Наследственность

Растения и животные

Наследственность 

Что такое наследственность? От чего она зависит, чем она определяется? Такой вопрос задает себе каждый человек. Почему дети похо­жи на своих родителей, братья на сестер и т. д.? Почему каждый вид животного или растения на протяжении многих лет сохраняет свои особенности, а каждая порода сельскохозяй­ственных животных или сорт растений пере­дают свои ценные особенности потомству?

Наука, изучающая наследственность, называется генетикой. Это сравнительно молодая наука, хотя вопросами наследственности люди интересовались уже давно.

В середине XIX в. Дарвин, разрабатывая теорию естественного отбора, уделял большое внимание вопросам изменчивости и наследственности и использовал опыт животноводов и растениеводов, разрешая проблему происхождения животных и растений. К этому же времени от­носится и ряд других работ, посвященных изучению явлений наследственности.

Хотя генетика как определенная научная дисциплина оформилась значительно позже, первые попытки разрешения проблемы наследственности относятся именно к середине и отчасти к началу XIX в., когда эти вопросы ставятся в работах Найта, Дарвина, Гертнера, Нодена, Вихура и др. Правда, в этот период удалось достигнуть немногого: был лишь накоплен некоторый материал. Законы наследования еще не были открыты.

Однако уже в этот период было выяснено, что оба родителя в равной мере принимают участие в передаче наследственных особенностей детям, что при скрещивании различных форм в первом поколении получается однородное потомство, а в дальнейших поколениях происходит расщепление.

Еще в конце XIX в. многие ученые-биологи обратили внимание на хромосомы, помещающиеся в ядре клетки (см. ст. «Клеточное строение растений и животных»). Казалось поразительным, что каждому виду животных или растений свойственно определенное число хро­мосом, что при делении клетки хромосомы раздваиваются и каждая дочерняя клетка получает опять полное число хромосом.

Еще в 80-х годах XIX в. крупнейшие ученые того времени, изучавшие клетку (Флеминг, Страсбургер, Ван-Бенеден, Ру и др.), пришли к заключению, что с хромосомами связана передача потомству наследственных признаков. Современная наука подтвердила их выводы. Для этого потребовались упорная работа ученых и разработка новых методов исследований.

Первые эксперименты с изучением наследственности были проведены и опубликованы еще в 1865 г. выдающимся чешским ученым Грегором Менделем, но широкому кругу ученых эти опыты стали известны только в начале XX в., после того как многие био­логи провели подобные опыты на самых различных животных и растениях. Приведем для примера результат опыта, проведенного австрийским ученым Корренсом с садовым растением ночная красавица. Он скрестил растение с красным цветом венчика с растением, имеющим белый венчик. В первом поколении, полученном от этого скрещивания, все растения имели только розовые цветки. Эти растения в свою очередь были скрещены между собой. Во втором поколении наблюдалась на первый взгляд неожиданная картина: здесь были растения с красными, с розовыми и с белыми цветками. Причем когда подсчитали количество расцветок венчиков этого второго, внучатого, поколения, то оказалось, что одна четверть растений имела красные цветки, две четверти — розовые и одна четверть — белые (см. рис.).

Однако следует заметить, что в опытах с другими растениями получались не совсем такие результаты: в первом поколении наблюдались не промежуточные по данному признаку особи, а полностью похожие на одного из родителей. Так, при скрещивании гороха с желтыми и зелеными семенами в первом поколении получались растения только с желтыми семенами, а во втором поколении три четверти было желтых семян и одна четверть зеленых. В этом случае можно сказать, что желтая окраска семян полностью преобладает (доминирует) над зеленой (рецессивной, т. е. уступающей) окраской. У растения ночная красавица, о котором говорилось выше, красная окраска венчика доминирует не полностью (розовые венчики). Во втором же поколении наблюдается расщепление в отношении: три к одному или один к двум, к одному, в зависимости от степени доминирования. Эту закономерность в наследовании называют законом расщепления Менделя.

Приняв за основу хромосомную теорию наследственности, т. е. учение о том, что на­следственный признак определяется хромосо­мами, можно без труда объяснить этот закон. Схема, приведенная здесь, показывает, что крас­ная окраска венчика зависит от парных хро­мосом одного растения, которые окрашены для наглядности черной краской, а белая — от такой же пары хромосом другого растения (на схеме они белого цвета). При образовании половых кле­ток (гамет) число хромосом уменьшается вдвое и каждая зрелая половая клетка получает от каждой пары одну хромосому.

