Поскольку еще не изложено содержание генетики, то нам кажется преждевременным подробно останавливаться на истории ее развития.
Ознакомимся пока лишь с главными этапами, которые характеризуются открытием основных явлений наследственности и изменчивости.
Истоки генетики, как и всякой науки, следует искать в практике. Генетика возникла в связи с разведением домашних животных и выращиванием растений, а также с развитием медицины. С тех пор как человек стал применять скрещивание животных и растений, он столкнулся с тем фактом, что свойства и признаки потомства зависят от свойств избранных для скрещивания родительских особей. Отбирая и скрещивая лучших потомков, человек из поколения в поколение создавал родственные группы — линии, а затем породы и сорта с характерными для них наследственными свойствами.
Хотя эти наблюдения и сопоставления еще не могли стать базой для формирования науки, однако бурное развитие животноводства и племенного дела, а также растениеводства и семеноводства во второй половине XIX в. породило повышенный интерес к анализу явления наследственности.
Важным обстоятельством, подготовившим почву для рождения, генетики, послужило быстрое развитие биологии как экспериментальной науки, в особенности таких ее дисциплин, как эмбриология, цитология и др.
Развитию науки о наследственности и изменчивости особенно сильно способствовало учение Ч. Дарвина о происхождении видов, которое внесло в биологию исторический метод исследования эволюции организмов. Сам Дарвин приложил немало усилий для изучения явлений наследственности и изменчивости. Он собрал огромное количество фактов, сделал на их основе целый ряд правильных выводов, однако ему не удалось установить закономерности наследственности. Его современники, так называемые гибридизаторы, скрещивавшие различные формы и искавшие степень сходства и различия между родителями и потомками, также не смогли выявить эти общие закономерности.
Еще одним условием, способствовавшим становлению генетики как науки, явились достижения в изучении особенностей соматических и половых клеток. Еще в 70-х годах прошлого столетия рядом исследователей-цитологов (И. Д. Чистяков, 1874 г.; Е. Страсбургер, 1875 г., и др.) было открыто непрямое деление соматической клетки, названное кариокинезом (В. Шлейхер, 1878 г.), или митозом (В. Флемминг, 1882 г.). Ядерные элементы клетки в 1888 г. по предложению В. Вальдейера получили название «хромосом». В те же годы В. Флемминг предложил различать в цикле деления клетки три фазы: профазу, метафазу, анафазу. М. Гейденгайн в 1894 г. назвал заключительную фазу деления ядра клетки телофазой. Особенно важным моментом для последующего развития генетики явилось открытие в конце прошлого столетия постоянства числа и индивидуальности хромосом для каждого вида. Честь этого исследования принадлежит ряду ученых: К. Раблю, Е. Ван-Бенедену и Т. Бовери.
Одновременно с изучением митоза соматической клетки шло исследование развития половых клеток и механизма оплодотворения у животных и растений. О. Гертвиг в 1875 г. впервые обнаружил слияние ядра сперматозоида с ядром яйцеклетки у иглокожих. Н. Н. Горожанкин в 1880—1883 гг. и Е. Страсбургер в 1884 г. нашли то же самое у растений: первый — у голосеменных, второй — у покрытосеменных.
В те же годы Е. Ван-Бенеденом, Т. Бовери и другими был установлен кардинальный факт, что в процессе развития половых клеток, в отличие от соматических, происходит редукция числа хромосом ровно вдвое, а при оплодотворении — слиянии женского и мужского ядер — восстанавливается прежнее число хромосом, постоянное для каждого вида. При этом было доказано, что в зиготе — первой клетке будущего организма — происходит объединение половинного количества отцовских и половинного количества материнских хромосом.
Официальным рождением генетики принято считать весну 1900 г., когда три ботаника, независимо друг от друга, в трех разных странах, на разных объектах пришли к открытию некоторых важнейших закономерностей наследования признаков в потомстве гибрид (А. Г. де Фриз (в Голландии) на основании результатов работы с энотерой, маком, дурманом и другими растениями сообщил «о законе расщепления гибридов»; К. Корренс (в Германии) установил закономерности расщепления на кукурузе и опубликовал на эту тему статью; в том же году К. Чермак (в Австрии) выступил в печати со статьей «Об искусственном скрещивании у Pisum sativum».
