Исследования ученых-генетиков в области эмбриологии

В конце XIX в. при зарождении экспериментальной эмбриологии, когда создавались первые представления о принципах индивидуального развития, эмбриология, цитология и генетика были неразделимы. Достаточно сказать, что один из основоположников современной генетики, Т.Морган, 20 лет посвятил эмбриологии. Это было время, когда яйцеклетка с ее способностью превратиться в сложную многоклеточную особь, приковывала к себе внимание и цитолога, ибо она по структуре и свойствам мало отличима от любой клетки, и специалиста, интересующегося проблемами наследственности, ибо в яйцеклетке заключены потенции к формированию сложного организма, и эмбриолога, ибо с нее начинается индивидуальное развитие. Научной проблемой, вокруг которой сконцентрировались исследования, была проблема природы, происхождения и локализации в яйцеклетке факторов, которые определяют развитие и дифференцировку множества признаков взрослой особи.

Первой, сугубо абстрактной рабочей концепцией была гипотеза пангенезиса Ч.Дарвина, предложенная им в 1869 г. в книге «Изменение животных и растений в домашнем состоянии». Согласно Дарвину факторы («геммулы»), определяющие будущие признаки, распределены в органах и тканях взрослой особи, откуда стекаются в половые клетки и воспроизводятся при развитии новой особи. Рациональной в этой гипотезе была идея о том, что в половой клетке содержится набор факторов, определяющих все свойства будущего организма. Эта идея стимулировала дальнейшие изыскания, которые, однако, отвергли предложенный Дарвином механизм происхождения этих факторов.

Первым проверил эту гипотезу Ф.Гальтон, который в 1871 г. экспериментально доказал ошибочность предположения об участии органов и тканей в формировании потенций яйцеклетки. Он переливал кровь кроликов с черной окраской кроликам с белой окраской, не получив изменений окраски в потомстве реципиента.

В работах других исследователей основное внимание было сосредоточено на выяснении природы наследственных факторов. На первом этапе, когда цитология еще накапливала фактический материал о строении клетки, в том числе половых клеток (об их образовании, процессе оплодотворения и т.д.), проблема наследственных факторов решалась с абстрактных позиций. В 1884 г. ботаник К.Негели предложил концепцию «идиоплазмы» – гипотетической субстанции, определяющей наследственные потенции. Исходя из посылки, что сперматозоид и яйцо, сильно отличаясь по массе, обладают одинаковыми наследственными потенциями, он пришел к выводу о том, что в половых клетках и всех клетках тела, возникающих из них, существуют два типа веществ: идиоплазма, определяющая наследственность (ее количество одинаково в сперматозоиде и в яйцеклетке), и трофоплазма, играющая роль в процессах питания клетки, ее трофики (считалось, что ее количество в разных клетках может быть неодинаковым).

Эта идея была подхвачена, и вскоре успехи в изучении строения клетки привели к тому, что ядро, точнее хроматин, стал рассматриваться как материальный носитель наследственной субстанции – идиоплазмы. Кстати, одним из тех, кто с отчетливостью установил эту связь, был В.Ру, который в тот период изучал процесс непрямого деления (митоза). В работе «О значении фигур деления ядра» (1884) он указывал на то, что деление – это механизм распределения ядерного материала. Он допускал, что механизм деления способен и к равному, и к неравному распределению хроматинового материала ядра, т.е. наследственной субстанции.

Идея о том, что хроматин ядра – носитель наследственных потенций (идиоплазма), нашла свое место в работах О.Гертвига, Э.Страсбургера (1884), Г. де Фриза и А.Вейсмана. В учении Вейсмана эта идея приобрела наиболее законченную форму, насколько это было возможно в то время. Обобщив достижения предшественников и единомышленников, Вейсман развил ее в своей теории«зародышевой плазмы». В принципе это была та же теория идиоплазмы Негели, но Вейсман довел ее до законченной формы, дополнив целым рядом новых идей. Первая из них – это идея о неравноценности половых и соматических клеток, согласно которой «зародышевая плазма» сосредоточена только в половых клетках, а соматические клетки – лишь продукт ее реализации. Особое место в учении Вейсмана занимает идея о «непрерывности» зародышевой плазмы. Эта идея исходила из двух принципов: 1) зародышевая плазма сосредоточена в хромосомах половых клеток; 2) только часть зародышевой плазмы реализуется в течение индивидуального развития в соматических клетках, остальная часть в неизменном виде передается половым клеткам новой особи и далее – в ряду поколений. Из этой концепции, в частности, следовал вывод о ненаследуемости благоприобретенных признаков, который ближе к сегодняшним представлениям, тогда как предшественники Вейсмана считали, что благоприобретенные признаки наследуются.

Каким же образом зародышевая плазма определяет многочисленные признаки развивающегося организма, его дифференцировку? В этом вопросе Вейсман, как и Ру, большое значение придавал клеточным делениям. Он считал, что существуют два типа делений – «равнонаследственные» и «неравнонаследственные». При втором типе делений наследственное вещество распределяется по дочерним клеткам неравномерно, что создает между ними различия и дифференцирует их. В результате длительной серии неравнонаследственных делений исходный набор наследственных факторов – детерминантов– распределяется в разных клетках. Суть этой идеи, таким образом, состоит в том, что только половая клетка обладает полным набором детерминантов, тогда как в процессе развития в соматические клетки передается все более ограниченная их фракция и, в конечном счете, каждая клетка взрослого организма оказывается носителем лишь одной детерминанты, определяющей специфику этой клетки. Противопоставление половых и соматических клеток – главная методологически неверная линия гипотезы Вейсмана.

