Мутации

Во второй половине XIX в. перед ученым миром встала и еще одна проблема: в резуль­тате последних достижений физики длинная история Земли оказалась гораздо короче той, что представлялась. Закон сохранения энер­гии требовал разрешить вопрос: откуда приходит энергия Солнца? Тогда еще ничего не было известно ни о ядерной энергии, ни о радиоактивности. Можно было бы предполо­жить, что эволюция шла скачками, посколь­ку в свете открытий физики оказалось, что для постепенной «дарвинистской» эволюции попросту не хватает времени.

Голландский ботаник Хуго де Ври (1848—1935) был одним из сторонников эволюции скачков. К своей теории мутаций он пришел позже Менделя, но тем же пу­тем, наблюдая за растущими в собственном саду растениями. Он обнаружил, что инди­видуальные характеристики передаются из поколения в поколение без смешения и усреднения, причем в каждом поколении по­является новая разновидность растений од­ного и того же вида, отчетливо отличающа­яся от прочих, и она также закрепляется наследственно. Де Ври назвал эти внезап­ные изменения мутациями (по-латыни — «изменения»).

Такие скачкообразные изменения в гене­тике всегда были известны простым скотово­дам. К примеру, в Новой Англии в 1791 г. появилась закрепленная мутация коротконо­гой овцы. Ее закрепляли и разводили толь­ко потому, что она не могла перепрыгивать изгороди — а значит, облегчала задачу ско­товода. Однако скотоводы не были озабоче­ны теоретическими изысканиями, а ученые до поры до времени не вдавались в пробле­мы скотоводов.

Когда де Ври уже готовился опубликовать свои выводы, добросовестное изучение преды­дущих работ по теме открыло перед его изум­ленным взором 34-летней давности изыскания Менделя. Кроме того, еще двое ученых, немец Карл Э{5их Корренс и австриец Эрих фон Сейсенег, в том же году опубликовали работы, весьма сходные с работой де Ври. И все трое независимо процитировали выводы Менделя и привели свои в подтверждение его прозор­ливости.

Таким образом, были разрешены казавши­еся неразрешимыми вопросы дарвинизма.

ХРОМОСОМЫ

В XX в. законы Менделя приобрели еще большее значение.

Ученые, работавшие над клеточной тео­рией в течение XVIII и начала XIX в., не видели слишком многого, даже имея улуч­шенный микроскоп. Клетка — это прозрач­ное тело, следовательно, специалисты дол­жны были описать ее вдоль и поперек. Но они не видели в ней ядра — уплотнения в центре. Первым его обнаружил шотландец-ботаник Роберт Браун (1773 — 1858), сделав­ший предположение о ядре в 1831 г.

Семь лет спустя, когда Шлейден выдвинул клеточную теорию, он обратил особое внима­ние на ядро. Ученый догадался, что именно ядро связано с репродуктивной функцией, однако считал, что новые клетки «вырастают» прямо из его поверхности. К 1846 г. Нагели показал, что это неверно. И все же в первой части своего предположения Шлейден оказал­ся прав: именно ядро отвечало за деление. На­копленные знания требовали усовершенство­вания методики детального изучения строения клетки.

Методика пришла сама собою и совсем из иной области: из органической химии. Вслед за открытиями Бертло химики-органики на­чали разрабатывать методики синтеза орга­нических веществ, которых нет в природе. Многие из них были ярко окрашенными и в 1850-х годах положили начало гигантской индустрии синтетических красителей.

Если содержание клетки действительно гетерогенно, вполне возможно, что некото­рые части могут реагировать с определенным химическим агентом и абсорбировать его, в то время как другие части не могут. Если агент является красителем, то в результате некоторые части клетки будут окрашены, в то время как иные — нет. Благодаря такой методике можно наблюдать не замеченные прежде детали строения.

Наиболее известным в биологии экспери­ментатором в данной области является немец­кий цитолог Уолтер Флемминг (1843—1905). Он изучал животные клетки и обнаружил, что внутри ядра клетки имеются пятна материала, интенсивно абсорбируемые красителем. Они ярко выступают на бесцветном фоне. Флемминг назвал этот абсорбирующий материал хроматином (от греческого «цвет»).

