ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ: ПРЕДМЕТ И ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГЕНЕТИКИ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ. ГЛАВНЕЙШИЕ ЗАДАЧИ.

1. Введение

2. Предмет генетики

3. Основные этапы развития генетики

4. Основные задачи генетики

Едва ли какая-нибудь другая из наук о живой природе может стремительностью развития, точностью обобщений и глубиной влияния на прочие разделы биологии сравниться с генетикой – наукой о наследственности и изменчивости организмов. А поскольку эти универсальные свойства живого теснейшим образом связаны с процессами, лежащими в основе всякой жизнедеятельности, то прогресс генетических знаний в большей степени способствовал решению многих проблем, касающихся сущности жизни. Генетика сыграла выдающуюся роль в разработке эволюционного учения, она послужила корнем, из которого возникла и развивалась молекулярная биология. Без преувеличения можно сказать, что генетика занимает сейчас в общей биологии центральное место. Очень велико и практическое значение генетики, она служит научной основой селекции полезных микроорганизмов, культурных растений и домашних животных, способствует успехам медицины. Всё это делает знакомство с главными положениями современной генетики необходимым для плодотворной работы в любой области биологии, во многих отраслях сельского хозяйства и медицины, нужно оно и для правильного понимания ряда узловых вопросов философии естествознания.

Проникновение в сущность молекулярных основ процессов жизнедеятельности в наши дни открыло такие перспективы управления наследственностью с целью создания новых форм животных, растений и микроорганизмов, о которых нельзя было и мечтать в недалёком прошлом.

За последние 30 лет генетика преобразовалась под влиянием успехов учения о молекулярных основах наследственности и изменчивости.

Предмет генетики. Генетика изучает два свойства органических форм – наследственность и изменчивость. Наследственность обеспечивает материальную и функциональную преемственность между поколениями организмов, проявляющуюся в непрерывности живой материи при смене поколений. Обеспечение преемственности свойств является одной из сторон наследственности, другая – обеспечение точной передачи специфичного для каждого организма типа развития, становления в ходе онтогенеза определённых признаков и свойств, определённого типа биосинтеза и обмена веществ. Материальной основой наследственности являются все элементы клетки, обладающие свойством воспроизводить себя и распределяться по дочерним клеткам в процессе деления. Особенно важную роль играют процессы воспроизведения и распределения специфических структур ядра клетки – хромосом.

В понятие наследственности входит свойство генов детерминировать построение специфической белковой молекулы и развитие признака. Понятие наследования отражает наличие процесса передачи информации от одного поколения другому. Под наследственностью понимают всё механизмы передачи информации в ряду поколений.

Итак, наследственностью называют свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обусловливать специфический характер индивидуального развития в определённых условиях внешней среды.

Наряду с явлением наследственности в предмет исследования генетики входит изучение процесса изменчивости. Изменчивость является свойством, противоположным наследственности; она заключается в изменении наследственных задатков – генов и в изменении их проявления в процессе развития организмов.

Существуют различные типы изменчивости. Изменение свойств и признаков организма может быть обусловлено изменением одного или нескольких генов под влиянием условий среды. Такие изменения называются мутациями.

Изменчивость может быть обусловлена сочетанием различных генов, новая комбинация которых приводит к изменению определённых признаков и свойств организма (комбинативная изменчивость). Развитие организма всегда совершается в определённых условиях среды, причём в зависимости от различий конкретных условий развития проявление действия гена может изменяться. Такая изменчивость в проявлении генов в зависимости от варьирования условий среды называется модификационной изменчивостью. Конкретная флуктуация признака не наследуется; однако, пределы модификационной изменчивости (норма реакции) организма определяется его наследственностью.

Наследственность является процессом, обеспечивающим сохранение не только сходства, но и различий организмов в ряду поколений. Эти наследственные различия возникают в силу изменчивости наследственных признаков. Поэтому наследственность и изменчивость являются двумя сторонами, характеризующими эволюцию органических форм.

