Тема 1. Предмет, задачи и методы дисциплины. История генетики. Известные ученые.
ГЕНЕТИКА (от греч. genesis - происхождение), наука о законах наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.
Предметом исследований науки является наследственность, изменчивость и закономерности наследования признаков в ряду поколений.
Наследственность – неотъемлемое свойство организмов передавать потомству свои признаки и особенности развития. Благодаря наследственности возможно существование организмов, характеризующихся относительным постоянством признаков в течение довольно продолжительного времени в историческом эволюционном аспекте.
Наследование и изменение признаков обеспечивается размножением организмов. При разных способах размножения основой для начала развития нового организма могут быть половые или соматические клетки. В настоящее время определены как материальные структуры клетки, отвечающая за наследственность и изменчивость признаков, - хромосомы, так и тонкое строение самих хромосом, состоящих из генов.
Предметом исследований генетики являются не только материальные структуры наследственности, но и сам процесс передачи наследственных признаков, а также факторы, оказывающие влияние на проявление этих признаков в процессе онтогенеза. В понятие наследственности входит свойство генов детерминировать построение специфической белковой молекулы, развитие признака и план строения организма. Наследование же отражает закономерности процесса передачи наследственных свойств в организме от одного поколения к другому.
Наряду с наследственностью генетика изучает противоположную категорию константного состояния признаков организмов – изменчивость. Изменчивость обеспечивает возможность приспособления организмов к меняющимся условиям, за счет различных механизмов: мутаций, комбинативных изменений, а также степени проявления существующих генов под воздействием внешних и внутренних факторов. Таким образом, свойства наследственности и изменчивости обеспечивают возможность сохранения жизни в широком смысле слова на планете Земля.
Хотя, официальной датой рождения генетики принято считать весну 1900 г., однако основы современных представлений о материальной основе наследования заложены Грегори Менделем, открывшим законы дискретной наследственности. Результаты своих исследований он доложил 8 марта 1865 г. Обществу естествоиспытателей г. Брно, а затем, в конце следующего года был опубликован конспект его доклада в очередном томе «Записки Общества естествоиспытателей» под названием «Опыты над растительными гибридами». Однако, этот труд остался практически не замеченым.
Время для этого открытия пришло спустя 35 лет, когда трое ученых независимо друг от друга, в трех разных странах, на разных объектах, пришли к открытию некоторых важнейших закономерностей наследования признаков в потомстве гибридов. Гуго де Фриз (Голландия) - на основании работ с маком и другими растениями сообщил «о законе расщепления гибридов»; Карл Корренс (в Германии) установил ту же закономерность расщепления на кукурузе, а Эрик фон Чермак (Австрия) – на горохе.
После публикаций этих ученых, оказалось, что они, всего-навсего «переоткрыли» закономерности, открытые Грегором Менделем и изложенные им в 1865 г.
Следует подчеркнуть, что развитию науки о наследственности и изменчивости особенно способствовало учение Ч.Дарвина о происхождении видов, которое внесло в биологию исторический метод исследования эволюции организмов.
Основные задачи генетики заключаются в познании закономерностей наследственности и изменчивости, а также в изыскании путей практического использования этих закономерностей. Эти направления тесно связаны: решение практических задач основывается на заключениях, полученных при изучении фундаментальных генетических проблем и в то же время доставляет фактические данные, важные для расширения и углубления теоретических представлений.
Если принять во внимание основные критерии, которые используются при характеристике живых организмов (морфологические, физиологические, биохимические, способ размножения), то удобно сформулировать четыре основные теоретические проблемы, исследуемые генетикой:
Во-первых, проблема хранения генетической информации. Изучается, в каких материальных структурах клетки заключена генетическая информация и как она там закодирована).
Во-вторых, проблема передачи генетической информации. Изучаются механизмы и закономерности передачи генетической информации от клетки к клетке и от поколения к поколению.
В-третьих, проблема реализации генетической информации. Изучается, как генетическая информация воплощается в конкретных признаках развивающегося организма, взаимодействуя при этом с влияниями окружающей среды, в той или иной мере изменяющей эти признаки, подчас значительно.
В-четвертых, проблема изменения генетической информации. Изучаются типы, причины и механизмы этих изменений.
Заключения, полученные при изучении фундаментальных проблем наследственности и изменчивости, служат основой решения стоящих перед генетикой прикладных задач.
Современные задачи генетики вытекают из установленных общих закономерностей, характеризующих наследственность и изменчивость.
Задачи современной генетики состоят не только в исследовании указанных теоретических проблем, раскрывающих перспективы и потенциал науки для познания кардинальных явлений природы. Перед наукой стоят также и более близкие задачи, важные для достижения многих практических целей. Сферы деятельности человека, в которых решаются задачи с применением генетики относятся к медицине, сельскому хозяйству, технологии пищевых продуктов, переработкой отходов и борьбой с различными загрязнителями, новые отрасли, связанные с биотехнологиями.
Многообразие задач, стоящих перед генетикой определяет различные направления исследований и формирует множество разделов генетики, представляющих как теоретический, так и практический интерес. Среди разделов общей, или «классической», генетики основными являются: генетический анализ, основы хромосомной теории наследственности, цитогенетика, цитоплазматическая (внеядерная) наследственность, мутации, модификации. Интенсивно развиваются молекулярная генетика, генетика онтогенеза (феногенетика), популяционная генетика (генетическое строение популяций, роль генетических факторов в микроэволюции), эволюционная генетика (роль генетических факторов в видообразовании и макроэволюции), генетическая инженерия, генетика соматических клеток, иммуногенетика, частная генетика — генетика бактерий, генетика вирусов, генетика животных, генетика растений, генетика человека, медицинская генетика и мн. др. Новейшая отрасль генетики — геномика — изучает процессы становления и эволюции геномов.
