш неприємні зразки, Мішер піддав білі кров'яні клітини впливу різних хімічних речовин, поки не досяг відділення від клітинної маси раніше невідомої сполуки. Не будучи ні білком, ні жиром, ні вуглеводом, ця речовина мала кислотні властивості і містила велику кількість фосфору, чого не виявлялося раніше в жодній іншій органічній сполукі. Не маючи жодного уявлення про те, що це, Мішер назвав речовину нуклеїном. Звідси пішов сучасний термін ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота).

Мішер опублікував свої наукові висновки в 1871, а потім багато років присвятив вивченню нуклеїну окремо від інших клітин і речовин. Але його справжня природа залишалася таємницею. І хоча Мішер був переконаний, що нуклеїн життєво необхідний для функціонування клітини, він відхилив ідею про те, що той грав якусь роль у спадковості. Інші вчені його впевненість не поділяли. Наприклад, швейцарський анатом Альберт фон Келлікер мав сміливість заявити, що нуклеїн, найімовірніше, матеріальна основа спадкових механізмів. З ним погодився в 1895 р. Едмунд Бічер Вілсон, автор класичного підручника «Клітка та її роль у розвитку та спадковості», написавши в одній зі своїх робіт:

…І таким чином ми приходимо до дивовижного висновку про те, що на спадковість може впливати фізична передача конкретного хімічного компонента від батька до потомства.

І ось, за кілька кроків до відкриття, здатного змінити світ, вчені ніби заплющили на нього очі. Світ був просто не готовий прийняти ДНК як біохімічну складову спадковості. За кілька років про нуклеїн практично забули. Чому вчені відмовилися від спроб досліджувати ДНК аж до 1944 р.? Свою роль тут зіграли кілька факторів, але, мабуть, найважливіший полягав у тому, що ДНК видавалася нездатною відповідати поставленим наукою завданням. Як зазначив Вілсон в останньому виданні свого підручника у 1925 р. (що суперечило його ж словам захоплення у 1895 р.), «універсальні» інгредієнти нуклеїну не надто надихали, особливо в порівнянні з «невичерпною» різноманітністю білків. Як ДНК могла відповідати за всю різноманітність життя?

Відповіді на це питання не було до 1940-х, але знахідка Мішера справила на науку як мінімум один сильний вплив: вона викликала нову хвилю досліджень, які призвели до повторного відкриття давно забутого етапу. І не одного разу, а тричі.

Віха № 4

Народжений наново: воскресіння монастирського священика та його вчення про спадковість

Може, весна та сезон оновлення, але мало що може конкурувати з відродженням, що відбулося на початку 1900 р., коли після тридцятип'ятирічного забуття Грегор Мендель та його закони про спадковість повернулися до життя з новими силами. Чи то була відчайдушна відплата за довгу байдужість, чи неминучий результат нового витка інтересу наукового світу, але на початку 1900 р. навіть не один, а одразу троє вчених незалежно один від одного відкрили закони спадковості - згодом виявивши, що їх уже відкрив кілька десятиліть тому скромний священик.

Голландський ботанік Хуго Де Фріз став першим, хто оголосив про своє відкриття, коли його експерименти з розведення рослин показали те саме співвідношення 3 до 1, яке свого часу виявив Мендель. Наступним був Карл Корренс, німецький ботанік, який проводив дослідження з горохом, які допомогли йому наново відкрити закони спадковості. І останнім опублікував своє дослідження, засноване на експериментах з розведення гороху, австрійський ботанік Еріх Чермак-Зейзенекк. Він зазначав: «Я з найбільшим здивуванням прочитав про те, що Мендель уже проводив такі експерименти, причому значно масштабніші, ніж мої, відзначив ті самі невідповідності і вже дав свої пояснення співвідношенню 3 до 1».

І хоча серйозних суперечок про те, хто має бути проголошений автором повторного відкриття, не було, Чермак пізніше зізнався у «дрібній сутичці між ним та Корренсом на зустрічі учасників товариства натуралістів у Мерані у 1903 р.». Але, як додав Чермак, усі троє «були добре обізнані про те, що відкриття [ними] законів спадковості в 1900 р. поступалося масштабам досягнення Менделя в його епоху, адже за минулі роки було проведено наукову роботу, яка значно спростила їх дослідження».