Основные этапы развития генетики.Первые идеи о механизме наследственности высказали ещё древнегреческие учёные – Демокрит, Гиппократ, Платон, Аристотель. Гиппократ полагал, что яйцеклетки и сперма формируются при участии всех частей организма и что признаки родителей непосредственно передаются потомкам. Эту гипотезу в целом принял Аристотель, взгляды которого по разным вопросам философии и естествознания господствовали на протяжении всего средневекового периода в Европе. Автор первой научной теории эволюции Ж.Б.Ламарк также воспользовался идеями древнегреческих учёных для объяснения постулированного им на рубеже XVIII-XIX вв. принципа передачи приобретённых в течение жизни индивидума новых признаков потомству.

В 80-х годах прошлого века теорию пангенезиса и саму идею о наследовании благоприобретённых признаков резкой критике подверг А.Вейсман (1834-1914). Вейсман принял и развил идею, согласно которой наследственный материал сосредоточен в ядерной субстанции клеток или в хромосомах. Если учесть, что о поведении хромосом в митозе и мейозе к концу XIX в. было уже довольно много известно, то не удивительно, что теория Вейсмана о зародышевой плазме во многом подготовила биологов к необходимости коренного пересмотра взглядов на наследственность сразу после вторичного открытия законов Менделя.

Годом рождения генетики считается 1900-й; она ровесница XX в. Известно, что становлению генетики как самостоятельной области биологии предшествовало необычное в истории науки событие. Фактически основные законы генетики были открыты в 1865 г. Г.Менделем. Однако, на протяжении последующих 35 лет они остались неизвестными большинству биологов, в том числе и Дарвину. Вместе с тем у Менделя были предшественники-экспериментаторы. В их числе О.Сажрэ, И.Г.Кельрейтер, Т.Э.Найт, Ш.Ноден, Дж. Госс. Они наблюдали и факты доминирования, и расщепление признаков родителей в потомстве, но их опыты не отличались той глубокой продуманностью и целенаправленностью, которые были характерны для исследований Менделя, в них отсутствовал строгий количественный учёт результатов.

Вторичное открытие законов Менделя принадлежит трём учёным – Г. де Фризу (Голландия), К.Корренсу (Германия), Э.Чермаку (Австрия). Практически они одновременно получили факты, полностью подтверждающие закономерности наследования признаков, открытые Менделем на горохе. Приоритет Менделя вскоре был восстановлен, и последующее десятилетие в истории генетики с полным правом может быть охарактеризовано как период торжества менделизма. Название новой науки – генетика – было предложено в 1906 г. английским учёным В.Бэтсоном (от латинского genetikos – относящийся к происхождению, рождению). Датчанин В.Иоганнсен в 1909 г. утвердил в биологической литературе такие принципиально важные понятия, как ген (от греческого genos – род, рождение, происхождение), генотип, фенотип. На этом этапе истории генетики была принята и получила дальнейшее развитие менделевская, по существу умозрительная, концепция гена как материальной единицы наследственности, ответственной за передачу отдельных признаков в ряду поколений организмов. Тогда же голландский учёный Г. де Фриз (1901) выдвинул теорию изменчивости, основанную на представлении о скачкообразности изменений наследственных свойств в результате мутаций.

Этот этап (с 1900 г. ~ до 1912 г.) – период триумфального шествия менделизма, утверждения открытых Менделем законов наследственности гибридологическими опытами, проведенными в разных странах на высших растениях и животных (лабораторных грызунах, курах, бабочках и др.), в результате чего выяснилось, что законы эти имеют универсальный характер. В течение немногих лет генетика оформилась как самостоятельная биологическая дисциплина и получила широкое признание.

