Наследственность и изменчивость организмов

Введение в генетику. История развития генетики

Одной из основных особенностей живой материи является способность живых систем разного уровня организации (макромолекул ДНК, клеток, организмов, видов, биоценозов — см. 1.3) воспроизводить определенные характеристики в потомстве. Благодаря смене поколений обеспечивается непрерывность жизни. Длительное существование на Земле биоценозов в меняющихся условиях становится возможным благодаря возникновению новых и исчезновению прежних видов в ходе эволюции. Любой биологический вид существует достаточно долгое время, значительно превышающее продолжительность жизни отдельных особей, благодаря смене их поколений. Длительная жизнь организма обеспечивается постоянным возобновлением составляющих его клеток в ходе их деления.

Поддержание постоянных характеристик в процессе самовоспроизведения живых систем обеспечивается важнейшим свойством жизни — наследственностью.

На онтогенетическом уровне организации живой материи наследственность — это свойство организмов передавать в процессе размножения дочернему поколению способность к определенному типу индивидуального развития, в ходе которого у потомства возникают признаки, присущие особям данного вида, а также воспроизводятся некоторые индивидуальные особенности родителей. Кишечная палочка, развиваясь на питательной среде, образует колонию себе подобных бактерий; амеба делится пополам и дает дочерние амебы, сходные с материнским организмом; из семян тополя вырастает тополь, а не липа; из куриного яйца на свет появляется цыпленок, а не утенок; из половых клеток собаки развивается щенок, а не котенок; у человека рождается человек. Организм нового поколения, не только сформировавшись, характеризуется признаками, присущими данному виду, но и сам процесс его развития осуществляется так, как это свойственно особям его вида.

Итак, наследственность обеспечивает видовое сходство организмов в ряду поколений, а также воспроизведение у дочерних организмов некоторых индивидуальных особенностей родителей.

Другим общим свойством жизни является изменчивость — способность живых систем разного уровня организации приобретать в ходе существования изменения, порождающие их разнообразие.

На онтогенетическом уровне организации жизни изменчивость проявляется в возникновении индивидуальных различий между особями одного и того же и разных поколений вида в результате появления у них изменений отдельных признаков. В колонии, образуемой кишечной палочкой, могут появляться отдельные дочерние бактерии, которые отличаются от других представителей колонии и от материнской клетки теми или иными свойствами, например способностью расщеплять определенные углеводы. Из семян одного и того же растения могут появляться потомки, различающиеся размерами органов, окраской лепестков, урожайностью и т. д. У человека дети одной и той же родительской пары при значительном сходстве могут существенно отличаться друг от друга по ряду признаков: полу (братья и сестры), росту, цвету волос, глаз, группе крови и т. д.

Следовательно, благодаря изменчивости в пределах вида наблюдается большое разнообразие особей по самым разным признакам. Именно изменчивость обусловливает индивидуальные особенности организмов одного вида, по которым их можно отличить друг от друга.

Таким образом, диалектическое единство двух противоположных свойств жизни — наследственности и изменчивости приводит, с одной стороны, к воспроизведению в ряду поколений организмов определенных видовых характеристик, а с другой стороны, к разнообразию индивидуальных признаков у представителей одного и того же вида. Благодаря единству этих свойств жизни виды, существующие на Земле, с одной стороны, остаются неизменными на протяжении продолжительного времени, а с другой — способны эволюционировать, давая новые формы.

Наследственность и изменчивость как важнейшие свойства жизни являются предметом изучения генетики. Генетика — это раздел биологии, изучающий материальные основы наследственности и изменчивости, а также закономерности наследования и изменения признаков в ряду поколений живых систем разного уровня организации.

Интерес человека к проблемам наследственности и изменчивости возник очень давно в связи с разведением домашних животных и культурных растений, а также в связи с медицинской практикой. В этих областях своей деятельности человек столкнулся с тем, что свойства потомства зависят от свойств родительских организмов. Стремясь проследить передачу определенных признаков в ряду поколений организмов, человек начал составлять родословные, в которых отмечал все организмы, несущие данный признак, и их родственные отношения. Так зародился метод генетических исследований, названный генеалогическим или методом составления родословных.