Після того як закони Менделя відродилися в XX столітті, дедалі більше вчених почали звертати увагу на ті самі загадкові «одиниці», що визначали спадковість. Спочатку ніхто точно не знав, де вони знаходилися, але до 1903 р. американський вчений Волтер Саттон і німецький вчений Теодор Бовері з'ясували, що вони розташовані в хромосомах, а ті – парами всередині клітин. Нарешті, 1909 р. датський біолог Вільгельм Йоганнсен запропонував для цих одиниць назву - гени.

Віха № 5

Перша генетична хвороба: поцілунки двоюрідних братів, чорна сеча та вже знайома пропорція

Сліди чорної сечі на підгузку дитини стривожать будь-якого батька, але з погляду британського лікаря Арчібальда Гаррода вони були свідченням цікавої проблеми, пов'язаної з обміном речовин. І справа тут зовсім не в байдужості Гаррода. Хвороба, з якою він мав справу, називалася алкаптонурією. Її найшокованіші прояви включають зміну кольору сечі на чорний під впливом повітря, але в цілому вона не є небезпечною і зустрічається не частіше, ніж у одного з мільйонів людей по всьому світу. Коли Гаррод почав вивчення алкаптонурії наприкінці 1890-х, він зрозумів, що ця хвороба викликана не бактеріальною інфекцією, як йому раніше здавалося, а «вродженим порушенням обміну речовин». Але лише вивчивши дані про дітей, які страждали від цієї хвороби – чиї батьки майже завжди були двоюрідними братами та сестрами, – він знайшов підказку, яка миттєво змінила наше нинішнє у ідення спадковості, генів та хвороби.

Коли Гаррод вперше опублікував попередні результати свого дослідження у 1899 р., він знав про гени та спадковість не більше, ніж хтось інший. Тому він і випустив з поля зору одне зі своїх ключових спостережень: при порівнянні кількості дітей без алкаптонурії з кількістю хворих виникало знайоме співвідношення 3 до 1. Так, це було те ж співвідношення, що Мендель виявив у гороху другого покоління (наприклад, на три рослини з фіолетовими квітками – одне з білими), завдяки якому і з'явилося припущення про передачу спадкових ознак та роль «домінантних» та «рецесивних» елементів (алелей генів). У дослідженні Гаррода домінантною характеристикою була «нормальна сеча», а рецесивною – «чорна», і в дітей віком другого покоління виявлялося таке ж співвідношення: на трьох дітей із нормальною сечею в одного спостерігалася чорна. Гаррод не помітив цієї пропорції, але вона не зникла від уваги британського вченого Вільяма Бейтсона, який зв'язався з Гарродом, як тільки почув про його дослідження. Гаррод незабаром погодився з Бейтсоном у тому, що закони Менделя дають новий поворот, про який він не замислювався: хвороба, що вивчається їм, явно носить спадковий характер.

У 1902 р., узагальнюючи результати своєї роботи, Гаррод зібрав їх докупи: симптоми, порушення обміну речовин і роль генів та спадковості. Він висловив припущення, що алкаптонурія обумовлена ​​двома спадковими «елементами» (аллями гена) - по одній від кожного з батьків, і що дефектний алель є рецесивним. Що не менш важливо, він зобразив біохімічну схему, щоб обґрунтувати припущення про те, як дефектний «ген» викликав появу хвороби. Він, зважаючи на все, якимось чином виробляв дефектний фермент, який, будучи нездатним виконувати свою нормальну метаболічну функцію, приводив до появи чорної сечі. Завдяки цій інтерпретації Гаррод досяг ще одного серйозного результату. Він припустив, що саме роблять гени: вони виробляють білки, наприклад, ферменти. І якщо з геном щось не так, він дефектний, він здатний зробити і дефектнийбілок, що може спровокувати хворобу.

Гаррод продовжив роботу, зайнявшись описом кількох інших метаболічних відхилень, обумовлених наявністю дефектних генів і ферментів (які тепер називаються зошитом Гаррода і включають, крім алкаптонурії, альбінізм, цистинурію та пентозурію). Але знадобилося ще півстоліття, щоб інші вчені нарешті довели його правоту і гідно оцінили значущість його відкриттів. Сьогодні Гаррода шанують як першу людину в історії, якій вдалося продемонструвати зв'язок між генами та захворюванням. Його робота дала початок сучасним концепціям генетичного скринінгу, рецесивної спадковості та ризиків родинних шлюбів.