Главной отличительной чертой второго этапа истории генетики (~ 1912 до 1925 г.) было создание и утверждение хромосомной теории наследственности. Ведущую роль в этом сыграли экспериментальные работы американского генетика Т.Моргана (1861-1945) и трёх его учеников – А.Стертеванта, К.Бриджеса, Г.Меллера, проведённые на плодовой мушке дрозофиле , которая благодаря ряду своих свойств (удобству содержания в лаборатории, быстроте размножения, высокой плодовитости, малому числу хромосом) стала с тех пор излюбленным объектом генетических исследований. Блестящие работы Моргана, подтверждённые затем в других лабораториях и на других объектах, показали, что наследственные задатки – гены – лежат в хромосомах клетки ядра и что передача наследственных признаков определяется судьбой хромосом при созревании половых клеток при оплодотворении. Вывод этот подтверждался двумя методами – гибридологическим и цитологическим, дававшими согласные взаимно подтверждающие результаты. Генетические работы школы Моргана показали возможность строить карты хромосом с указанием точного расположения там разных генов (первую карту составил в 1913 г. Стертевант для одной из хромосом дрозофилы). На основе хромосомной теории наследственности был выяснен и доказан хромосомный механизм определения пола – главные заслуги в этом принадлежали Моргану и американскому цитологу Э.Вильсону. Не только всё дальнейшее развитие генетики проходило в свете этой теории, но она оказала глубокое влияние на другие биологические дисциплины – цитологию, эмбриологию, биохимию, эволюционное учение, а позже послужила одной из главных предпосылок зарождения и становления современной молекулярной биологии.

Третий этап истории генетики (~ 1925 – 1940 г.) ознаменован в первую очередь открытием возможности искусственно вызвать мутации. До тех пор существовала ошибочная концепция, что мутации возникают в организме самопроизвольно, под влиянием каких-то чисто внутренних причин.

Первые данные о том, что мутации можно вызвать искусственно были получены в 1925 г. в СССР Г.А.Надсоном и Г.С.Филипповым в опытах по облучению дрожжей радием, а решающие доказательства возможности экспериментального получения мутаций дали в 1927 г. опыты Г.Меллера (1890-1967 гг.) по воздействию на дрозофилу рентгеновских лучей. Работа Меллера вызвала огромное число экспериментальных исследований, проводившихся на разных объектах и быстро показавших, что ионизирующие излучения обладают универсальным мутагенным действием. Затем было обнаружено, что ультрафиолетовые лучи тоже могут вызывать мутации и что этой способностью, хотя и в слабой степени, обладает высокая температура. Вскоре появились сведения о том, что мутации можно вызвать химическими веществами.

Наиболее характерными чертами четвёртого этапа истории генетики (1940-1955) было развитие работ по генетике физиологических и биохимических признаков и вовлечение в круг генетического эксперимента микроорганизмов и вирусов, что повысило разрешающую способность генетического анализа. Изучение биохимических процессов, лежащих в основе формирования наследственных признаков разных организмов, пролило свет на то, как действуют гены и, в частности, привело к важному обобщению, сделанному американскими генетиками Дж. Бидлом и Э.Тэтумом, согласно которого всякий ген определяет синтез в организме одного фермента (эта формула: «один ген – один фермент» впоследствии: «один ген – один белок»).

Очень большое значение имело выяснение в 1944 г. американского генетика О.Эвери с сотрудниками природы генетической трансформации у бактерий. Исключительное значение для развития молекулярной биологии и генетики имела расшифровка строения молекулы ДНК Дж.Уотсоном и Ф.Криком на основе её химических и рентгеноструктурных исследований. Предложенная ими модель двойной спирали ДНК объяснила такие фундаментальные свойства генетического материала, как способность к репликации, мутированию, кодированию наследственной информации.

Большие успехи были достигнуты в генетических и цитологических исследованиях различных наследственных болезней человека, сложилось и окрепло новое направление медицинской генетики, ставящее основной целью профилактику наследственных дефектов человека. Получили развитие работы по генетике природных популяций, особенно интенсивно они проводились в СССР Н.П.Дубининым и С.М.Гершензоном, в США Ф.Добржанским с сотрудниками.

В эти же годы появились первые высокопродуктивные сорта культурных растений, созданные на основе мутаций, были широко внедрены в сельскохозяйственную практику генетические методы, использования гибридной мощности, особенно у кукурузы и шелкопряда.

Однако в конце 40-х годов в Советском Союзе получили широкое распространение взгляды Т.Д.Лысенко, нацело отрицающие законы Менделя, хромосомную теорию наследственности, учение о мутациях, а также ряд основных положений дарвинизма. Генетические исследования в СССР оказались заторможенными, прекратилась подготовка кадров, не издавалась литература по генетике. Возрождение генетики в СССР началось только в конце 1950-х годов, когда советская биология освободилась от господства неверных воззрений Лысенко.