После оплодо­творения число хромосом снова становится пар­ным. На этой же схеме с хромосомами показано, что особи первого поколения (розовые) образуют два типа гамет: одни с хромосомой, несущей ген красного цвета, другие — ген белого цве­та. Далее, при скрещивании между собой особей первого поколения равновозможны различ­ные сочетания этих гамет. В итоге получается, что во втором поколении на одну красную особь приходится две розовые и одна белая. Про­изошло расщепление признаков.

При постановке подобных опытов необходи­мо во втором поколении получать возможно большее потомство, так как половые клетки, образуемые особями первого поколения, раз­личны (красные и белые), и чем больше произой­дет оплодотворений между этими клетками, тем более вероятно ожидаемое эксперимента­торами соотношение в потомстве.

Мы разобрали пример скрещивания у расте­ний, отличающихся одной парой признаков (красный и белый). Но ученые проводили опыты с растениями и животными, в которых скрещиваемые организмы отличались двумя парами или большим количеством признаков. Эти опыты показали, что каждая пара призна­ков (красный — розовый, высокий — низкий) наследуется независимо одна от другой. Впо­следствии, как мы увидим ниже, обнаружилось, что такой результат получается лишь в том слу­чае, если различные пары признаков зависят от генов, расположенных в разных парах хромосом.

* * *

Развитие генетических исследований при­вело к целому ряду важнейших открытий, до­казавших правильность хромосомной теории. С 20-х годов XX в. было проведено боль­шое количество исследований эксперименталь­ного характера генетиками зарубежных стран, а также генетиками СССР.

На разных объектах, и прежде всего на плодовой мушке дрозофиле, изучался процесс возникновения мутаций. Мутациями в генетике называют наследственные изменения. До этого времени мутации были известны в сравнительно небольшом числе; причины их возникновения оставались неясными. Но в эти годы уже широко ставились работы по искус­ственному вызыванию мутаций при помощи внешних воздействий. Зародилась новая ветвь в биологии — радиобиология. Лучи рентгена, ультрафиолетовые лучи и другие виды лучистой энергии стали использоваться для искусствен­ного вызывания мутаций (см. ст. «Действие ра­диации на растение»). Было применено воздей­ствие на организм различных химических фак­торов и т. п. В результате этих исследований было выяснено, что различные мутации связаны с различными изменениями в хромосомах. Назо­вем важнейшие из них:

1. Мутации могут заключаться в изменении числа хромосом. Например, вместо 14 хромосом, характерных для данного вида животного или растения, их может быть в полтора, в два раза больше — 21, 28, или их число благодаря отсут­ствию или присутствию отдельных хромосом может быть любым (12, 13, 15 и т. п.). Такие мутации, при которых число хромосом удва­ивается (28) или увеличивается в полтора раза (21), называются полиплоидными (ди­плоидным числом хромосом называют в гене­тике обычное, или парное, число хромосом).

2. Мутации, заключающиеся в изменении структуры отдельных хромосом. Например, от какой-нибудь хромосомы А отделяется ее часть и прикрепляется к другой, парной ей хромосоме Б или к хромосоме другой пары. Иногда часть хромосомы вовсе теряется (этот вид мутаций часто ведет к нежизнеспособности особи).

3. Самыми интересными мутациями оказа­лись такие, когда никаких видимых изменений ни в числе хромосом, ни в их строении не наблюдается. Ученые правильно предположили, что такие мутации связаны с химическими из­менениями в самих генах

Мутации возникают, как правило, в половых клетках и обнаруживаются поэтому в потомстве особей, подвергшихся влиянию тех или иных внешних факторов. Кроме того, надо иметь в ви­ду, что хромосомы есть почти во всех способных к размножению клетках организма. Поэтому внеш­ние факторы, химические и физические, могут вы­зывать изменения в хромосомах этих клеток, а затем и изменения в тканях, развивающихся из пораженных клеток. Такие мутации называются соматическими (от слова «сома» — тело).

