Менделевский этап учения о наследственности. «Материализация» гена

Диалектическое снятие механистических представлений о наследственности фактически начинается с работ Г. Менделя. Формирование же генетики как науки относят к 1900 г., когда законы Менделя были открыты «вторично». Исследования Менделя не получили признания сразу после опубликования его работ. Это можно объяснить двумя обстоятельствами. Во-первых, метод Менделя при всей его новизне и возможностях точного исследования закономерностей наследования признаков при гибридизации не сопровождался качественной интерпретацией явлений наследственности и позволял лишь косвенно судить о скрытом механизме передачи признаков. Поэтому при всей внутренней законченности и воспроизводимости менделевских исследований они сами по себе мало что давали для объяснения существа проблемы наследственности, о понятии гена. Во-вторых, биологическая теория того времени была не готова принять данные исследований Менделя, главные интересы биологов были сосредоточены вокруг проблем, поднятых дарвиновским учением. Биологическая мысль в тот период продолжала вращаться в основном в сфере умозрительных гипотез — еще только шла подготовка теории к «встрече» с результатами и методом генетических исследований Менделя.

Менделевский этап учения о наследственности характеризовался представлением гена как наследственной единицы в виде абстрактной единицы (фактора), определяющей особенности различных признаков. Иначе говоря, ген представлялся в виде гипотетического образования, поскольку знания о нем получались не на основе эксперимента, а из анализа видимых признаков родительских форм, феноменологического вычленения системообразующего элемента «фактор — признак». Подобное представление, несмотря на свою ограниченность, имело глубокий научный смысл, поскольку фиксировало внутренние, существенные свойства и отношения наследственных единиц, а потому содержало в себе возможность выявления всего богатства будущих определений понятия наследственности. Н. И. Вавилов, отмечая общеметодологическое значение исследований Менделя, писал: «Гению Менделя с поразительной ясностью и убедительностью экспериментально удалось показать, что отдельные наследственные признаки ведут себя при скрещивании независимо, свободно комбинируясь в потомстве по законам вероятности в определенные численные отношения. Это явление было объяснено им обусловленностью признаков наследственными зачатками, заключающимися в половых клетках — гаметах. Им дан метод исследования наиболее запутанных биологических явлений, перед тайной которых останавливался естествоиспытатель прошлого века. Более того, Мендель открыл путь к планомерному управлению наследственностью на основе установленных им закономерностей» [1, с. 198]. Новая трактовка понятия гена и открытые законы наследственности открыли новый этап в развитии учения о наследственности. Для этого было необходимо перейти к изучению наследственности на клеточном уровне в рамках хромосомной концепции наследственности, составившей «классический фонд и фундамент генетики» [4, с. 41].

Диалектическое снятие формального характера представлений менделизма началось с обращения к внутренним морфологическим особенностям клетки. Сравнительный анализ данных гибридологического и цитологического методов фактически означал новый подход к изучению явлений наследственности и изменчивости, основное содержание которого состояло в исследовании феномена наследственности как некоторого структурного образования.

Экспериментальное обоснование вейсмановской идеи о хромосомной локализации наследственной субстанции, осуществленное в новых условиях и на новом цитологическом материале Морганом и его школой, привело к существенному повороту в познании материальных основ наследственности и в развитии самой концепции гена. Это означало создание предпосылок для действительного экспериментального исследования материальных основ наследственности, обобщенного в хромосомной теории наследственности. С этой исходной позиции и началось теоретическое оформление концепции гена, получившего структурную интерпретацию, утвердившуюся в генетике на длительное время. Показав связь генов с внутриклеточными процесса-ми (делением клетки, гаметогенозом и оплодотворением), Морган заложил основы учения о генетической детерминации онтогенеза. Формирование этой концепции осуществлялось в процессе конкретизации общих, первоначально умозрительных, представлений о материальной природе наследственного фактора, установления генетической структуры хромосом, порядка расположения в них отдельных генов.

Хромосомная теория наследственности подтвердила предположения, которые высказали Ру (при качественном методическом делении составляющие хромосому хроматиновые зерна располагаются в строго линейной последовательности), Корренс (аллеломорфные задатки, лежащие в линейном порядке вдоль хромосомы, располагаются друг против друга, что обеспечивает их обмен путем вращения вокруг общей оси), де Фриз (отдельные задатки лежат в вытянутых нитях хромосом в одинаковой последовательности друг против друга, что создает возможность их обмена), Иогансен (учение о генотипе и фенотипе) и др., дав строгое теоретическое объяснение законам Менделя. Его суть сводится к следующему. Единицами наследственности являются гены, передающиеся потомству. Ген представляет собой участок хромосомы. Гены в хромосомах расположены линейно и сцеплены между собой. Преемственность признаков и свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью хромосом, способных к точному воспроизведению.