Методы генетики
Генетика, как любая наука имеет свои методы исследований. В ходе развития и накопления знаний появляются новые способы изучения наследственности и изменчивости организмов. Многообразие методов генетики определяется разнообразием объектов и структур изучения. К классическим методам генетики можно отнести:
1.Гибридологический метод — скрещивание (гибридизация) организмов, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признакам. Потомки от таких скрещиваний называются гибридами.
2.Генеалогический метод (метод родословных) — изучение наследования какого-либо признака у человека в ряде поколений. Позволяет прогнозировать вероятность передачи потомкам наследственных заболеваний.
3.Близнецовый метод — изучение проявления признаков у однояйцовых близнецов. Позволяет оценить роль внешней среды в формировании фенотипа.
4.Цитогенетический метод — изучение количества, формы и размеров хромосом. Позволяет обнаружить хромосомные и геномные мутации.
5.Биохимический метод — изучение наследственно обусловленных нарушений обмена веществ. Позволяет обнаружить генные мутации.
6.Популяционный метод — изучение частоты встречаемости генов и генотипов в популяциях. Дает информацию о степени гетерозиготности и полиморфизма (неоднородности) человеческих популяций.
На современном этапе развития успехи молекулярной генетики создали предпосылки для возникновения четырех новых направлений генетических исследований преимущественно прикладного характера, основная цель которых изменять геном организма в желаемую сторону. Наиболее быстро из этих направлений развивались: 1.генетическая инженерия и
2.генетика соматических клеток.
Генетическая инженерия подразделяется на генную (искусственный перенос отдельных генов) и хромосомную (искусственный перенос хромосом и их фрагментов). Методы генной инженерии, развитие которых началось в 1972 в США в лаборатории П. Берга, широко используются для промышленного производства высококачественных биопрепаратов, используемых в медицине (инсулин человека, интерферон, вакцины против гепатитов В, для диагностики СПИД и т. д.). С их помощью получены разнообразные трансгенные животные. Получены растения картофеля и подсолнечника, обогащенные запасным белком, кодируемым геном бобовых, растения подсолнечника, обогащенные белком, кодируемым геном кукурузы. Очень перспективны работы, ведущиеся во многих лабораториях мира, по переносу генов азотфиксации из почвенных бактерий в сельскохозяйственные растения. Делаются попытки излечения наследственных заболеваний путем введения в организм пациента «здорового» гена для замещения им мутантного, являющегося причиной болезни. Достижения в технологии рекомбинантных ДНК, сделавшие возможным выделение многих генов др. организмов, а также расширение знаний о регуляции их экспрессии позволяют надеяться на реализацию этой, казавшейся прежде фантастической, идеи.
Метод хромосомной инженерии позволяет пересадить в яйцеклетку млекопитающего с удаленным ядром диплоидное ядро соматической клетки и ввести такую яйцеклетку в матку самки, гормонально подготовленную к имплантации. В этом случае родится потомок, генетически идентичный особи, от которой взята соматическая клетка. Таких потомков можно получить от этой особи неограниченное число, т. е. генетически клонировать ее.
2.ГЕНЕТИКА СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК ЗАНИМАЕТСЯ исследованиями, проводимыми на соматических клетках растений, животных и человека. Селекцией клеток растений — продуцентов лекарственных алкалоидов (руты душистой, раувольфии), в сочетании с мутагенезом содержание этих алкалоидов в клеточной массе повышено в 10-20 раз. Селекцией клеток на питательных средах и последующей регенерацией целых растений из клеточного каллуса выведены сорта ряда возделываемых растений, устойчивые к различным гербицидам и засолению почвы. Гибридизацией соматических клеток разных видов и родов растений, половая гибридизация которых невозможна или очень затруднена, и последующей регенерацией из клеточного каллуса созданы разные гибридные формы (капуста — турнепс, культурный картофель — дикие его виды и т. п.).
Другое важное достижение генетики соматических клеток животных — создание гибридов, на основе которых получают моноклональные антитела, служащие для создания высокоспецифических вакцин, а также для выделения необходимого фермента из смеси ферментов.
Весьма перспективны для практики еще два молекулярно-генетических направления — 3. сайт-специфичный мутагенез и 4.создание антисмысловых РНК. Сайт-специфичный мутагенез (индукция мутаций определенного выделенного рестриктазами гена или его комплементарной ДНК, и затем включение мутировавшего гена в геном для замены им его немутантного аллеля) впервые позволил индуцировать желательные, а не случайные генные мутации, и уже успешно применяется для получения направленных генных мутаций у бактерий и дрожжей.
Антисмысловые РНК, возможность получения которых впервые была показана в 1981 работающим в США японским иммунологом Д. Томизавой, могут использоваться для целенаправленного регулирования уровня синтеза определенных белков, а также для направленного ингибирования онкогенов и вирусных геномов. Исследования, проведенные по этим новым генетическим направлениям, были нацелены преимущественно на решение прикладных задач. Вместе с тем они внесли фундаментальный вклад в представления об организации генома, структуре и функциях генов, взаимоотношениях генов ядра и клеточных органелл и др.
Основные этапы истории генетики
Зачатки генетики можно проследить ещё в доисторические времена, когда одомашнивались животные и культивировались растения. Уже на вавилонских глиняных табличках указывали возможные признаки при скрещивании лошадей.