Когда Флемминг окрашивал сектор расту­щей ткани, он убивал клетки, однако каждая из _>шх находилась на определенной стадии деления. В 1870-х годах Флемминг начал работать над изменениями в хроматиновом (окрашенном) материале, которые сопровож­дают прогрессивные изменения в делении клеток.

Он обнаружил, что, как только начался процесс деления клеток, окрашенный мате­риал разделился на короткие нитеобразные объекты, которые позже были названы хро­мосомами (окрашенными телами). Посколь­ку эти нитеобразные хромосомы характерны для делящихся клеток, Флемминг назвал процесс митозом (от греческого «нить»).

Другие изменения, сопровождающие на­чало митоза, демонстрировали звездообраз­ные фигуры (по-гречески «астра» — «звез­да»). Объекты были похожи на крошечные точки, окруженные тонкими, расходящими­ся во все стороны нитями. По окончании деления астры два объекта расходились к разным полюсам клетки. Тонкие нити будто натягивали хромосомы, которые группирова­лись посередине клетки.

В решающий момент деления каждая хро­мосома давала точную копию самой себя. Сдвоенные хромосомы впоследствии расхо­дились поврозь, но одной из каждого дупле­та—к каждому полюсу.

Клетка делилась, и посередине ее форми­ровалась мембрана. На месте одной мате­ринской клетки возникали две дочерние, каждая — с равным числом окрашенного материала (благодаря дублированию хромо­сом), таким образом, чтобы каждая хромосо­ма дочерней клетки присутствовала когда-то в материнской клетке. В 1882 г. Флемминг опубликовал свои наблюдения.

Далее работу продолжил бельгийский цитолог Эдуард ван Бенеден (1864 — 1910). В 1887 г. он продемонстрировал два важных факта поведения хромосом. Во-первых, он представил доказательства того, что число хромосом постоянно в разных клетках орга­низма, а во-вторых, что каждый вид харак­теризуется своим числом хромосом (теперь, к примеру, известно, что каждая клетка че­ловека содержит 46 хромосом).

Далее он обнаружил, что формирование половых клеток — яйцеклеток и спермато­зоидов — не сопровождается репликацией (удвоением) хромосом. Каждая яйцеклетка и каждый сперматозоид получают только половину обычного набора хромосом.

Американский цитолог Уолтер Саттон (1876 — 1916) указал в 1902 г., что поведе­ние хромосом подтверждают наследственные факторы по Менделю. Каждая клетка име­ет фиксированное число пар хромосом. Они способны продуцировать физические харак­теристики от клетки к клетке, поскольку при каждом клеточном делении число хромосом аккуратно сохраняется; каждая хро­мосома реплицируется для того, чтобы сфор­мировать новую клетку.

Стадии митоза:

1 — хромосомы формируют ядро; 2 — они начинают рас­щепляться на две идентичные половины; 3 — хромосомы разделились, однако остаются сдвоенными у центра; 4 — они выстроились в линию, и «астры» отодвинулись к двум полюсам; 5 — хромосомы разделились и двинулись к по­люсам; 6 — клетка начинает удлиняться; в результате сформировываются две идентичные клетки, каждая со сво­им ядром и одинаковым количеством хроматина, как в ма­теринской клетке на первой стадии.

При формировании половых клеток каж­дая получает только половину обычного на­бора хромосом (одну из каждой пары). Ког­да происходит оплодотворение от слияния сперматозоида и яйцеклетки, восстанавлива­ется обычное число хромосом. Когда опло­дотворенное яйцо делится вновь и вновь для формирования независимого организма, на­бор хромосом тщательно восстанавливается. В новом организме одна из каждой пары хромосом приходит от материнского орга­низма, а другая — от отцовского. Бесчис­ленные комбинации в дальнейшем произво­дят всевозможные вариации характеристик, на которые только способен естественный отбор.

В начале XX в. теорией эволюции и гене­тикой была достигнута определенная верши­на. Однако оказалось, что это лишь прелю­дия к еще более потрясающим открытиям.