Выдающимся советским генетиком Н. И. Ва­виловым было установлено, что у родственных видов растений часто возникают сходные му­тационные изменения, например, в таких при­знаках, как окраска колоса и остистость у зла­ков. Открытие Н. И. Вавилова получило назва­ние закона гомологических рядов. Эта зако­номерность объясняется сходным составом генов в хромосомах различных видов. На ос­новании закона гомологических рядов можно предвидеть появление тех или иных полезных изменений у культурных растений (см. т. 7 ДЭ, ст. «Николай Иванович Вавилов»).

Работами ученых — Моргана, Меллера, Пайнтера, Дубинина, Астаурова и др.— было доказа­но, что наследственные факторы — гены — раз­мещаются (локализуются) в хромосомах и что они расположены линейно, т. е. в один ряд. Тем самым был установлен факт сцепления генов, расположенных в одной и той же хро­мосоме. Это значит, что если предварительно не произойдет разрыва хромосомы (а это иногда бывает), то гены наследуются зависимо друг от друга.

Путем очень сложных и тонких эксперимен­тов удалось для некоторых животных и расте­ний (дрозофила, куры, кукуруза) установить порядок расположения мутировавших генов. Появились в печати планы и карты хромосом этих организмов.

В 30-х годах генетик Пайнтер предложил новый метод исследования строения хромосом. Дело в том, что у некоторых насекомых в клет­ках слюнных желез (например, в слюнных желе­зах личинок мухи дрозофилы) были обнаружены «гигантские хромосомы», которые представляли собой, по сути дела, целый пучок вытянутых хромосом, хорошо видимых в световой микро­скоп. Наличие пучков объясняется тем, что при росте клеток слюнных желез хромосомы рас­щеплялись по длине (так же как они расщепляются при обычном делении клеток), но ядро и клетка при этом не делились. На препаратах из «гигантских хромосом» гораздо лучше можно было видеть малейшие изменения в хромосо­мах при изучении тех или иных мутаций.

Очень интересной иллюстрацией роли хро­мосом в наследственности может служить на­следование пола, т. е. вопрос о том, почему у животных и человека рождаются особи муж­ского или женского пола. Оказалось, что это зависит от того, что одна пара хромосом не­одинакова у особей мужского и женского по­ла. Рисунок внизу страницы изображает хромо­сомные комплексы самки и самца мухи дрозо­филы. У самки одна из пар хромосом представлена двумя одинаковыми хромосомами, обозначенными на рисунке хх, а у самца соответствующая пара хромосом обозначена ху. У самца одна хромосома такая же, как у самки, а другая особая, отличаю­щаяся даже по форме. Вспомните, что при образовании половых клеток парные хромосомы рас­ходятся.

Отсюда следует, что у самок все яйцевые клетки будут иметь одну х-хромосому, а у самца сперматозоиды будут иметь одну х-хромосому или одну у-хромосому. Если яйцо оплодотворено х-хромосомой, то получится самка, а если у-хромосомой — самец (см. схему наследования пола). В х-хромосомах также расположены гены, которых нет в у-хромосомах.

Если в этих генах произойдет мутация, то они будут на­следоваться зависимо от пола. Так наследуются некоторые болезни человека, например гемо­филия (кровоточивость), дальтонизм — нераз­личение некоторых цветов спектра и др.

К началу второй мировой войны огромное количество исследований доказало правильность хромосомной теории наследственности. Было ясно, что именно хромосомы, а не какие-либо другие части клетки регулируют передачу потом­ству наследственных качеств. Но оставалось выяснить самое главное — химическую структуру хромосом. Какие вещества, входящие в состав хромосом, определяют наследственность и как это происходит? Исследование этих вопросов сопровождалось дальнейшим развитием генетики, ее новыми большими успехами.

Эти успехи зависели от многих причин, и прежде всего от совершенствований методов исследований. Изобретение и применение элек­тронного микроскопа позволило проникнуть в изучение таких деталей в строении клетки, которые ранее не были известны (см. ст. «В нед­рах клетки»). Большое значение имело и то, что возникло крайне полезное содружество генетики с другими науками: микробиологией, биохимией, физикой, математикой, киберне­тикой. Кроме того, совершенствовались одни и применялись другие, новые методы исследо­ваний: использование различных форм лу­чистой энергии, фотографирование в ультрафи­олетовом свете, применение меченых атомов и др. Особое внимание было обращено на строе­ние ядра и хромосом. Посмотрим, каковы же важнейшие открытия последних лет и к каким выводам они привели.