Для последнего современного этапа истории генетики, начавшегося приблизительно в середине 1950-х г., наиболее характерно исследование генетических явлений на молекулярном уровне благодаря внедрению в генетику новых химических, физических, математических подходов и методов, совершенных приборов и сложных реактивов.

В результате беспрецедентно быстрого прогресса в области молекулярной биологии и молекулярной генетики, появления в последнее десятилетие принципиально новых методов манипулирования с генетическим материалом, положивших начало генетической инженерии, был полностью раскрыт генетический код (в этой расшифровке большую роль сыграли работы Крика и его сотрудников в Англии, С.Очоа и М.Ниренберга в Америке), удалось выделить отдельные гены и установить их нуклеиновую последовательность, понять тонкое строение генов различных про – эукариотов, изучить принципы регуляции генной активности. В 1969 г. в США Г.Корана с сотрудниками синтезировали химическим путём вне организма первый простой по своей структуре ген (один из генов дрожжей), а в начале 1970-х годов в ряде американских лабораторий, а затем в лабораториях других стран, в том числе в СССР, иным способом – с помощью особых ферментов – были синтезированы вне организма много гораздо более крупных и сложноустроенных генов про- и эукариотов.

Благодаря совершенствованию методов переноса генов между разными организмами и их экспрессии в новых хозяевах закладываются основы для получения новых сортов растений, пород животных, генотерапии наследственных заболеваний у человека. Современная генетика не только ставит и решает фундаментальные проблемы организации живой материи; её методы активно используют в осуществлении продовольственной, экологической, космической и иных глобальных программ человека.

Основные задачи генетики.Генетика преследует цели двоякого рода: во-первых, познание закономерностей наследственности и изменчивости и, во-вторых, изыскание путей практического использования этих закономерностей. Оба направления тесно связаны между собой: решение практических задач основывается на заключениях, полученных при изучении теоретических генетических проблем, и в то же время нередко доставляет фактические данные, важные для расширения и углубления теоретических представлений.

У большинства видов живых существ материальным мостиком, связывающим два поколения, служат мужская и женская половые клетки, сливающиеся при оплодотворении. В этих клетках заключены сведения, определяющие сходство потомков с родителями. В то же время наблюдается изменчивость, вследствие чего потомки обычно в той или иной степени отличаются от родителей и друг от друга.

Таким образом, от одного поколения к другому через половые клетки передаётся (хотя и несколько в искаженном виду) информация о всех тех многообразных морфологических, физиологических и биохимических признаках, которые должны реализоваться у потомков. Исходя из такого кибернетического характера генетических процессов, удобно следующим образом сформулировать четыре основные теоретические пробелемы, исследуемые генетикой.

1. Проблема хранения генетической информации. Изучается, в каких материальных структурах клетки заключена генетическая информация и каким образом она закодирована.

2. Проблема передачи генетической информации. Изучаются механизмы и закономерности передачи генетической информации от клетки к клетке и от поколения к поколению.

3. Проблема реализации генетической информации. Изучается, как генетическая информация воплощается в конкретных признаках развивающегося организма, взаимодействуя при этом с влияниями окружающей среды (феногенетика).

4. Проблема изменения генетической информации. Изучаются типы и причины изменений, которым подвергается генетическая информация, и механизмы их возникновения.

Все эти проблемы изучаются генетикой на разных уровнях – молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Заключения, полученные при изучении теоретических проблем наследственности и изменчивости, служат основой для решения стоящих перед генетикой практических задач, главные из которых следующие:

1. Использование достижений генетики для выбора наилучших типов скрещивания.

2. Использование достижений генетики для выбора наиболее эффективных способов отбора.

3. Использование достижений генетики для управления развитием наследственных признаков.

4. Использование достижений генетики в области изучения мутаций.

Вопросы

1. Что такое генетика?

2. Что такое наследственность и наследование?

3. Какие основные методы генетики Вы знаете?

4. Перечислите основные этапы генетики.

5. Какие основные теоретические и практически задачи генетики?