Для сознательной, научно обоснованной деятельности по выведению новых пород и сортов необходимо было знание закономерностей наследования и изменения признаков. Начало научному подходу к решению проблем наследственности и изменчивости положили работы чешского исследователя монаха Августинского монастыря в г. Брно Яна Грегора Менделя (1822—1884), который по праву считается основоположником генетики. В своих исследованиях Г. Мендель использовал разработанный им гибридологический метод генетического анализа и сделал важные выводы о свойствах наследственного материала, передаваемого через половые клетки от родителей детям. Он гениально предсказал основные свойства этого материала: дискретность организации (наследственный материал представлен отдельными частицами — задатками), аллель- ность единиц наследственности (парность наследственных задатков у каждого организма), чистоту гамет (одинарность набора наследственных задатков в гаметах). Помимо этих важнейших выводов, которые легли в основу теории наследственности, Г. Мендель открыл и сформулировал целый ряд закономерностей наследования признаков. Результаты исследований Г. Менделя были опубликованы в 1866 г. в статье «Опыты над растительными гибридами». Однако гениальные предвидения чешского ученого не были по достоинству оценены современниками.

В последней четверти XIX в. в цитологии накопились сведения, позволившие дать материалистическое обоснование выводам Г. Менделя. В 1875 г. О. Гертвигом было открыто явление оплодотворения как слияние двух ядер — сперматозоида и яйцеклетки. В конце 70-х годов XIX в. было описано непрямое деление клеток, которое Флемминг назвал митозом. Вальдейер в 1890 г. описал главные особенности митоза, заключающиеся в образовании в ядре нитевидных структур — хромосом и закономерном распределении их между ядрами дочерних клеток.

Поразительное соответствие между поведением хромосом при образовании гамет и закономерностями передачи признаков в ряду поколений организмов позволило признать хромосомы основными носителями наследственных задатков. Таким образом, законы наследования признаков, открытые Менделем, получили обоснование в поведении хромосом при созревании гамет и их оплодотворении. Однако значение его исследований было по-настоящему признано, когда в 1900 г. одновременно тремя учеными — Г. Де Фризом, К. Корренсом и К. Чер- маком на разных растительных объектах были получены сходные результаты, подтвердившие правильность выводов Г. Менделя. Годом рождения генетики как науки стал 1900 г.

Г. Мендель (1822—1884)

В первые десятилетия XX в. проводилось дальнейшее изучение законов наследования признаков как у растений, так и у животных. Большой вклад в развитие генетики сделан американским исследователем Т. Морганом и его сотрудниками. Т. Моргану (1866—1945) принадлежит заслуга создания хромосомной теории наследственности (1911—1920). Главным в этой теории является признание за хромосомами роли основных носителей единиц наследственности — генов (термин «ген» введен в 1909 г. Иогансоном и соответствует наследственному задатку по Г. Менделю).

Т. X. Морган (1866—1945)

Наряду с закономерностями наследования признаков в ряду поколений организмов человека издавна интересовали причины появления внезапных изменений признаков, которые сохранялись даже в потомстве. Еще несколько веков назад были замечены случаи скачкообразного изменения некоторых свойств живых организмов. Например, в конце XVII в. в Новой Англии появилась овца с очень короткими ногами, которая стала родоначальницей породы анконских овец.

Ч. Дарвин придавал большое значение таким изменениям в эволюции. В начале XX в. в результате многочисленных исследований в этой области Г. Де Фриз разработал основные положения мутационной теории (1900—1903). В настоящее время под термином «мутация» понимают внезапное стойкое изменение в наследственном материале клетки (организма), передающееся из поколения в поколение и определенным образом влияющее на развитие того или иного признака. Установлено, что причиной мутации является действие факторов среды — мутагенов, которые в естественных условиях обеспечивают относительно невысокую частоту мутаций. Большой вклад в развитие теории мутагенеза сделан Г. Меллером, открывшим мутагенный эффект рентгеновских лучей, а также отечественными исследователями Г. С. Филипповым, А. С. Серебровским и др., установившими зависимость частоты мутаций от дозы мутагенного фактора. Большие возможности для изучения мутационного процесса открыл цитогенетический метод исследований, который используется также для изучения нормальной структуры хромосом и их набора (кариотипа) и для диагностики некоторых наследственных заболеваний у человека.