Идеи Вейсмана о зародышевой плазме, неравнонаследственном распределении детерминантов в основе оказались неверными, но в тот период имели огромное влияние на последующие поколения исследователей в этой области и надолго определили направление экспериментальных исследований. Нельзя не упомянуть и о том, что Вейсман задолго предсказал одно из крупнейших открытий в биологии – редукцию хромосом в половых клетках.

Итак, в течение последних десятилетий XIX в. была установлена важная роль ядра в наследственности, что в дальнейшем предопределило одну из центральных проблем биологии – проблему роли ядра и цитоплазмы в развитии. Хотя вывод о том, что наследственные потенции сосредоточены в ядре (хроматине), был верным, эта проблема только начинала разрешаться. Но уже тогда высказывались идеи о том, что цитоплазма также играет определенную роль в наследственности. Ряд исследователей (например, Г. де Фриз) пришли к выводу о том, что наследственное вещество – идиоплазма – частично может выходить в цитоплазму и реализовать свои потенции здесь (а не в ядре). Роль цитоплазмы в наследственности раскрылась значительно позднее, а сама проблема о роли ядра и цитоплазмы постепенно преобразовалась в проблему их взаимодействия. Это произошло в 30-е годы, когда вновь повысился интерес к проблемам биологии клетки как к важному аспекту индивидуального развития.

В начале XX столетия резко возрос интерес к проблемам наследственности. В 1900 г. Г. де Фриз, К.Корренс и К.Чермак заново открыли законы наследования дискретных признаков, описанные еще в 1865 г. Г.Менделем и оставшиеся неизвестными. Начались исследования в области мутагенеза. В 1906 г. У.Бетсон вводит понятие генетика, а в 1909 г. В.Иогансен – понятие ген, которое сразу же вытеснило не очень удачные названия единиц наследственности – фактор, детерминант. К этому времени уже не вызывало сомнений, что местом локализации генов являются хромосомы, которые имеют сложное строение, обусловленное характером расположения генов и их распределением в процессе деления. Формировалась цитогенетика, занимающаяся изучением цитологических основ генетики, главным образом морфологии, структуры, функций и изменений хромосом.

Значительный вклад в выяснение роли хромосом в наследственности был внесен трудами эмбриолога Т.Бовери. Еще в 1888 г. он сформулировал теорию индивидуальности и непрерывности хромосом, установив закон постоянства числа хромосом у видов и правило, согласно которому зигота и все соматические клетки содержат наборы материнских и отцовских хромосом. Он же показал, что хромосомы не исчезают, а сохраняют свою индивидуальность в фазе покоя клетки.

Мысль о тонкой связи между структурными компонентами хромосомы и наследственностью была отчетливо выражена в книге Э.Вильсона «Клетка в развитии и наследственности» (1896). Автор рассматривал хромосому как нить, построенную из последовательно расположенных, качественно различных элементов, определяющих наследственность. Эти элементы обладают индивидуальностью и генетической непрерывностью. В процессе митоза хромосомная нить продольно расщепляется, и ее материал поровну распределяется между дочерними клетками.

Окончательно роль хромосом как носителей генов утвердилась в хромосомной теории наследственности, создание и дальнейшее развитие которой связано с именем Т.Моргана и его учеников (К.Бриджес, Г.Меллер, А.Стёртевант). Созданию этой теории и прогрессу цитогенетики и генетики во многом способствовало широкое использование в качестве объекта дрозофил – быстро размножающихся насекомых, личинки которых содержат «гигантские» (политенные) хромосомы. Возможность визуального изучения участков хромосомы (хромомер), размеры которых соизмеримы с размерами генов, особенности биологии (короткий жизненный цикл, возможность массового разведения в лабораторных условиях) этих животных позволили интенсифицировать генетические и цитогенетические исследования. Были сформулированы и обоснованы фундаментальные принципы – линейность расположения генов в хромосомах, сцепление, кроссинговер, аллельность, начата работа по составлению генетических карт хромосом.

Вместе с тем именно в этот период бурного развития генетика сильно отдалилась от проблем индивидуального развития, а проблема реализации генов в признаках была сведена к схематизированным отношениям «ген» – «фен» (признак), генотип (совокупность генов) – фенотип (совокупность признаков особи). Онтогенетический аспект взаимоотношений между генотипом и фенотипом разрабатывался очень слабо, в рамках формализованного направления, получившего название феногенетики(термин введен в 1918 г. В.Геккером). Феногенетика в принципе была важным направлением, установившим взаимосвязи между индивидуальным развитием и генетикой. Однако и эти связи касались главным образом морфологического описания признаков. Проблемы развития еще не могли в полной мере найти свое выражение в генетике, которая была на пути становления.

Прежние взгляды о жесткой детерминированности проявления гена в признаке все меньше оправдывались. Многие факты показывали, что отношения «ген – признак» сложнее и что проявление признака – процесс, проходящий через множество стадий и зависящий от условий. Поэтому признак может проявиться в разной степени. Эти новые представления одним из первых отчетливо выразил Б.Л.Астауров. Еще в 1927 г. он писал: «Реальное положение вещей находится в непримиримом противоречии с представлениями о жесткой запрограммированности процесса развития исходными условиями живой системы и окружающей среды». Как отражение этих новых представлений появились понятия (введенные в 1925 г. Н.В.Тимофеевым-Ресовским) «пенетрантность»(процент особей в потомстве, несущих признак), «экспрессивность»(степень выраженности признака). Подверглось сомнению представление и об автономности генов: развитие признаков стало рассматриваться как результат их взаимодействия. В 1930 г. Бриджес сформулировал теорию генного баланса,согласно которой в развитии признака важно соотношение, баланс генов. По Бриджесу, отдельный признак возникает в результате совместного действия всех генов. В этих переменах отражался огромный прогресс генетики, ее сближение с проблемами развития.