Генетика
Менделя. Второй, связанный с успехами цитологических исследований,
завершился доказательством того, что носителями наследственных факторов
являются хромосомы. Морган сформулировал и экспериментально доказал
положение о сцеплении генов в хромосомах.
Искусственное получение мутаций. Классификация мутаций.
Крупнейшим достижением экспериментальной генетики было обнаружение
возможности искусственно вызывать мутации при помощи разнообразных
физических и химических агентов. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов (1925)
получили мутации у дрожжей под действием радия и рингенных лучей; Г.
Мёллер (1927), (за изучение явлений сцепления и кроссинговера, а также
открытие искусственного мутагенеза ему была присуждена в 1946 г.
Нобелевская премия.) - при помощи рентгеновых лучей у дрозофилы, а Л.
Стадлер (1928) - посредством воздействия этими лучами у кукурузы.
В середине 30-х годов была сформулирована теория, описывающая
кинетические зависимости ни активирующего и мутагенного эффекта
ионизирующих излучений - так называемая "теория мишени". Важнейшие
эксперименты, ставшие основой этой теории, были проведены в период 1931 -
1937 гг. Н.В. Тимофеевым-Ресовским, М. Дельбрюком, Р Цимером и другими
исследователями.
Важнейшим достижением на пути к искусственному получению мутации
явились работы В.В. Сахарова (1932,1938) и М.Е. Лобашева(1934, 1935) по
химическому мутагенезу. Новый этап изучения роли химических факторов в
процессе мутации был открыт И.А. Рапопоротом (1943,46,47) и Ш. Ауэрбах
(1943), указавшими на мощное мутагенное действие некоторых химических
веществ.
Большой материал, накопившийся в области изучения изменчивости,
позволил создать классификацию типов мутаций. Было установлено
существование трех видов мутации - генных, хромосомных и геномных. К
первому классу относятся изменения. затрагивающие лишь один ген. В этом
случае либо полностью нарушается работа гена и, организм теряет одну
функцию, либо изменяется его функция. Хромосомные мутации - изменение в
структуре хромосом, делятся не несколько типов: дупликацией называют
мутации, при которых кроме транслокаций, может произойти удвоение, утроение
отдельных участков хромосомы; инверсией называются мутации при которых
оторвавшийся кусок хромосомы может остаться в той же хромосоме, но окажется
в перевернутом виде, при этом порядок расположения ген в хромосоме
изменяется; если утрачивается участок хромосомы, говорят о делеции, или
нехватке. Все эти типы хромосомных перестроек объединяют под общим термином
- хромосомные аберрации. Следующий вид мутаций, при котором изменяется
числа хромосом именую геномными.
В настоящее время известно большое количество веществ, усиливающих
мутационный процесс. Разработана теория действия мутагенных соединений на
наследственные структуры, интенсивно разрабатываются проблемы специфичности
действия мутагенов.
Изучение генетических основ эволюции.
В 1904 г. К. Пирсон обосновал так называемый закон стабилизирующего
скрещивания, согласно которому в условиях свободного скрещивания при любом
исходном соотношении численности гомозиготных и гетерозиготных родительских
форм в результате первого же скрещивания внутри сообщества устанавливается
состояние равновесия. В 1908 г. английский математик Г. Харди пришел к
выводу, что в неограниченно больших популяциях при наличии свободного
скрещивания, при отсутствии давления мутаций, миграция и отбор
относительная численность гомозиготных (как доминантных, так и рецессивных)
и гетерозиготных особей будет сохранятся постоянной при условии равенства
произведения числа гомозиготных (как доминантных, так и рецессивных) особей
квадрату половины числа гетерозиготных форм. Эти закономерности длительное
время не были признаны биологами-эволюционистами.
Лишь в 1926 г. С.С Четвериковым была опубликована большая работа,
привлекшая внимание к общебиологическому значению выкладок Пирсона и Харди.
Четвериков подробно рассмотрел биолого-генетические основы эволюции и
заложил основы новой научной дисциплины -популяционной генетики. Дальнейшее
развитие популяционной генетики связано с работами С. Райта, Р. Фишера,
Н.П.Дубининым и др.