А Бейтсон, ймовірно, натхненний дослідженнями Гаррода, 1905 р. скаржився в листі, що цьому новому напрямку в науці не вистачало гарної назви. «Таке ім'я необхідне, – написав він, – і якщо хтось захоче його вигадати, то слово "генетика"можливо, підійде».

На початку 1900-х, незважаючи на зростаючий список важливих досягнень, наука переживала кризу самовизначення і була розбита на два табори. Мендель та його послідовники встановили закони спадковості, але не могли пояснити, якими були її біологічні «елементи» і як вони працювали. А Флемінг та інші вчені відкрили багатообіцяючі біохімічні параметри в клітині, але ніхто не міг розібратися у тому, яке ставлення вони мали до спадковості. До 1903 р. ці два світу зблизилися, коли Уолтер Саттон і Теодор Бовері припустили, що «одиниці» спадковості розташовані в хромосомах, а самі хромосоми успадковуються парами (одна від матері та одна від батька) і «можуть бути фізичною основою закону Менделя про спадщину ». Але лише 1910 р. інший американський вчений - передусім, на власне подиву - пов'язав ці два світу єдиною теорією спадковості.

Віха № 6

Як намистини в намисто: зв'язок між генами та хромосомами

У 1905 р. Томас Морган, біолог з Колумбійського університету, як скептично сприйняв ідею у тому, що хромосоми грають якусь роль спадковості, а й із сарказмом відреагував поведінка колег, підтримали цю теорію, і скаржився на «насичену хром». інтелектуальну атмосферу того часу. По-перше, на думку Моргана, ідея про те, що хромосоми містять спадкові риси, надто схожа на ідею «преформації»: колись популярний міф про те, що кожна яйцеклітина вже містить «заготівлю» людини. Але в 1910 р. для Моргана все змінилося, після того як він зайшов у «кімнату з мухами» (приміщення, де він та його студенти розвели мільйони плодових мушок дрозофіл, щоб вивчити їх генетичні особливості) і зробив неймовірне відкриття: в однієї з мушок були білі очі.

Це було разюче явище (зазвичай у дрозофіл очі червоні). Але ще більше Морган здивувався, коли схрестив чоловічу особину з білими очима та жіночу з червоними. Перші спостереження були не дуже дивними: як і очікувалося, у першому поколінні всі мушки мали червоні очі, а в другому виявилося знайоме співвідношення 3 до 1 (три червоноокі мушки на одну білооку). Але повною несподіванкою для Моргана, яка перевернула всю основу його розуміння спадковості, стала зовсім нова знахідка: всі представники білооких нащадків були чоловічої статі.

Цей новий поворот - ідея про те, що певна риса може успадковуватись тільки однією статтю - мав фундаментальне значення у зв'язку з відкриттям, зробленим за кілька років до цього. У 1905 р. американські біологи Нетті Марія Стівенс, яка першою принесла в лабораторію Томаса Моргана плодових мушок, і Едмунд Бічер Вілсон виявили, що стать людини визначається двома хромосомами: X і Y. У представників жіночої статі завжди були дві X-хромосоми, а у представників чоловічої статі - одна X і одна Y. Коли Морган побачив, що всі білоокі мушки чоловічої статі, він зрозумів, що ген, який відповідає за білий коліроко, якось має бути пов'язане з чоловічою хромосомою. Це змусило його зробити концептуальний стрибок, якому він чинив опір роками. Він вирішив, що гени, швидше за все, є частиноюХромосоми.

Незабаром після цього, в 1913 р., один із студентів Моргана, Альфред Стертевант, досяг переломного етапу, коли зрозумів, що гени насправді можуть бути розміщені всередині хромосоми лінійно. Потім, внаслідок безсонної ночі, Стертевант створив першу у світі генетичну карту – карту Х-хромосоми дрозофіли, помістивши п'ять генів на лінійну карту та розрахувавши відстань між ними.

У 1915 р. Морган та його учні опублікували знакову для науки книгу «Механізми менделівської спадковості», яка нарешті офіційно проголосила існуючий зв'язок. Два раніше окремо існували світу (закон спадковості Менделя і хромосоми і гени всередині клітин) були тепер одним цілим. Коли в 1933 р. Морган отримав Нобелівську премію з фізіології та медицини за своє відкриття, ведучий зазначив, що теорія про те, ніби гени розташовані в хромосомі «як бісер на намисто», спочатку здавалася «фантастичною заявою» і була зустрінута з обґрунтованим скептицизмом. ». Але пізніше проведені дослідження довели правоту Моргана, і його висновки були визнані «фундаментальними та визначальними для дослідження та розуміння спадкових хвороб людства».

