Что же является материальной основой наследственности?
Какие структуры и процессы обеспечивают наследственную преемственность и определяют характер индивидуального развития? Исследованиями генетиков и цитологов было установлено, что передача наследственности обеспечивается механизмами воспроизведения клетки, способностью ее структурных элементов точно «копировать» себя. Материальной основой наследственности являются все элементы клетки, обладающие свойством воспроизводить зря и распределяться по дочерним клеткам в процессе деления. При этом оказалось, что особенно важную роль играют процессы воспроизведения и распределения специфических структур ядра клетки — хромосом. Хромосомы являются основными структурами, которые обеспечивают материальную основу наследственности и отвечают всем условиям, необходимым для обеспечения преемственности между поколениями. Хромосомы воспроизводят свою точную копию, строго регистрируют происходящие в них изменения, кодируют с помощью генов систему определения признаков и закономерно расходятся в процессе клеточного деления, В результате изучения этих явлений была создана хромосомная теория наследственности, установившая, что в хромосомах находятся гены, которые распределяются в поколениях соответственно распределению хромосом при делении клеток. Хромосома является системой линейно сцепленных генов, обеспечивающих хранение и передачу информации.
Убедительно доказана роль и цитоплазматических компонентов клетки в определении наследования признаков и свойств. Слово наследование, а не наследственность употреблено здесь не случайно. Эти два понятия приходится строго различать, хотя часто их употребляют как синонимы.
В собственном смысле слова в понятие наследственности входит свойство генов детерминировать построение специфической белковой молекулы и развитие признака. Понятие же наследования отражает лишь наличие процесса передачи информации от одного клеточного или организменного поколения другому. Переданная через цитоплазму информация первично также определена генами. Поэтому в более широком смысле под наследственностью можно понимать все механизмы передачи информации в ряду поколений. В частности, у животных, обладающих нервной системой, мы встречаемся с особым типом чисто функциональной преемственности приспособительных реакций между поколениями, когда потомство в порядке подражания родителям вырабатывает те же условные рефлексы, которые приобрели родители в индивидуальной жизни. В основе этой преемственности лежит механизм условного рефлекса, и поэтому она может быть названа сигнальной наследственностью. Сигнальная наследственность возникла в процессе эволюции как специальный механизм передачи индивидуального приспособления. Подробнее об этом будет сказано позднее.
Итак, наследственностью называется свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обусловливать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды.
Наряду с явлением наследственности в предмет исследования генетики входит изучение процесса изменчивости. Изменчивость является свойством, противоположным наследственности; она заключается в изменении наследственных задатков — генов и в изменении их проявления в процессе развития организмов.
Существуют различные типы изменчивости. Изменение свойств и признаков организма может быть обусловлено изменением одного или нескольких генов под влиянием тех или иных условий среды. Такие изменения называются мутациями. Мутации возникают скачкообразно как новые качественные изменения. Например, кролика вместо окраски агути — белая, коричневая или черная, из остистой пшеницы — безостая, и т. д. Эти изменения сохраняются в поколениях до следующей мутации.
Изменчивость может быть обусловлена не только мутацией генов, но и сочетанием различных генов, новая комбинация которых приводит к изменению определенных признаков и свойств организма. Такой тип изменчивости называют комбинативной наследственной изменчивостью. Например, при скрещивании белых и черных кроликов в потомстве могут появляться «голубые» кролики.
В процессе индивидуального развития наблюдается закономерное изменение морфологических, физиологических, биохимических и других особенностей организма, причем время и порядок появления этих изменений в онтогенезе определяются наследственностью организма. Такая изменчивость называется онтогенетической, или фенотипической.
Развитие организма всегда совершается в определенных условиях среды, причем в зависимости от различий конкретных условий развитая проявление действия гена может изменяться. Такая изменчивость в проявлении генов в зависимости от варьирования условий среды называется модификационной изменчивостью. Конкретная флуктуация признака не наследуется; однако пределы модификационной изменчивости (норма реакции) организма определяются его наследственностью.
В принципе в организме нет ненаследственных изменений, любые изменения признаков наследственно детерминированы.
Наследственность является процессом, обеспечивающим сохранение не только сходства, но и различий организмов в ряду поколений. Эти наследственные различия возникают в силу изменчивости наследственных свойств. Поэтому наследственность и изменчивость являются двумя сторонами, характеризующими эволюцию органических форм.
При половом размножении, когда при скрещивании происходит объединение разных наследственных начал двух организмов, наследственность как бы фиксирует процесс изменчивости не только этих двух отдельных особей, но и изменчивость всего вида. Отсюда вытекает очень важное генетическое представление о том, что индивидуальное развитие организма является отражением истории развития не отдельной особи, а истории становления вида.
Последнее обстоятельство необходимо иметь в виду особенно при рассмотрении вопроса о так называемом наследовании благоприобретенных признаков. Признание наследования таких признаков основывается на ошибочном допущении возможности сохранения опыта отдельного индивидуума. Между тем известно, что уровень приспособления организма определяется не только его индивидуальными особенностями, но и общими жизненными «интересами» вида, т. е. приспособлением к условиям существования вида в целом. Жизнеспособность индивидуума обеспечивается степенью жизнеспособности вида. Именно этим можно объяснить, например, тот факт, что существует разделение на мужской и женский пол, а в пчелиной семье — даже на три типа организмов с различными функциями: матки, рабочие пчелы и трутни. Каждый индивидуум «преследует» какие-то «личные интересы» в противовес всей совокупности приспособительных механизмов вида, и если бы это не контролировалось отбором, то вид перестал бы существовать как система и распался. При этом возникла бы альтернатива: либо индивидуумы вымирали бы в силу отсутствия достаточных средств для воспроизведения, либо образовалось бы столько же видов, сколько особей имеется в данном поколении. Однако ни того, ни другого не происходит, так как на сцену выступает контролирующий фактор эволюции, который ограничивает воспроизведение, распространение и численность организмов, а также оценивает приспособительные механизмы с позиций интересов вида. Именно поэтому явления наследственности и изменчивости, их место в процессе эволюции мы должны оценивать с точки зрения закономерностей существования вида как целого. Общие, т. е. видовые, приспособительные механизмы, которые наследственно закрепляются в процессе эволюции под контролем естественного отбора, выявляются лишь через индивидуальное развитие организма.
Итак, предметом изучения генетики являются наследственность и изменчивость — два противоположных и вместе с тем неразрывно связанных между собой процесса, свойственных всему живому на Земле. Современное изучение наследственности ведется на разных уровнях организации живой материи: молекулярном, хромосомном, клеточном, организменном и популяционном. Многообразие объектов и методов исследования в генетике явилось причиной возникновения большого количества ее разделов, таких, как цитогенетика, молекулярная, биохимическая, радиационная, медицинская и физиологическая генетика, а также популяционная генетика, онтогенетика (филогенетика) и др.