Выяснено, что и в цитоплазме, и в ядре в том или ином количестве всегда находятся так называемые нуклеиновые кислоты. Среди них различают дезоксирибонуклеиновую кислоту, кратко называемую ДНК, и рибонуклеиновые кислоты — РНК. При этом установлено, что ДНК встречается почти только в хромосомах ядра клетки, а РНК — как в ядре, так и в ци­топлазме. Замечательно, что еще в 1910 г. уче­ными был обнаружен интересный факт: в сухом весе сперматозоидов животных, состоящих в основном из ядер, 60%составляет ДНК, 35% — белки и 5% — прочие вещества. А это дока­зывает, что ДНК помещается почти исключи­тельно в ядре клетки.

Исследования показали, что хромосомы со­стоят из белка и молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты. Молекулы ДНК в хромосомах — это довольно крупные полимерные молекулы, состоящие из закономерно повторяющихся зве­ньев (см. т. 3 ДЭ, ст. «Полимеры»). Замечатель­ной особенностью молекул ДНК в хромосомах является их способность к самовоспроизведе­нию (ауторепродукции). Перед каждым деле­нием клетки эти молекулы удваиваются, бла­годаря чему дальнейшие поколения клеток по­лучают такие же молекулы ДНК. Расщепление хромосом при делении клетки неразрывно свя­зано с ауторепродукцией молекул ДНК. Такое самовоспроизведение объясняется тем, что опре­деленные звенья этих молекул как бы притя­гивают к себе находящиеся в цитоплазме и проникающие в ядро «обломки» других молекул.

Далее было выяснено и доказано, что имен­но молекулы ДНК определяют направление развития наследственных качеств организма, или, говоря языком современной науки, заклю­чают в себе всю наследственную ин­формацию.

Основой жизни животного или растения и их клеток являются белки — сложнейшие органические соединения, состоящие из боль­шего или меньшего количества аминокислот. В организме животного и растения много всевозможных белков, имеющих различное функциональное значение. Так, например, в мышечных волокнах заключается белок мио­зин, в эритроцитах — гемоглобин, в поджелу­дочной железе — инсулин и т. п. В процессах обмена веществ огромное значение имеют также разнообразные белки — ферменты (см. ст. «Биохимия — наука о превращениях веществ»).

Синтез, т. е. образование белков, происходит в цитоплазме клетки, а специфиче­ские особенности белков определяются генети­ческой информацией, заключающейся в ДНК хромосом. Если удваивание молекул ДНК происходит за счет других соединений, получае­мых из цитоплазмы, то и синтез белков в цито­плазме происходит под контролем ДНК. В про­цессе синтеза белков принимают участие также молекулы трех различных видов рибонуклеи­новых кислот.

Рибонуклеиновые кислоты отличаются от ДНК тем, что они меньше по размерам и состоят из меньшего количества звеньев, именуемых нуклеотидами (в молекуле ДНК от 15 до 30 тыс. нуклеотидов, в молекуле РНК — лишь 4—6 тыс.). Если посмотреть химический состав названных кислот, то молекула ДНК содержит остатки сахара —дезоксирибозы, а молекула РНК содержит остатки другого сахара — рибозы. Отсюда и название этих кислот.

В процессе синтеза белков одна из рибону­клеиновых кислот активирует аминокислоты, используя энергию, которую вырабатывают в цитоплазме митохондрии (см. ст. «В недрах клетки»). Другая РНК, которую называют информационной, передает от молекул ДНК, находящихся в хромосомах, генетическую информацию в рибосомы цитоплазмы. А здесь под влиянием третьего типа РНК завершается синтез белка.

Процесс синтеза белков как нельзя лучше показывает теснейшую взаимосвязь между био­химическими процессами, происходящими в цитоплазме и в ядре.

Много важнейших открытий за последние годы было сделано исследователями, работающи­ми с микроорганизмами: вирусами, бактериями, низшими грибами. Для примера приведем не­которые факты особо важного значения, от­крытые при исследовании жизнедеятельности так называемых фагов (см. ст. «Микробы»).