Различные умозрительные представления о наследственности и изменчивости высказывались античными философами и врачами. В большинстве своем эти представления были ошибочными, но иногда среди них появлялись и гениальные догадки. Так, римский философ и поэт Лукреций Кар писал в своей знаменитой поэме «О природе вещей» о «первоначалах» (наследственных задатках), определяющих передачу из поколения в поколение признаков от предков к потомкам, о происходящем при этом случайном комбинировании («жеребьевке») этих признаков, отрицал возможность изменения наследственных признаков под влиянием внешних условий.
Однако подлинно научное познание наследственности и изменчивости началось лишь спустя много столетий, когда было накоплено множество точных сведений о наследовании различных признаков у растений, животных и человека. Число таких наблюдений, проведенных преимущественно практиками-растениеводами и животноводами, особенно возросло в период с середины 18 до середины 19 века. Наиболее ценные данные были получены И. Кельрейтером и А. Гертнером (Германия), О. Сажрэ и Ш. Ноденом (Франция), Т. Найтом (Англия). На основании межвидовых и внутривидовых скрещиваний растений они обнаружили ряд важных факторов, касающихся усиления разнообразия признаков в потомстве гибридов, преобладания у потомков признаков одного из родителей и т. п. Сходные обобщения сделал во Франции П. Люка (1847-1850), собравший обширные сведения о наследовании различных признаков у человека. Тем не менее, четких представлений о закономерностях наследования и наследственности вплоть до конца 19 века не было за одним существенным исключением. Этим исключением была замечательная работа Г. Менделя установившего в опытах по гибридизации сортов гороха важнейшие законы наследования признаков, которые впоследствии легли в основу генетики, а сформулированные им закономерности наследования получили название законов Менделя . Однако работа Г. Менделя (доложена им в 1865 на заседании общества естествоиспытателей г. Брюнн (Брно) и напечатана на следующий год в трудах этого общества) не была оценена современниками и, оставаясь забытой 35 лет, не повлияла на распространенные в 19 веке представления о наследственности и изменчивости.
Появление эволюционных теорий Ж.Б. Ламарка , а затем Ч. Дарвина усилило во второй половине 19 века интерес к проблемам изменчивости и наследственности, т. к. эволюция возможна только на основе возникновения у живых существ изменений и их сохранения у потомков. Это побудило видных биологов того времени выдвинуть несколько гипотез о механизме наследственности, гораздо более детализированных, чем предлагавшиеся ранее. Хотя эти гипотезы были в значительной степени умозрительными и в дальнейшем были опровергнуты экспериментальными исследованиями, три из них наряду с ошибочными содержали также подтвердившиеся положения. Первая принадлежала Ч. Дарвину, назвавшему ее «временной гипотезой пангенезиса». В этой гипотезе была правильная догадка о том, что половые клетки содержат особые частицы, определяющие развитие признаков потомков. Во второй гипотезе, выдвинутой немецким ботаником К. Негели, содержалась верная мысль о том, что каждая клетка организма содержит особое вещество («идиоплазму»), определяющее наследственные свойства организма. Наиболее детализированной была третья гипотеза, предложенная немецким зоологом А. Вейсманом. Он тоже считал, что в половых клетках есть особое вещество — носитель наследственности («зародышевая плазма»). Опираясь на сведения о механизме деления клетки, Вейсман отождествлял это вещество с хромосомами. Предположение о ведущей роли хромосом в передаче наследственных свойств было правильным и Вейсмана справедливо считают предтечей хромосомной теории наследственности. Верными были также его утверждения о большом значении скрещиваний, как причины изменчивости, и отрицание наследования приобретенных признаков.
Как уже говорилось, датой рождения генетики принято считать 1900, когда три ботаника — Карл Корренс (Германия), Эрих фон Чермак (Австрия) и Гуго Де Фриз (Голландия), проводившие опыты по гибридизации растений, натолкнулись независимо друг от друга на забытую работу Г. Менделя, в которой были подтверждены основные выводы о независимом наследовании признаков и о численных соотношениях при «расщеплении» признаков в потомстве. Они были поражены сходством его результатов с полученными ими, оценили глубину, точность и значение сделанных им выводов и опубликовали свои данные, показав, что полностью подтверждают заключения Менделя.
Вскоре английский натуралист Уильям Бэтсон ввел в употребление название новой научной дисциплины: генетика (в 1905 г. в частном письме и в 1906 г. публично). В 1909 году датским ботаником Вильгельмом Йоханнсеном введён в употребление термин «ген». Дальнейшее развитие генетики связано с рядом этапов, каждый из которых характеризовался преобладающими в то время направлениями исследований. Границы между этими этапами в значительной мере условны — этапы тесно связаны друг с другом, и переход от одного этапа к другому становился возможным благодаря открытиям, сделанным в предыдущем. Наряду с разработкой наиболее характерных для каждого этапа новых направлений, продолжалось исследование тех проблем, которые были главными ранее, а затем в той или иной мере отодвинулись на второй план. С этой оговоркой можно разделить историю генетики на шесть основных этапов.