Существенный вклад в изучение изменчивости сделан отечественным ученым Н. И. Вавиловым, открывшим закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости (1922) и создавшим учение об исходном материале для селекции.

Н. И. Вавилов (1887—1943)

Развитие биохимии и привлечение биохимических методов к решению вопросов генетики позволили высказать предположение, что вещество наследственности должно быть представлено макромолекулами (Кольцов Н. К., 1927). Постепенное накопление сведений, доказывающих ведущую роль ДНК в передаче наследственных свойств, пробудило интерес исследователей к этому соединению. В 1953 г. Уотсон и Крик предложили модель ДНК, которая удивительно соответствовала выполнению ею основных функций вещества наследственности. После установления химической природы этого вещества был открыт способ записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот с помощью триплетного кода, а в начале 60-х годов XX в. в работах Ниренберга и Очоа биологический код был полностью расшифрован.

В настоящее время генетика заняла ведущее место среди биологических наук, стала теоретической основой селекции и медицины. Ее достижения позволяют ученым по-новому взглянуть на пути эволюции жизни на Земле. Для понимания сущности процессов исторического развития важно познать генетические процессы, протекающие в популяциях организмов, которые изучаются генетикой популяций с применением популяционно-статистического метода. Большой вклад в развитие генетики популяций и современной теории эволюции сделали английский математик Г. Харди, немецкий врач В. Вайнберг, отечественные ученые С. С. Четвериков, И. И. Шмальгаузен и др.

Широко развернувшиеся в последние десятилетия исследования структуры и функций гена, выяснение вопросов регуляции генной активности дадут возможность глубже проникнуть в тайны наследственности и изменчивости. Первые успешные шаги в области генной инженерии, т. е. искусственного создания наследственных свойств организмов путем включения чужеродных наследственных задатков или изъятия некоторых собственных генов, открывают заманчивые перспективы сознательного, научно обоснованного управления наследственностью и изменчивостью.

Ж it

Наследственность и изменчивость — это важнейшие свойства жизни, изучением которых занимается генетика. Наследственность обеспечивает сходство, а изменчивость — разнообразие живых систем в каждом поколении и при их смене.

В своем развитии генетика прошла три этапа. На каждом из них формировались определенные представления человека о структуре наследственного материала и о закономерностях наследования и изменения признаков.

Первый этап — выявление основных закономерностей наследования признаков и первых предположений об организации наследственного материала. Этот этап связан с разработкой Г. Менделем основ гибридологического анализа, позволившего сделать вывод о дискретности материала наследственности, аллельности единиц наследственности и о генетической чистоте гамет.

Второй этап — это этап развития цитологии, накопления фактов, приведших к признанию в качестве главных носителей наследственных задатков особых ядерных структур — хромосом. На этом этапе Т. Морган создает хромосомную теорию наследственности, которая дает цитологическое обоснование законам наследования признаков.

Третий этап — применение биохимических методов и микроорганизмов в генетических исследованиях. На этом этапе получены неоспоримые доказательства ведущей роли ДНК в явлениях наследственности и изменчивости, определена физико-химическая структура молекулы ДНК, расшифрован биологический код. В настоящее время главное внимание обращено на изучение тонкого строения и функций гена, вопросов регуляции генной активности. Интенсивно изучается мутационный процесс, разрабатываются методы генной инженерии с целью искусственного изменения наследственных свойств в нужном человеку направлении.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. Что такое наследственность и изменчивость?
  • 2. Что такое генетика? Ее предмет, задачи.
  • 3. Какие методы используются при генетических исследованиях?
  • 4. Кто является основоположником генетики?
  • 5. Какие этапы в развитии генетики можно выделить? С именами каких исследователей они связаны?
  • 6. Какими свойствами характеризуется материал наследственности? Кто впервые высказал предположение об этих свойствах?
  • 7. В каких клеточных структурах в основном сосредоточены наследственные задатки или гены?
  • 8. Какова химическая природа генов?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >