.
Меню сайта
|
Наследственность
Растения и животные
НаследственностьЧто такое наследственность? От чего она зависит, чем она определяется? Такой вопрос задает себе каждый человек. Почему дети похожи на своих родителей, братья на сестер и т. д.? Почему каждый вид животного или растения на протяжении многих лет сохраняет свои особенности, а каждая порода сельскохозяйственных животных или сорт растений передают свои ценные особенности потомству? Наука, изучающая наследственность, называется генетикой. Это сравнительно молодая наука, хотя вопросами наследственности люди интересовались уже давно. В середине XIX в. Дарвин, разрабатывая теорию естественного отбора, уделял большое внимание вопросам изменчивости и наследственности и использовал опыт животноводов и растениеводов, разрешая проблему происхождения животных и растений. К этому же времени относится и ряд других работ, посвященных изучению явлений наследственности. Хотя генетика как определенная научная дисциплина оформилась значительно позже, первые попытки разрешения проблемы наследственности относятся именно к середине и отчасти к началу XIX в., когда эти вопросы ставятся в работах Найта, Дарвина, Гертнера, Нодена, Вихура и др. Правда, в этот период удалось достигнуть немногого: был лишь накоплен некоторый материал. Законы наследования еще не были открыты. Однако уже в этот период было выяснено, что оба родителя в равной мере принимают участие в передаче наследственных особенностей детям, что при скрещивании различных форм в первом поколении получается однородное потомство, а в дальнейших поколениях происходит расщепление. Еще в конце XIX в. многие ученые-биологи обратили внимание на хромосомы, помещающиеся в ядре клетки (см. ст. «Клеточное строение растений и животных»). Казалось поразительным, что каждому виду животных или растений свойственно определенное число хромосом, что при делении клетки хромосомы раздваиваются и каждая дочерняя клетка получает опять полное число хромосом. Еще в 80-х годах XIX в. крупнейшие ученые того времени, изучавшие клетку (Флеминг, Страсбургер, Ван-Бенеден, Ру и др.), пришли к заключению, что с хромосомами связана передача потомству наследственных признаков. Современная наука подтвердила их выводы. Для этого потребовались упорная работа ученых и разработка новых методов исследований. Первые эксперименты с изучением наследственности были проведены и опубликованы еще в 1865 г. выдающимся чешским ученым Грегором Менделем, но широкому кругу ученых эти опыты стали известны только в начале XX в., после того как многие биологи провели подобные опыты на самых различных животных и растениях. Приведем для примера результат опыта, проведенного австрийским ученым Корренсом с садовым растением ночная красавица. Он скрестил растение с красным цветом венчика с растением, имеющим белый венчик. В первом поколении, полученном от этого скрещивания, все растения имели только розовые цветки. Эти растения в свою очередь были скрещены между собой. Во втором поколении наблюдалась на первый взгляд неожиданная картина: здесь были растения с красными, с розовыми и с белыми цветками. Причем когда подсчитали количество расцветок венчиков этого второго, внучатого, поколения, то оказалось, что одна четверть растений имела красные цветки, две четверти — розовые и одна четверть — белые (см. рис.). Однако следует заметить, что в опытах с другими растениями получались не совсем такие результаты: в первом поколении наблюдались не промежуточные по данному признаку особи, а полностью похожие на одного из родителей. Так, при скрещивании гороха с желтыми и зелеными семенами в первом поколении получались растения только с желтыми семенами, а во втором поколении три четверти было желтых семян и одна четверть зеленых. В этом случае можно сказать, что желтая окраска семян полностью преобладает (доминирует) над зеленой (рецессивной, т. е. уступающей) окраской. У растения ночная красавица, о котором говорилось выше, красная окраска венчика доминирует не полностью (розовые венчики). Во втором же поколении наблюдается расщепление в отношении: три к одному или один к двум, к одному, в зависимости от степени доминирования. Эту закономерность в наследовании называют законом расщепления Менделя. Приняв за основу хромосомную теорию наследственности, т. е. учение о том, что наследственный признак определяется хромосомами, можно без труда объяснить этот закон. Схема, приведенная здесь, показывает, что красная окраска венчика зависит от парных хромосом одного растения, которые окрашены для наглядности черной краской, а белая — от такой же пары хромосом другого растения (на схеме они белого цвета). При образовании половых клеток (гамет) число хромосом уменьшается вдвое и каждая зрелая половая клетка получает от каждой пары одну хромосому. После оплодотворения число хромосом снова становится парным. На этой же схеме с хромосомами показано, что особи первого поколения (розовые) образуют два типа гамет: одни с хромосомой, несущей ген красного цвета, другие — ген белого цвета. Далее, при скрещивании между собой особей первого поколения равновозможны различные сочетания этих гамет. В итоге получается, что во втором поколении на одну красную особь приходится две розовые и одна белая. Произошло расщепление признаков. При постановке подобных опытов необходимо во втором поколении получать возможно большее потомство, так как половые клетки, образуемые особями первого поколения, различны (красные и белые), и чем больше произойдет оплодотворений между этими клетками, тем более вероятно ожидаемое экспериментаторами соотношение в потомстве. Мы разобрали пример скрещивания у растений, отличающихся одной парой признаков (красный и белый). Но ученые проводили опыты с растениями и животными, в которых скрещиваемые организмы отличались двумя парами или большим количеством признаков. Эти опыты показали, что каждая пара признаков (красный — розовый, высокий — низкий) наследуется независимо одна от другой. Впоследствии, как мы увидим ниже, обнаружилось, что такой результат получается лишь в том случае, если различные пары признаков зависят от генов, расположенных в разных парах хромосом. * * * Развитие генетических исследований привело к целому ряду важнейших открытий, доказавших правильность хромосомной теории. С 20-х годов XX в. было проведено большое количество исследований экспериментального характера генетиками зарубежных стран, а также генетиками СССР. На разных объектах, и прежде всего на плодовой мушке дрозофиле, изучался процесс возникновения мутаций. Мутациями в генетике называют наследственные изменения. До этого времени мутации были известны в сравнительно небольшом числе; причины их возникновения оставались неясными. Но в эти годы уже широко ставились работы по искусственному вызыванию мутаций при помощи внешних воздействий. Зародилась новая ветвь в биологии — радиобиология. Лучи рентгена, ультрафиолетовые лучи и другие виды лучистой энергии стали использоваться для искусственного вызывания мутаций (см. ст. «Действие радиации на растение»). Было применено воздействие на организм различных химических факторов и т. п. В результате этих исследований было выяснено, что различные мутации связаны с различными изменениями в хромосомах. Назовем важнейшие из них: 1. Мутации могут заключаться в изменении числа хромосом. Например, вместо 14 хромосом, характерных для данного вида животного или растения, их может быть в полтора, в два раза больше — 21, 28, или их число благодаря отсутствию или присутствию отдельных хромосом может быть любым (12, 13, 15 и т. п.). Такие мутации, при которых число хромосом удваивается (28) или увеличивается в полтора раза (21), называются полиплоидными (диплоидным числом хромосом называют в генетике обычное, или парное, число хромосом). 2. Мутации, заключающиеся в изменении структуры отдельных хромосом. Например, от какой-нибудь хромосомы А отделяется ее часть и прикрепляется к другой, парной ей хромосоме Б или к хромосоме другой пары. Иногда часть хромосомы вовсе теряется (этот вид мутаций часто ведет к нежизнеспособности особи). 3. Самыми интересными мутациями оказались такие, когда никаких видимых изменений ни в числе хромосом, ни в их строении не наблюдается. Ученые правильно предположили, что такие мутации связаны с химическими изменениями в самих генах Мутации возникают, как правило, в половых клетках и обнаруживаются поэтому в потомстве особей, подвергшихся влиянию тех или иных внешних факторов. Кроме того, надо иметь в виду, что хромосомы есть почти во всех способных к размножению клетках организма. Поэтому внешние факторы, химические и физические, могут вызывать изменения в хромосомах этих клеток, а затем и изменения в тканях, развивающихся из пораженных клеток. Такие мутации называются соматическими (от слова «сома» — тело). Выдающимся советским генетиком Н. И. Вавиловым было установлено, что у родственных видов растений часто возникают сходные мутационные изменения, например, в таких признаках, как окраска колоса и остистость у злаков. Открытие Н. И. Вавилова получило название закона гомологических рядов. Эта закономерность объясняется сходным составом генов в хромосомах различных видов. На основании закона гомологических рядов можно предвидеть появление тех или иных полезных изменений у культурных растений (см. т. 7 ДЭ, ст. «Николай Иванович Вавилов»). Работами ученых — Моргана, Меллера, Пайнтера, Дубинина, Астаурова и др.— было доказано, что наследственные факторы — гены — размещаются (локализуются) в хромосомах и что они расположены линейно, т. е. в один ряд. Тем самым был установлен факт сцепления генов, расположенных в одной и той же хромосоме. Это значит, что если предварительно не произойдет разрыва хромосомы (а это иногда бывает), то гены наследуются зависимо друг от друга. Путем очень сложных и тонких экспериментов удалось для некоторых животных и растений (дрозофила, куры, кукуруза) установить порядок расположения мутировавших генов. Появились в печати планы и карты хромосом этих организмов. В 30-х годах генетик Пайнтер предложил новый метод исследования строения хромосом. Дело в том, что у некоторых насекомых в клетках слюнных желез (например, в слюнных железах личинок мухи дрозофилы) были обнаружены «гигантские хромосомы», которые представляли собой, по сути дела, целый пучок вытянутых хромосом, хорошо видимых в световой микроскоп. Наличие пучков объясняется тем, что при росте клеток слюнных желез хромосомы расщеплялись по длине (так же как они расщепляются при обычном делении клеток), но ядро и клетка при этом не делились. На препаратах из «гигантских хромосом» гораздо лучше можно было видеть малейшие изменения в хромосомах при изучении тех или иных мутаций. Очень интересной иллюстрацией роли хромосом в наследственности может служить наследование пола, т. е. вопрос о том, почему у животных и человека рождаются особи мужского или женского пола. Оказалось, что это зависит от того, что одна пара хромосом неодинакова у особей мужского и женского пола. Рисунок внизу страницы изображает хромосомные комплексы самки и самца мухи дрозофилы. У самки одна из пар хромосом представлена двумя одинаковыми хромосомами, обозначенными на рисунке хх, а у самца соответствующая пара хромосом обозначена ху. У самца одна хромосома такая же, как у самки, а другая особая, отличающаяся даже по форме. Вспомните, что при образовании половых клеток парные хромосомы расходятся. Отсюда следует, что у самок все яйцевые клетки будут иметь одну х-хромосому, а у самца сперматозоиды будут иметь одну х-хромосому или одну у-хромосому. Если яйцо оплодотворено х-хромосомой, то получится самка, а если у-хромосомой — самец (см. схему наследования пола). В х-хромосомах также расположены гены, которых нет в у-хромосомах. Если в этих генах произойдет мутация, то они будут наследоваться зависимо от пола. Так наследуются некоторые болезни человека, например гемофилия (кровоточивость), дальтонизм — неразличение некоторых цветов спектра и др. К началу второй мировой войны огромное количество исследований доказало правильность хромосомной теории наследственности. Было ясно, что именно хромосомы, а не какие-либо другие части клетки регулируют передачу потомству наследственных качеств. Но оставалось выяснить самое главное — химическую структуру хромосом. Какие вещества, входящие в состав хромосом, определяют наследственность и как это происходит? Исследование этих вопросов сопровождалось дальнейшим развитием генетики, ее новыми большими успехами. Эти успехи зависели от многих причин, и прежде всего от совершенствований методов исследований. Изобретение и применение электронного микроскопа позволило проникнуть в изучение таких деталей в строении клетки, которые ранее не были известны (см. ст. «В недрах клетки»). Большое значение имело и то, что возникло крайне полезное содружество генетики с другими науками: микробиологией, биохимией, физикой, математикой, кибернетикой. Кроме того, совершенствовались одни и применялись другие, новые методы исследований: использование различных форм лучистой энергии, фотографирование в ультрафиолетовом свете, применение меченых атомов и др. Особое внимание было обращено на строение ядра и хромосом. Посмотрим, каковы же важнейшие открытия последних лет и к каким выводам они привели. Выяснено, что и в цитоплазме, и в ядре в том или ином количестве всегда находятся так называемые нуклеиновые кислоты. Среди них различают дезоксирибонуклеиновую кислоту, кратко называемую ДНК, и рибонуклеиновые кислоты — РНК. При этом установлено, что ДНК встречается почти только в хромосомах ядра клетки, а РНК — как в ядре, так и в цитоплазме. Замечательно, что еще в 1910 г. учеными был обнаружен интересный факт: в сухом весе сперматозоидов животных, состоящих в основном из ядер, 60%составляет ДНК, 35% — белки и 5% — прочие вещества. А это доказывает, что ДНК помещается почти исключительно в ядре клетки. Исследования показали, что хромосомы состоят из белка и молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты. Молекулы ДНК в хромосомах — это довольно крупные полимерные молекулы, состоящие из закономерно повторяющихся звеньев (см. т. 3 ДЭ, ст. «Полимеры»). Замечательной особенностью молекул ДНК в хромосомах является их способность к самовоспроизведению (ауторепродукции). Перед каждым делением клетки эти молекулы удваиваются, благодаря чему дальнейшие поколения клеток получают такие же молекулы ДНК. Расщепление хромосом при делении клетки неразрывно связано с ауторепродукцией молекул ДНК. Такое самовоспроизведение объясняется тем, что определенные звенья этих молекул как бы притягивают к себе находящиеся в цитоплазме и проникающие в ядро «обломки» других молекул. Далее было выяснено и доказано, что именно молекулы ДНК определяют направление развития наследственных качеств организма, или, говоря языком современной науки, заключают в себе всю наследственную информацию. Основой жизни животного или растения и их клеток являются белки — сложнейшие органические соединения, состоящие из большего или меньшего количества аминокислот. В организме животного и растения много всевозможных белков, имеющих различное функциональное значение. Так, например, в мышечных волокнах заключается белок миозин, в эритроцитах — гемоглобин, в поджелудочной железе — инсулин и т. п. В процессах обмена веществ огромное значение имеют также разнообразные белки — ферменты (см. ст. «Биохимия — наука о превращениях веществ»). Синтез, т. е. образование белков, происходит в цитоплазме клетки, а специфические особенности белков определяются генетической информацией, заключающейся в ДНК хромосом. Если удваивание молекул ДНК происходит за счет других соединений, получаемых из цитоплазмы, то и синтез белков в цитоплазме происходит под контролем ДНК. В процессе синтеза белков принимают участие также молекулы трех различных видов рибонуклеиновых кислот. Рибонуклеиновые кислоты отличаются от ДНК тем, что они меньше по размерам и состоят из меньшего количества звеньев, именуемых нуклеотидами (в молекуле ДНК от 15 до 30 тыс. нуклеотидов, в молекуле РНК — лишь 4—6 тыс.). Если посмотреть химический состав названных кислот, то молекула ДНК содержит остатки сахара —дезоксирибозы, а молекула РНК содержит остатки другого сахара — рибозы. Отсюда и название этих кислот. В процессе синтеза белков одна из рибонуклеиновых кислот активирует аминокислоты, используя энергию, которую вырабатывают в цитоплазме митохондрии (см. ст. «В недрах клетки»). Другая РНК, которую называют информационной, передает от молекул ДНК, находящихся в хромосомах, генетическую информацию в рибосомы цитоплазмы. А здесь под влиянием третьего типа РНК завершается синтез белка. Процесс синтеза белков как нельзя лучше показывает теснейшую взаимосвязь между биохимическими процессами, происходящими в цитоплазме и в ядре. Много важнейших открытий за последние годы было сделано исследователями, работающими с микроорганизмами: вирусами, бактериями, низшими грибами. Для примера приведем некоторые факты особо важного значения, открытые при исследовании жизнедеятельности так называемых фагов (см. ст. «Микробы»).
На странице 52 показано строение одного из фагов. Он имеет тело грушевидной формы, заканчивающееся небольшим «хвостиком». Стенка тела и хвостик состоят из белка. Внутри тела помещается молекула ДНК. Когда фаг нападает на бактерию, он растворяет концом хвостика оболочку бактерии и сокращением своего тела как бы впрыскивает внутрь бактерии молекулу ДНК, причем белки, составляющие тело фага, почти не попадают внутрь бактерии. Попавшая внутрь бактерии молекула ДНК фага путем ауторепродукции размножается, и под влиянием ее распадаются и разрушаются белки и нуклеиновые кислоты бактерии. Допустим, что ДНК фага в результате повторной ауторепродукции в теле бактерии образовала несколько молекул. Эти молекулы начинают синтезировать белки за счет «осколков» разрушенных частей тела бактерии, причем синтезируется не бактериальный белок, а специфичный для данного фага. Образуются молодые фаги, из синтезированного белка они строят свое тело соответственно числу молекул ДНК. Тело бактерии разрушается, а молодые фаги готовы для нападения на другие бактерии. Открытие биологией размножения фага имеет двоякое значение: 1. Блестяще подтверждает исключительную роль ДНК в наследственности. 2. Подчеркивает единство основных жизненных процессов, и прежде всего синтеза специфических белков на всех ступенях органической жизни — от вирусов до человека включительно. Теперь еще несколько слов о генах. Исследования последних лет выяснили материальную природу генов. Оказалось, что гены представляют собой небольшие участки в длинной молекуле ДНК, причем в одной молекуле могут заключаться тысячи таких генов. Каждый из генов определяет тот или иной вид наследственной информации, заключающийся в молекуле ДНК. Так, можно себе представить ген, вызывающий гемофилию — кровоточивость у человека; ген, от которого зависит устойчивость или неустойчивость к антибиотикам у бактерий; гены, повышающие или понижающие эффективность антибиотиков, и т. п. Кстати, о генах бактерий. Благодаря возможности получения у бактерий под влиянием различных условий разных мутаций, нам известны не только мутировавшие гены, но и порядок их расположения в хромосомах. Они расположены линейно, так же как располагаются гены в хромосомах кукурузы, дрозофилы и других высших животных и растений. Успехи генетики как в довоенный период, так и за последние годы имеют огромное практическое значение. В сельском хозяйстве генетика помогает получить более продуктивный скот и более устойчивые к различным неблагоприятным условиям сорта сельскохозяйственных растений. В медицине она помогает найти более эффективно действующие антибиотики, выяснить причины наследственных заболеваний и разработать методы профилактики и лечения их. Рассмотрим некоторые примеры, показывающие значение генетической науки для практики. Известными селекционерами Сапегиным, Делоне и др. путем воздействия рентгеновых и ультрафиолетовых лучей были получены сорта пшеницы, устойчивые к засухе, с неполегающими стеблями и более крупным зерном. В. В. Сахаров, М. Е. Лобашев и др. разработали методы получения мутаций путем воздействия различных химических веществ. Воздействуя колхицином, В. В. Сахаров получил полиплоидную гречиху, отличающуюся более крупными зернами. Лутков (Новосибирск), Турбин (Белоруссия) получили триплоидную свеклу, дающую на 20% больше сахара. Американские генетики разработали более эффективный способ получения гибридных семян кукурузы, что значительно повысило ее урожайность. Этот метод в последние годы применяется и в Советском Союзе. Под руководством Д. К. Беляева (Институт генетики Сибирского отделения Академии наук СССР) выведены новые породы норок с различной окраской меха (коричневых, голубых, бежевых) Особенно интересны достижения в области получения наиболее эффективных антибиотиков и их продуцентов. (Продуцентом пенициллина, например, является плесневый грибок пеницилл.) Под влиянием различных воздействий на культуру грибка удалось повысить его продуктивность в 500 раз. Недавно получен антибиотик эритромицин, действующий на устойчивые к пенициллину формы возбудителей болезней. Дальнейшее развитие работ по использованию данных современной генетики в селекции и медицине несомненно приведет к еще более значительным успехам. |
ПОИСК
Block title
|