На странице 52 показано строение одного из фагов. Он имеет тело грушевидной формы, заканчивающееся небольшим «хвостиком». Стен­ка тела и хвостик состоят из белка. Внутри тела помещается молекула ДНК. Когда фаг нападает на бактерию, он раст­воряет концом хвости­ка оболочку бактерии и сокращением своего те­ла как бы впрыскивает внутрь бактерии моле­кулу ДНК, причем бел­ки, составляющие тело фага, почти не попада­ют внутрь бактерии.

Попавшая внутрь бактерии молекула ДНК фага путем ауторепродукции размно­жается, и под влиянием ее распадаются и раз­рушаются белки и ну­клеиновые кислоты бак­терии. Допустим, что ДНК фага в результате повторной ауторепродукции в теле бактерии образовала несколько молекул. Эти молекулы начинают синтезировать белки за счет «осколков» разрушенных частей тела бактерии, причем синтезируется не бак­териальный белок, а специфичный для данного фага. Образуются молодые фаги, из синтези­рованного белка они строят свое тело соответ­ственно числу молекул ДНК. Тело бактерии разрушается, а молодые фаги готовы для на­падения на другие бактерии.

Открытие биологией размножения фага имеет двоякое значение: 1. Блестяще подтверж­дает исключительную роль ДНК в наследствен­ности. 2. Подчеркивает единство основных жизненных процессов, и прежде всего синтеза специфических белков на всех ступенях орга­нической жизни — от вирусов до человека включительно.

Теперь еще несколько слов о генах. Иссле­дования последних лет выяснили материальную природу генов. Оказалось, что гены представля­ют собой небольшие участки в длинной моле­куле ДНК, причем в одной молекуле могут за­ключаться тысячи таких генов. Каждый из генов определяет тот или иной вид наследствен­ной информации, заключающийся в молекуле ДНК. Так, можно себе представить ген, вызы­вающий гемофилию — кровоточивость у чело­века; ген, от которого зависит устойчивость или неустойчивость к антибиотикам у бактерий; гены, повышающие или понижающие эффектив­ность антибиотиков, и т. п.

Кстати, о генах бактерий. Благодаря воз­можности получения у бактерий под влиянием различных условий разных мутаций, нам известны не только мутировавшие гены, но и по­рядок их расположения в хромосомах. Они рас­положены линейно, так же как располагаются гены в хромосомах кукурузы, дрозофилы и других высших животных и растений.

Успехи генетики как в довоенный период, так и за последние годы имеют огромное прак­тическое значение. В сельском хозяйстве ге­нетика помогает получить более продуктивный скот и более устойчивые к различным неблаго­приятным условиям сорта сельскохозяйствен­ных растений. В медицине она помогает най­ти более эффективно действующие антибио­тики, выяснить причины наследственных за­болеваний и разработать методы профилактики и лечения их.

Рассмотрим некоторые примеры, показы­вающие значение генетической науки для прак­тики. Известными селекционерами Сапегиным, Делоне и др. путем воздействия рентгеновых и ультрафиолетовых лучей были получены сорта пшеницы, устойчивые к засухе, с неполегающи­ми стеблями и более крупным зерном. В. В. Са­харов, М. Е. Лобашев и др. разработали методы получения мутаций путем воздействия различ­ных химических веществ. Воздействуя кол­хицином, В. В. Сахаров получил полиплоид­ную гречиху, отличающуюся более крупными зернами. Лутков (Новосибирск), Турбин (Бе­лоруссия) получили триплоидную свеклу, даю­щую на 20% больше сахара. Американские генетики разработали более эффективный способ получения гибридных семян кукурузы, что зна­чительно повысило ее урожайность. Этот метод в последние годы применяется и в Советском Союзе. Под руководством Д. К. Беляева (Ин­ститут генетики Сибирского отделения Акаде­мии наук СССР) выведены новые породы норок с различной окраской меха (коричневых, го­лубых, бежевых)

Особенно интересны достижения в области получения наиболее эффективных антибиотиков и их продуцентов. (Продуцентом пенициллина, например, является плесневый грибок пеницилл.) Под влиянием различных воздействий на культуру грибка удалось повысить его про­дуктивность в 500 раз.

Недавно получен антибиотик эритромицин, действующий на устойчивые к пенициллину формы возбудителей болезней.

Дальнейшее развитие работ по использова­нию данных современной генетики в селекции и медицине несомненно приведет к еще более значительным успехам.