Первый этап (с 1900 приблизительно по 1912), получивший название менделизма, является периодом утверждения открытых Менделем законов наследования на основе гибридологических опытов, проведенных в разных странах на высших растениях и животных (лабораторные грызуны, куры, бабочки и др.), в результате чего выяснилось, что эти законы имеют универсальный характер. Название «генетика» развивающейся науке дал в 1906 английский ученый У. Бэтсон, а вскоре сложились и такие важные генетические понятия, как ген, генотип, фенотип, которые были предложены в 1909 датским генетиком В. Иогансеном. Наряду с наиболее характерными для этого начального этапа истории генетики работами, подтверждающими на разных объектах справедливость законов Менделя, в те же годы зародились и некоторые новые направления исследований, получивших свое развитие в последующие периоды. Во-первых, это синтез сведений о хромосомах, митозе и мейозе с данными генетики. Уже в 1902 Т.Бовери (Германия) и У. Сеттон (США) обратили внимание на полный параллелизм расхождения хромосом и их перекомбинирования при мейозе и оплодотворении с расщеплением и перекомбинированием наследственных признаков по законам Менделя, что послужило важной предпосылкой возникновения хромосомной теории наследственности.
Во-вторых, выяснилось, что, хотя большинство изученных к тому времени наследственных признаков самых разных организмов передавалось из поколения в поколение в полном соответствии с законами Менделя, были и исключения. Так, английские генетики У. Бэтсон и Р. Пеннет в 1906 в опытах с душистым горошком обнаружили явление сцепленного наследования некоторых признаков, а другой английский генетик Л. Донкастер в том же году в опытах с крыжовниковой пяденицей открыл сцепленное с полом наследование. И в том и в другом случае наследование признаков происходило иначе, чем предсказывали законы Менделя. Число примеров обоих типов отклонения от менделевского наследования стало затем быстро увеличиваться, но только на следующем этапе истории генетики выяснилось, что принципиального противоречия с менделизмом в этих случаях нет и что это кажущееся противоречие объяснимо в рамках хромосомной теории наследственности. В-третьих, началось изучение внезапно возникающих и стойко наследуемых изменений — мутаций. В этом особенно большие заслуги принадлежали Г. де Фризу (1901, 1903), а в России С. Н. Коржинскому (1892).
На первом этапе развития генетики появились также первые попытки рассмотреть в свете ее данных проблемы эволюционного учения. Три такие попытки, предпринятые У. Бэтсоном (Англия), Г. де Фризом и Я. Лотси (Голландия), отражали стремление авторов использовать основы генетики для ревизии положений дарвинизма. На несостоятельность этих попыток уже тогда указал в ряде критических статей К. А. Тимирязев, который одним из первых отметил, что менделизм не только не противоречит дарвинизму, но, наоборот, подкрепляет его, снимая некоторые важные возражения, выдвигавшиеся против теории Дарвина.
Отличительной чертой второго этапа развития генетики (приблизительно 1912-1925) было создание и утверждение хромосомной теории наследственности. Ведущую роль в этом сыграли экспериментальные работы американского генетика Томаса Ханта Моргана и его учеников (А. Стертевант, К. Бриджес и Г. Меллер), проведенные в период с 1909 по 1919 на плодовой мушке Drosophila melanogaster- дрозофиле.
Эти работы, подтвержденные затем в др. лабораториях и на др. организмах, показали, что гены лежат в хромосомах клеточного ядра и что передача наследственных признаков, в т. ч. и таких, наследование которых, на первый взгляд, не укладывается в законы Менделя, определяется поведением хромосом при созревании половых клеток и оплодотворении. Данный вывод вытекал из исследований, проводившихся двумя независимыми методами — гибридологическим и цитологическим, дававшими взаимно подтверждающие результаты. Изучение закономерностей сцепленного наследования позволило путем анализа результатов скрещиваний составить карты расположения генов в «группах сцепления» и сопоставить группы сцепления с хромосомами (1910—1913 гг.). Генетические работы школы Моргана показали возможность строить карты хромосом с указанием точного расположения различных генов.
На основе хромосомной теории наследственности был выяснен и доказан хромосомный механизм определения пола. Большие заслуги в этом принадлежали, кроме Моргана, американскому цитологу Э.Вильсону. Тогда же начались и другие работы по генетике пола, среди которых особое значение имели исследования немецкого генетика Р. Гольдшмидта. Хромосомная теория наследственности была крупнейшим достижением этого этапа развития генетики и во многом определила путь дальнейших генетических исследований.
Если в первые годы развития менделизма было распространено упрощенное представление, что каждый наследственный признак организма определяется особым геном, то в рассматриваемый период стало ясно, что любой такой признак определяется взаимодействием множества генов (эпистаз, полимерия и др.), а каждый ген в той или иной мере влияет на разные признаки (плейотропия). Кроме того, оказалось, что способность гена проявляться в фенотипе организма ( пенетрантность) и степень его действия на фенотип (экспрессивность) могут зависеть, иногда в большой степени, от влияния окружающей среды или действия др. генов. Представления о пенетрантности и экспрессивности генов были впервые сформулированы в 1925 Н. В. Тимофеевым-Ресовским на основании результатов его опытов с дрозофилой.
В этот же период быстро развиваются некоторые направления генетики, важные для разработки генетических основ селекции, семеноводства и племенного дела: изучение закономерностей наследования количественных признаков (особенно важны исследования шведского генетика Г. Нильсона-Эле), выяснение природы гетерозиса (работы американских генетиков Э. Иста и Д. Джонса), исследования сравнительной генетики культурных растений (выдающиеся труды Н. И. Вавилова, которые легли в основу его закона гомологичных рядов в наследственной изменчивости), по межвидовой гибридизации плодовых растений (работы И. В. Мичурина в СССР, Л.Бербанка в США), по частной генетике возделываемых растений и домашних животных.
К рассматриваемому периоду относится и становление генетики в СССР, причем ее быстрое развитие началось в 1920-х годах, когда сложились три генетических школы, возглавляемые Н. К. Кольцовым в Москве, Ю. А. Филипченко и Н. И. Вавиловым в Ленинграде.