В строгом смысле выражения о передаче признаков, как таковых, по наследству, о расщеплении признаков, их независимом комбинировании сейчас считаются некорректными, поскольку признаки организма представляют собой не мозаику отдельностей, а единое целое, возникающих в результате развития в конкретных условиях внешней среды. За конкретный признак (морфологический, функциональный) ответственна пара генов (аллелей), локализованных в «идентичных местах» (по выражению Моргана) двух гомологичных (парных — отцовской и материнской) хромосом. Гены, расположенные в разных хромосомах, наследуются независимо друг от друга (как, например, гены, ответственные за цвет и форму семян садового гороха). Гены же, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно — о таких генах говорят, что они сцеплены. Хромосомы способны обмениваться между собой гомологичными участками — данное явление получило название кроссинговера.

Сэттон установил, что наблюдаемое поведение хромосом соответствует поведению генов, которое было постулировано Менделем. Хромосомы и гены в клетках взрослых особей спарены, в гаметах переходят в неспаренное состояние, а в зиготе вновь оказываются парными. Парное и непарное состояния хромосом и генов соответственно обозначаются терминами «дипло-идный» и «гаплоидный». Сэттон пришел к выводу, что ген расположен на хромосоме и что постулированное Менделем поведение гена в процессе наследования отражает реальную механику передачи хромосом от поколения к поколению. Из данного вывода следовало: либо хромосомы идентичны генам, либо гены являются составной частью хромосомы. Оказалось, что гены являются составной частью хромосом, причем некоторые гены должны быть сцеплены в одной и той же хромосоме. Результаты и предположения Сэттона, опубликованные в 1908 году, были подтверждены Морганом и его группой (в составе Стертеванта, Бриджеса и Меллера), которым и принадлежит разработка хромосомной концепции наследственности в том виде, в каком она принята в настоящее время.

Предсказанное Сэттоном сцепление генов не оказалось полным — сцепленные гены могли рекомбинировать. Каждая пара сцепленных генов рекомбинирует с постоянной частотой, характерной для данной пары. У одних пар частота рекомбинации выше, у других — ниже. Оказалось также, что рекомбинации имеют особенность — значение частот рекомбинации сцепленных генов аддитивны: если ген, А (определяющий некоторый признак а) сцеплен с генами В и С (определяющими соответственно признаки в и с), то частота рекомбинации между генами, А и С оказывается равной либо сумме, либо разности частот рекомбинации В — С и, А — В. Существование строго определенных значений частоты рекомбинации для каждой пары сцепленных генов можно объяснить, исходя из предположения, что частота рекомбинации зависит от расстояния между генами — вероятность рекомбинации тем выше, чем больше это расстояние. Наблюдения показывают, что на ранней стадии мейоза сходные (гомологичные) хромосомы объединяются друг с другом таким образом, что гены одной хромосомы расположены напротив своих сходных генов на другой хромосоме. Если предположить, что на данной стадии тесного спаривания (синапсиса) между гомологичными хромосомами происходит физический обмен их составными частями, то в этом случае имела бы место рекомбинация сцепленных генов, при этом вероятность осуществления обмена в данной области хромосомы тем выше, чем протя-женнее эта область. Данная модель рекомбинации исходит из предположения о том, что физи-ческие обмены осуществляются на той стадии мейоза, на которой видны в обычный световой микроскоп гомологичные хромосомы в состоянии синапсиса. Данное предположение может оказаться неверным. Но независимо от того, какова физическая основа рекомбинации сцепленных генов, наблюдаемая аддитивность частей рекомбинации выражает сцепление в виде генетических расстояний (которые в точности не соответствуют физическим расстояниям).

Хотя представление о рекомбинации сцепленных генов гипотетично, классическая генетика подтвердила правомочность хромосомной концепции наследственности и обосновала идею о том, что рекомбинация сцепленных генов сопровождается физическим обменом между хромо-сомами. Правомочность хромосомной концепции наследственности подтверждается вытекающими из нее следствиями. К числу наиболее важных из них относятся следующие.

Первое: число групп сцепленных генов равно гаплоидному числу хромосом.

Второе: характер передачи генов от поколения к поколению отражает особенность в поведении хромосомы, которая несет этот ген.

У многих размножающихся половым путем видов одна пара хромосом отличается от остальных тем, что гены этой пары (половые хромосомы Х и У) не полностью гомологичны морфологически или по набору генов. Пара Х — У имеется только у одного из полов (у человека только у мужчины), Х — Х у другого пола (только у женщины). Можно точно предсказать последствия передачи генов Х — хромосомы мужским и женским особям. Поскольку мужчины получают Х — хромосомы лишь от матери, то рецессивные признаки матери, гетерозиготной по генам Х — хромосомы, проявляются в фенотипе у половины ее сыновей. В случае нерасхождения хромосом, когда гомологичные хромосомы не расходятся в мейозе и потому часть гамет получает по две копии хромосом какого-либо одного типа, состояние хромосом выявляется ци-тологически, что позволяет предсказать изменение генотипа в случае нерасхождения. Что же касается обоснования того, что рекомбинация сцепленных генов сопровождается физическим обменом между хромосомами, то это было подтверждено экспериментально К. Штерном. Оказалось, что в случае разрыва хромосом, когда оторванные части отходят друг от друга на определенное расстояние, они могут присоединиться к другим негомологичным хромосомам, также оказавшимися разорванными. (Это явление было названо транслокацией.) Результатом транслокации и является образование нового типа хромосом.