Віха № 7

Перетворююча істина: знову відкрита ДНК та її цікаві властивості

До кінця 1920-х було розкрито багато секретів, пов'язаних зі спадковістю. Передачу параметрів можна пояснити з допомогою законів Менделя, закони пов'язані з генами, а гени - з хромосомами. Здавалося б, теорія, що вийшла, охоплювала все.

Нічого подібного. Спадковість залишалася загадкою у зв'язку із двома серйозними проблемами. По-перше, більшість учених вважали, що гени складаються з білків, а чи не ДНК. По-друге, ніхто гадки не мав про те, як гени, хоч би якими вони були, визначали спадкові ознаки. Відповіді на всі ці загадки почали виявлятися у 1928 р., коли британський мікробіолог Фредерік Гріффіт працював над зовсім іншою проблемою – створенням вакцини від пневмонії. Це йому не вдалося, зате він з успіхом виявив ще одну ключову підказку.

Гріффіт займався вивченням Streptococcus pneumoniae, коли з'ясував щось цікаве. Одна форма бактерій, вірулентний штам S, утворювала гладкі колонії, а інша, невинного штаму R, - нерівні. Бактерії штаму S викликали захворювання, оскільки мали полісахаридну капсулу, яка захищала їхню відмінність від дії імунної системи. Бактерії штаму R виявилися нешкідливими: не маючи подібної капсули, вони розпізнавались та знищувалися імунною системою. Потім Гріффіт виявив дещо ще дивніше: якщо мишам вводився спочатку нешкідливий штам R, а потім вірулентний, але вбитий нагріванням штам S, миші все одно гинули. Після кількох експериментів Гріффіт зрозумів, що насамперед нешкідливі бактерії R якимось чином «набували» у вірулентних бактерій типу S здатність створювати захисну капсулу. Іншими словами, незважаючи на те, що вірулентні бактерії S були вбиті, щось у них трансформувало нешкідливі R-пневмококи в хвороботворні S.

Що саме це було і як це було пов'язано зі спадковістю та генетикою? Гриффіт так і не дізнався про це. У 1941 р., кілька років до розкриття цієї таємниці, він помер від німецького снаряда під час бомбардування Лондона.

Коли робота Гріффіта, яка описувала «трансформацію» нешкідливих бактерій у вірулентну форму, була опублікована в 1928 р., Освальд Евері, вчений з Інституту медичних досліджень Рокфеллера в Нью-Йорку, спочатку відмовився вірити результатам. Та й чому, власне, він мав їм вірити? Евері займався вивченням бактерій, описаних Гріффітом, останні 15 років, включаючи захисну зовнішню капсулу, і зауваження, що один тип міг «трансформуватися» в інший, кидав йому виклик. Але коли висновки Гріффіта підтвердилися, Евері став одним із його послідовників, і до середини 1930-х він та його колега Колін Маклауд показали, що цей ефект можна відтворити у чашці Петрі. Тепер лишалося з'ясувати, що саме було причиною трансформації. До 1940, коли Евері і Маклауд наблизилися до відповіді, до них приєднався третій дослідник, Маклін Маккарті. Але визначення речовини було складним завданням. У 1943 р., коли товариші мучилися у спробах розсортувати нагромадження в клітці білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнів та інших речовин, Евері поскаржився своєму братові: «Спробуй знайти активний елемент у цій складній суміші! Та ще робота – суцільний душевний біль та розбите серце». Щоправда, при цьому Евері додав фразу, що інтригує: «Але, зрештою, можливо, у нас вийде».

І, звісно, ​​у них все вийшло. У лютому 1944 р. Евері, Маклауд і Маккарті опублікували роботу, в якій говорилося, що ними визначено «трансформуючий принцип» шляхом простого - втім, не такого простого - процесу усунення. Протестувавши все, що можна було знайти в цій складній клітинній суміші, вони з'ясували: лише одна речовина трансформувала R-пневмококи в S-форму. Це був нуклеїн - та ж речовина, яка вперше була визначена Фрідріхом Мішером і яку вони тепер назвали дезоксирибонуклеїновою кислотою, або ДНК. Сьогодні цю класичну працю вважають першою науковою роботою, яка надала доказ того, що саме ДНК - та самамолекула, що відповідає за спадковість. "Хто б міг подумати?" – писав Евері братові.