Следующий этап – третий (приблизительно 1925-1940) связан с открытием искусственного мутагенеза. До 1925 довольно широко было распространено мнение, восходившее к высказыванием Вейсмана и особенно к взглядам де Фриза, о том, что мутации возникают в организме самопроизвольно под влиянием каких-то чисто внутренних причин и не зависят от внешних воздействий. Эта ошибочная концепция была опровергнута в 1925 работами Г. А. Надсона и Г. С. Филиппова по искусственному вызыванию мутаций, а затем экспериментально доказана опытами Г.Меллера (1927) по воздействию рентгеновских лучей на дрозофилу. Работа Г.Меллера стимулировала многочисленные исследования по мутагенезу на разных объектах, которые показали, что ионизирующие излучения — универсальные мутагены. Благодаря этому началось изучение закономерностей мутагенного действия излучений; особенно ценными были исследования Н. В. Тимофеева-Ресовского и М. Дельбрюка, обнаруживших прямую зависимость частоты индуцированных мутаций от дозы радиации и предположивших в 1935, что эти мутации вызываются непосредственным попаданием в ген кванта или ионизирующей частицы (теория мишени). В дальнейшем показано, что мутагенным действием обладают ультрафиолетовые лучи, химические вещества. Первые химические мутагены были открыты в 1930-х годах в СССР В.В. Сахаровым, М.Е. Лобашевым и С.М. Гершензоном. Благодаря исследованиям И.А. Раппопорта в СССР и Ш. Ауэрбах и Дж. Робсона в Великобритании, в 1946 обнаружены супермутагены этиленимин и азотистый иприт.
Исследования в этой области привели к быстрому прогрессу в познании закономерностей мутационного процесса и к выяснению некоторых вопросов, касающихся тонкого строения гена. В конце 1920-х — начале 1930-х годов А. С. Серебровский и его ученики получили первые данные, указывающие на сложное строение гена из частей, способных мутировать порознь или вместе. Возможность индукции мутаций открыла новые перспективы практического использования достижений генетики. В разных странах начались работы по применению радиационного мутагенеза для получения исходного материала при создании новых форм культурных растений. В СССР инициаторами такой «радиационной селекции» были А.А. Сапегин и Л. Н. Делоне.
На этом же этапе развития генетики возникло направление, изучающее роль генетических процессов в эволюции. Основополагающими в этой отрасли знаний были теоретические работы английских генетиков Р. Фишера и Дж. Холдейна, американского генетика С. Райта и экспериментальные исследования С.С. Четверикова и его сотрудников, впервые исследовавших на нескольких видах дрозофил генетическую структуру природных популяций. В отличие от некоторых ранних менделистов, выступавших против дарвинизма, эти ученые, опираясь на большой фактический материал, накопленный с тех пор генетикой, убедительно показали, что генетические данные подтверждают и конкретизируют ряд основных принципов дарвинизма, способствуют выяснению соотносительного значения в эволюции естественного отбора, разных типов изменчивости, изоляции и т. д. Н. И. Вавиловым и его учениками продолжалось успешное изучение сравнительной генетики и эволюции возделываемых растений. Особенно яркой была работа его талантливого сотрудника Г.Д. Карпеченко, который на основе межродовой гибридизации получил плодовитый редечно-капустный гибрид. Он экспериментально доказал возможность преодоления бесплодия у отдаленных гибридов и воспроизвел один из способов образования новых видов у растений.
Большого расцвета в этот период достигла генетика в СССР. Помимо выдающихся работ, указанных выше, в разных областях генетики были получены важные результаты, признанные генетиками всего мира. Среди них работы Б. Л. Астаурова, который в опытах на тутовом шелкопряде разработанными им генетическими методами впервые доказал возможность регулировать частоту особей определенного пола у потомства, М. М. Завадовского по развитию половых признаков у позвоночных, Г. А. Левитского по классификации и изменчивости кариотипов и их эволюции. Широко известны в этот период исследования А. А. Сапегина, К. К. Мейстера, А. Р. Жебрака по частной генетике и генетическим основам селекции растений, работы А. С. Серебровского, С. Г. Давыдова, Д. А. Кисловского по частной генетике и генетическим основам селекции домашних животных. Н. К. Кольцов выдвинул в 1927 концепцию о том, что хромосома с генами представляет одну гигантскую органическую молекулу и что воспроизведение этой наследственной молекулы осуществляется матричным путем. То и другое было позже подтверждено, когда генетические процессы начали изучать на молекулярном уровне (правда оказалось, что генетическим материалом служит не белок, как считал Кольцов, а ДНК).
В конце 1920-х годов в СССР происходила оживленная дискуссия о том, могут ли наследоваться модификации (их тогда называли «приобретенными признаками»), т. е. фенотипические изменения, вызванные в теле организма воздействием внешних условий (пищей, температурой, влажностью, освещением и т. п.) и упражнением либо неупражнением органов. Представление о возможности наследования модификаций было в ту пору практически полностью отвергнуто в зарубежной генетике на основании многочисленных опытных данных, но в СССР некоторые биологи, особенно Е. С. Смирнов, Е. М. Вермель и А. М. Кузин, эту возможность разделяли и пропагандировали. Их поддерживали московские философы М. Б. Митин, П. Ф. Юдин и др., утверждавшие, что эта неоламаркистская концепция якобы соответствует философии диалектического материализма. Спор этот продолжался несколько лет, хотя ошибочность теории наследования модификаций была убедительно продемонстрирована и сов. генетиками Н. К. Кольцовым, Ю. А. Филипченко, А. С. Серебровским, С. С. Четвериковым и зоологами А. С. Северцовым и И. И. Шмальгаузеном. Последний позже выдвинул важные соображения о том, что размах и характер модификаций, хотя они и не наследуются, зависят не только от внешних воздействий, но и от «нормы реакции» организма, определяемой его генотипом. Ошибочной идее наследования приобретенных признаков суждено было впоследствии возродиться в антинаучных воззрениях Т. Д. Лысенко.