Четвериков и его ученики Н.К. Беляев, С.М. Гершензон .П.Ф. Рокицкий и
Д.Д. Ромашов впервые осуществили экспериментально-генетический анализ
природных популяций дрозофилы, полностью подтвердивший их насыщенность
рецессивными мутациями. Было также установлено, что сохранение и
распространение мутаций в популяции определяется генетико-автоматическими
процессами. Детальный анализ этих процессов был проведен Ромашовым (1931),
Дубининым (1931) и Райтом (1921, 1931). Последний назвал их "явление дрейфа
генов в популяции", а Четвериков - "генетико-стохастическими ", подчеркнув
их вероятностно-статистическую природу. Статистический анализ, показал, что
в результате генетико-автоматических процессов уничтожаются множество
возникших мутации и лишь некоторые доводятся до уровня заметных
концентраций. В силу вероятностной природы генетико-автоматичеких процессов
они могут то устранять отдельные мутации, то поднимать их численность,
позволяя отбору осуществлять механизм "проб и ошибок". Генетико-
автоматические процессы постоянно выносят редкие мутации до уровня действия
отбора и этим помогают последнему быстро "пересмотреть " новые варианты
мутантов. Таким образом генетико-автоматичекие процессы ускоряют эволюцию
новых мутаций за счет сокращения ранних этапов размножения вновь возникших
мутации
Детальное изучение генетических структур природных популяций и
скорости распространения мутаций в природе превратилось сейчас в область
биологии, активно разрабатываемую на основе математических методов.
Проблема дробимости гена.
К началу 30-х годов XX в. сложились основы теории гена. Уже первые
достижения гибридологического анализа поставили проблему дискретности
наследственного материала. Считалось, что ген отвечает за развитие одного
признака и передается при скрещиваниях как неделимое целое. Открытие
мутации и кроссинговера ( нарушения сцепления генов в результате обмена
участками между хромосомами, названое так Морганом.) подтверждали
неделимость генов. В результате обобщения всех данных определение гена
получило следующую формулировку: ген - это элементарная единица
наследственности, характеризующаяся вполне определенной функцией,
мутирующая во время кроссинговера как целое. Иначе говоря, ген - единица
генетической функции, мутации и кроссинговера.
В 1928 г. в лаборатории А.С. Серебровского в Биологическом институте
им. К.А. Тимирязева Н.П. Дубинин начал исследовать действие рентгеновых
лучей на дрозофил и обнаружил необычную мутацию. Образование щетинок на
теле мухи контролируется особым геном scute. Мутация гена scute, впервые
обнаруженная американским генетиком Пейном (1920), не раз возникала в
экспериментах, и при её появлении подавлялось развитие девяти щетинок.
Выявленная Дубининым мутация , подавляла развитие всего четырех щетинок.
После дальнейших экспериментов стало ясно, что ген не является неделимой
генетической структурой, представляет собой область хромосомы, отдельные
участки которой могут мутировать независимо друг от друга. Это явление
Серебровским ступенчатым аллеломорфизмом.
Одним из крупных достоинств работ по изучению ступенчатых аллеломорфов
был количественный метод учета мутантов. Разработав систему, позволяющую
количественно оценивать результат каждой мутации, Серебровский, Дубинин и
другие авторы тогда же раскрыли явление дополнения одного мутантного гена
другим. Это явление было впоследствии переоткрыто на микроорганизмах и
получило название комплементации. За цикл работ по хромосомной теории
наследственности и теории мутаций Дубинин был удостоен в 1966 г. Ленинской
премии.
Показав мутационную дробимость гена, Серебровский и другие сотрудники
его лаборатории, тем не менее, долгое время не могли подтвердить дробимость
гена при помощи кроссинговера. Чтобы обнаружить разрыв гена, требовалось
проверить огромное число мух. Организовать такой эксперимент удалось только
в 1938 г., когда Дубинин, Н.Н. Соколов и Г.Г. Тиняков смогли разорвать ген
scute и проверить свой результат цитологически на гигантских хромосомах
слюнных желез дрозофилы. Окончательное решение вопроса, делим ли ген не
только мутационно, но и механически, было достигнуто в работах М.
Грина(1949), Э. Льюиса(1951) и Г. Понтекорво (1952). Было окончательно
установлено, что считать ген неделимым неправильно. Далее требовалось
разработать новую теорию гена, определив конкретные физические структуры,
ответственные за реализацию различных генетических функций. Решить этот
вопрос, на многоклеточных организмах, было невозможно. На помощь пришли
микроорганизмы.
Переход к генетическим исследованиям на микроорганизмах явился
крупнейшим шагом вперед в изучении генетических проблем. С развитием
экспериментов на микроорганизмах генетика перешла на молекулярный уровень
исследований.