Наиболее характерными чертами четвертого этапа истории генетики (приблизительно 1940-1955) было бурное развитие работ по генетике физиологических и биохимических признаков, обусловленное вовлечением в круг генетических опытов новых для генетики объектов — микроорганизмов и вирусов. Возможность получения у этих объектов огромного по численности потомства за короткое время резко повысила разрешающую способность генетического анализа и позволила исследовать многие ранее недоступные стороны генетических явлений.
Изучение биохимических процессов, лежащих в основе формирования наследственных признаков разных организмов, в т. ч. дрозофилы и особенно плесени нейроспоры, пролило свет на то, как действуют гены и, в частности, как влияют генные мутации на синтезируемые в организме ферменты. Это привело к обобщению, сделанному в 1940-х годах американскими генетиками Дж. Бидлом и Э. Тейтемом, согласно которому всякий ген определяет синтез одного фермента (формула «один ген — один фермент» была впоследствии уточнена «один ген — один белок» или даже «один ген — один полипептид»).
В конце 30-х и начале 40-х годов работами американских генетиков М. Грина и Э. Льюиса в опытах на дрозофиле было четко доказано сложное строение и дробимость гена, т. е. подтверждены и углублены аналогичные данные, полученные А. С. Серебровским.
В 1944 американский генетик О. Эйвери с сотрудниками в работе по выяснению природы генетической трансформации у бактерий показала, что носителем наследственных потенций (генетической информации) организма служит дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) хромосом. Это открытие послужило мощным толчком к изучению тонкого химического строения, путей биосинтеза и биологических функций нуклеиновых кислот и явилось отправной точкой, с которой началось развитие молекулярной генетики и всей молекулярной биологии. Наиболее важными достижениями конца четвертого периода является установление того факта, что инфекционным элементом вирусов служит их нуклеиновая кислота (ДНК или РНК), а также открытие в 1952 американскими генетиками Дж. Ледербергом и М. Зиндером трансдукции, т. е. переноса вирусами генов хозяина, и выяснение структуры молекул ДНК (т. н. двойной спирали) английским физиком Ф. Криком и американским генетиком Дж. Уотсоном в 1953. Последняя работа сыграла выдающуюся роль во всем последующем развитии генетики и всей биологии.
Благодаря прогрессу биохимической генетики большие успехи были достигнуты в генетических и цитологических исследованиях наследственных болезней человека. В результате сложилось новое направление — медицинская генетика.
Дальнейшее развитие получили работы по генетике природных популяций. Особенно интенсивно они проводились в СССР Н. П. Дубининым с сотрудниками и С. М. Гершензоном с сотрудниками, а в США Ф. Г. Добржанским. В ходе этих исследований показаны роль различных типов мутаций в эволюции, действие естественного отбора, изоляции и генетического дрейфа на генетическую структуру природных популяций. Открытие ряда сильных химических мутагенов послужило толчком к быстрому прогрессу химического мутагенеза. В эти же годы появились первые высокопродуктивные сорта культурных растений, созданные на основе мутаций, искусственно вызванных радиацией, началось применение с той же целью химических мутагенов; были внедрены в практику методы использования гетерозиса, особенно у кукурузы и тутового шелкопряда.
До 1940-х годов генетические исследования в СССР развивались в целом успешно и занимали одно из ведущих мест в мире. С установлением в сов. биологии полновластного господства Т. Д. Лысенко и его сподвижников, быстрое выдвижение которого началось в середине 1930-х годов и достигло апогея в 1948, генетика в СССР была фактически разгромлена.
Пятый этап истории генетики (приблизительно с середины 1950-х годов до начала 1970-х годов) характеризуется исследованием генетических явлений преимущественно на молекулярном уровне, что стало возможным благодаря быстрому внедрению в генетику, как и в др. области биологии, новых химических, физических и математических методов.
Было установлено, что гены представляют собой участки гигантских полимерных молекул ДНК и различаются числом и порядком чередования составляющих их пар нуклеотидов. Совместными усилиями генетиков, физиков и химиков было выяснено, что наследственная информация, передаваемая от родителей потомкам, закодирована последовательностью нуклеотидных пар в генах. С помощью ферментов она переписывается (транскрипция) в нуклеотидную последовательность однонитевых молекул матричных (информационных) РНК, определяющих аминокислотную последовательность синтезируемых белках (трансляция), обуславливающих основные свойства организма (у РНК-содержащих вирусов генетическая информация закодирована в нуклеотидной последовательности их РНК). В расшифровке генетического кода, оказавшегося универсальным для всех живых существ, главные заслуги принадлежат Ф.Крику, С. Бреннеру (Великобритания), С. Очоа и М. Ниренбергу (США).
В эти же годы благодаря открытию ряда ферментов (рестриктаз), разрезающих нить ДНК в определенных точках на мелкие фрагменты, научились выделять гены из ДНК хромосом. В 1969 в США Х. Г. Корана с сотрудниками осуществил химический синтез гена.
В 1961 французские генетики Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли регуляторные механизмы включения и выключения работы некоторых генов белкового синтеза у кишечной палочки и разработали на основе этих данных концепцию оперона, которая позже была подтверждена и на др. организмах.
В результате выяснения молекулярных механизмов мутаций были достигнуты большие успехи в изыскании и изучении действия новых мощных химических мутагенов («супермутагенов») и в использовании их в селективной практике. Значительно продвинулись работы и во мн. других областях генетики — в разработке методов защиты генома человека от воздействия физических и химических мутагенов окружающей среды, в раскрытии молекулярно-генетических механизмов регуляции индивидуального развития организмов, в исследовании ранее малоизученных явлений внеядерной наследственности, осуществляемой через пластиды, митохондрии, плазмиды. К концу этого периода относится широкое возрождение генетических исследований в СССР (начиная с 1965).
На современном этапе истории генетики, начавшемся в начале 1970-х годов, наряду с прогрессом почти всех ранее сложившихся направлений, особенно интенсивно развивалась молекулярная генетика, что привело к фундаментальным открытиям и, как следствие, к возникновению и успешной разработке принципиально новых форм прикладной генетики.
Так, еще в 1960-х годах в СССР С. М. Гершензон с сотрудниками, изучавшими репродукцию одного из вирусов насекомых, получили новые данные в пользу того, что генетическая информация может передаваться от РНК к ДНК (обратная транскрипция), а не только от ДНК к РНК, что ранее считалось единственным путем транскрипции. В 1970 американские генетики Г. Темин и Д. Балтимор в опытах с некоторыми РНК-содержащими опухолеродными вирусами животных доказали существование обратной транскрипции, выявили ее молекулярный механизм и выделили осуществляющий ее фермент — обратную транскриптазу (ревертазу), кодируемую вирусным геном. Открытие обратной транскрипции позволило искусственно синтезировать многие физиологически активные гены на основе их матричной РНК и создавать банки генов, как искусственно синтезированных, так и естественных. Большинство этих генов уже секвенированы, т. е. в них определена последовательность нуклеотидных пар. Полученные при секвенировании данные привели к открытию интрон-экзонной структуры большинства генов эукариот.
Выяснение того, что репродукция РНК-содержащих онкогенных вирусов происходит с использованием обратной транскрипции (такие вирусы стали называть ретровирусами), сыграло важную роль в создании современной молекулярно-генетической концепции онкогенеза— возникновения злокачественных опухолей. Вирусогенетическая природа возникновения опухолей была выдвинута еще в сер. 1940-х годов советским вирусологом Л. А. Зильбером, работавшим с ДНК-содержавшим онкогенным вирусом. Однако ее признанию в те годы помешало то, что она не могла объяснить, как РНК-содержащие вирусы вызывают злокачественные опухоли. После открытия обратной транскрипции стало ясно, что вирусогенетическая теория применима к ретровирусам в такой же мере, как и к ДНК-содержащим онкогенным вирусам. В дальнейшем вирусогенетическая теория злокачественного роста стала развиваться гл. обр. на основе гипотезы онкогенов, впервые выдвинутой американскими учеными Р. Хюбнером и Дж. Тодаро и подтвержденной затем многочисленными экспериментальными исследованиями.
Фундаментальное значение для развития генетики имело также открытие и исследование мобильных генетических элементов, впервые предсказанных Б. Мак-Клинток еще в конце 1940-х годов на основе генетических экспериментов на кукурузе. Эти данные не были должным образом оценены до тех пор, пока в конце 1960-х годов широко развернувшиеся работы по генетике бактерий не привели к открытию у них двух классов мобильных генетических элементов. Десятилетие спустя Д. Хогнесс с сотрудниками (США) и независимо от них Г. П. Георгиев с сотрудниками (СССР) выявили мобильные генетические элементы, получившие название мобильных диспергированных генов (МДГ) у дрозофилы. Вскоре было установлено, что подвижные генетические элементы имеются и у других эукариот.
Некоторые мобильные генетические элементы способны захватывать близлежащие гены и переносить их в др. места генома. Такая способность мобильного Р-элемента дрозофилы была использована американскими генетиками Г. Рубиным и А. Спрэдлингом для разработки техники переноса любого выделенного с помощью рестриктаз гена или его части в несвойственное ему место хромосом. Этот метод стал широко применяться для изучения роли регуляторных генов в работе структурных генов, для конструирования мозаичных генов и т. д.
Молекулярно-генетический подход углубил понимание механизма синтеза антител (иммуноглобулинов). Выявление структурных генов, кодирующих константные и вариабельные цепи молекул иммуноглобулинов, и регуляторных генов, обеспечивающих согласованное действие этих структурных генов, позволило объяснить, как обеспечивается возможность синтеза огромного числа различных иммуноглобулинов на основе ограниченного набора соответствующих генов.
Уже на начальных этапах развития генетики сложилось представление о двух основных типах изменчивости: наследственной, или генотипической, изменчивости, обусловленной генными и хромосомными мутациями и рекомбинацией генов, и ненаследственной, или модификационной, обусловленной воздействиями на признаки развивающегося организма различных факторов окружающей среды. В соответствии с этим было принято рассматривать фенотип организма как результат взаимодействия генотипа и факторов окружающей среды. Однако, эта концепция потребовала существенного дополнения. Еще в 1928 Б. Л. Астауров на основании изучения изменчивости некоторых мутантных признаков дрозофилы высказал мысль, что одной из причин изменчивости могут быть случайные отклонения в ходе развития тех или иных признаков (органов). В 1980-е годы эта мысль получила дополнительные подтверждения. Опытами Г. Стента (США) и В. А. Струнникова (СССР), проведенными на разных животных (нематодах, пиявках, дрозофиле, тутовом шелкопряде), было показано, что выраженная изменчивость структурных и физиологических признаков наблюдается даже среди генетически идентичных (изогенных) особей, воспитываемых в идеально однородных условиях среды. Эта изменчивость, очевидно, обусловлена случайными отклонениями в протекании различных внутриклеточных и межклеточных онтогенетических процессов, т. е. тем, что можно охарактеризовать , как «онтогенетический шум». В связи с этим В. А. Струнников развил представление о «реализационной изменчивости», которая участвует в формировании фенотипа наряду с генотипической и модификационной.
Большой вклад в развитие мировой науки внесла наша отечественная генетика. Крупнейшие советские генетики и цитологии открыли ряд важнейших закономерностей наследственности и изменчивости. Такие ученые, как И.Д.Чистяков, описавший деление клетки, С.Г. Навашин, открывший двойное оплодотворение у цветковых растений, Н.И.Вавилов, сформулировавший закон гомологических рядов наследственной изменчивости, И.В.Мичурин, создавший новые методы селекции плодовых растений, Г.Д. Карпеченко – автор метода преодоления бесплодия отдаленных гибридов, С.С.Четвериков – основатель популяционной генетики, Ю.А.Филипченко – зачинатель изучения частной генетики, А.С.Серебровский – пионер изучения тонкого слоя гена, Н.К.Кольцов, развивший концепцию о химической природе гена и заложивший основы селекции. В.С.Кирпичников – генетические основы селекции рыб и ряд других, создали свои научные школы и разработали целые направления, которые заняли почетное место в истории мировой генетики.
Генетика в России и СССР
Если не считать опытов по гибридизации растений в XVIII в., первые работы по генетике в России были начаты в начале XX в. как на опытных сельскохозяйственных станциях, так и в среде университетских биологов, преимущественно тех, кто занимался экспериментальной ботаникой и зоологией.
После революции и гражданской войны 1917—1922 гг. началось стремительное организационное развитие науки. К концу 1930-х годов в СССР была создана обширная сеть научно-исследовательских институтов и опытных станций (как в Академии наук СССР, так и во Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ)), а также вузовских кафедр генетики. Признанными лидерами направления были Н. И. Вавилов, Н. К. Кольцов, А. С. Серебровский, С. С. Четвериков и др. В СССР издавали переводы трудов иностранных генетиков, в том числе Т. Х. Моргана, Г. Мёллера, ряд генетиков участвовали в международных программах научного обмена. Американский генетик Г. Мёллер работал в СССР (1934—1937), советские генетики работали за границей. Н. В. Тимофеев-Ресовский — в Германии (с 1925 г.), Ф. Г. Добржанский — в США (с 1927 г.).
В 1930-е гг. в рядах генетиков и селекционеров наметился раскол, связанный с энергичной деятельностью Т. Д. Лысенко и И.И. Презента. По инициативе генетиков был проведен ряд дискуссий (наиболее крупные—в 1936 и 1939 г.), направленных на борьбу с подходом Лысенко, но их результаты были довольно неопределенными.
На рубеже 1930—1940-х гг. в ходе так называемого Большого террора большинство сотрудников аппарата ЦК ВКП(б), курировавших генетику, и ряд видных генетиков были арестованы, многие расстреляны или погибли в тюрьмах (в том числе, Н.И. Вавилов). После войны дебаты возобновились с новой силой. Генетики, опираясь на авторитет международного научного сообщества, снова попытались склонить чашу весов в свою сторону, однако с началом Холодной войны ситуация значительно изменилась. В 1948 году на августовской сессии ВАСХНИЛ Т.Д. Лысенко, пользуясь поддержкой И. В. Сталина, объявил генетику лженаукой. Лысенко воспользовался некомпетентностью партийного руководства наукой, «пообещав партии» быстрое создание новых высокопродуктивных сортов зерна («ветвистая пшеница») и др. С этого момента начался период гонений на генетику, который получил название лысенковщины и продолжался вплоть до снятия Н.С. Хрущева с поста генерального секретаря ЦК КПСС в 1964 г.
Лично Т.Д. Лысенко и его сторонники получили контроль над институтами отделения биологии АН СССР, ВАСХНИЛ и вузовскими кафедрами. Были изданы новые учебники для школ и вузов, написанные с позиций «Мичуринской биологии». Генетики вынуждены были оставить научную деятельность или радикально изменить профиль работы. Некоторым удалось продолжить исследования по генетике в рамках программ по изучению радиационной и химической опасности за пределами организаций, подконтрольных Т.Д. Лысенко и его сторонникам.
Сходные с лысенковщиной явления наблюдались и в других науках. Наиболее известные кампании прошли в цитологии (в связи с учением О.Б. Лепешинской о живом веществе), физиологии (борьба К. М. Быкова и его сторонников за «наследие» И.П. Павлова) и микробиологии (теории Г. М. Бошьяна).
Генетика М. Е. Лобашёва, 1-е издание - учебник 1963 г., который вслед перерабатывает и в 1969 г. выходит его второе издание, дано древо жизни. Первый учебник генетики для вузов после периода лысенковщины.
С середины 1960-х г. началось восстановление генетики. В 1963 г. вышел в свет университетский учебник М. Е. Лобашёва Генетика, выдержавший впоследствии несколько изданий. В настоящее время исследования по генетике продолжаются в крупных научных центрах России.