Наука почти не знает неожиданных открытий. Самые блестящие открытия, создающие этапы в ее развитии, почти всегда имеют своих предшественников. Это объясняется тем, что развитие науки обязано коллективному творчеству. Так случилось и с открытием законов наследственности. Оказалось, что три ботаника, открывших закономерность расщепления в потомстве внутривидовых гибридов, всего-навсего «переоткрыли» закономерности наследования, открытые еще в 1865 г. Грегором Менделем и изложенные им в статье «Опыты над растительными гибридами», опубликованной в «Трудах» Общества естествоиспытателей в г. Брно (в Чехословакии).
Г. Мендель на растениях гороха разработал методы генетического анализа наследования отдельных признаков организма и установил два принципиально важных явления:
- признаки определяются отдельными наследственными факторами, которые передаются через половые клетки;
- отдельные признаки организмов при скрещивании не исчезают, а сохраняются в потомстве в том же виде, в каком они были у родительских организмов.
Для теории эволюции принципы Менделя имеют кардинальное значение. Они раскрыли один из важных источников изменчивости, а именно механизм сохранения приспособительных признаков вида в ряду поколений. Если бы приспособительные признаки организмов поглощались, исчезали при скрещивании, то прогресс вида был бы невозможен.
Из установленных принципиальных положений Менделя логически вытекает целый ряд проблем, которые шаг за шагом получают свое разрешение по мере развития генетики. В 1901 г. Г. де Фриз сформулировал теорию мутаций, в которой утверждается, что наследственные свойства и признаки организмов изменяются скачкообразно — мутационно. В 1903 г. датский физиолог растений В. Иоганнсен опубликовал работу «О наследовании в популяциях и чистые линиях», в которой экспериментально устанавливается, что относящиеся к одному сорту внешне сходные растения являются наследственно различными — они составляют популяцию. Популяция состоит из наследственно различных особей или родственных групп — линий. В этом же исследовании наиболее четко устанавливается существование двух типов изменчивости организмов: наследственной и ненаследственной, модификационной.
На следующем этапе развития генетики было доказано, что наследственные факторы связаны с хромосомами. Первым фактом, раскрывающим роль хромосом в наследственности, было доказательство роли хромосом в определении пола у животных и открытие механизма расщепления по полу 1 : 1. С 1911 г. Т. Морган с сотрудниками в Колумбийском университете начинает публиковать серию работ, в которых формулирует хромосомную теорию наследственности. Экспериментально доказывается, что основными носителями генов являются хромосомы и что гены располагаются в хромосомах линейно. На протяжении первых десятилетий нашего столетия утвердилось мнение об универсальности принципов Г. Менделя для всех организмов, размножающихся половым путем.
В. Бэтсон и другие установили явления взаимодействия генов.
В классических работах К. Корренса было описано наследование пола у растений и открыто явление цитоплазматического (неменделевского) наследования признаков.
Одновременно с изучением указанных проблем возник вопрос о природе действия генов и роли внешней среды в развитии наследственных свойств организмов. Начиная с конца прошлого столетия и в начале нашего века, на протяжении нескольких десятков лет, И. В. Мичурин исследовал этот вопрос и убедительно показал, что внешними условиями можно изменять проявление наследственных свойств гибридных организмов.
В 1922 г. Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, согласно которому родственные по происхождению виды растений и животных имеют сходные ряды наследственной изменчивости. Применяя этот закон, Н. И. Вавилов установил центры происхождения культурных растений, в которых сосредоточено наибольшее разнообразие наследственных форм.
В 1925 г. у нас в стране Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов на грибах, а в 1927 г. в США Г. Мёллер на плодовой мушке дрозофиле получили доказательство влияния рентгеновых лучей на возникновение наследственных изменений. Ими было показано, что скорость возникновения мутаций при этом увеличивается более чем в 100 раз. Таким образом, впервые была доказана изменчивость генов под влиянием факторов внешней среды.
В те же годы С. С. Четвериков начал разрабатывать генетические основы популяций.
В 1933 г. Т. Пайнтер на гигантских хромосомах слюнных желез двукрылых доказал, что четкообразное строение хромосом, т. е. расположение в них различных дисков, соответствует расположению генов, установленному ранее чисто генетическими методами. Этим открытием было положено начало изучению структуры и функционирования гена в хромосоме.
В период с 40-х годов и по настоящее время в основном на микроорганизмах открыт ряд совершенно новых генетических явлений, раскрывших возможности анализа структуры гена на молекулярном уровне. В последние годы с введением в генетику новых методов исследования, заимствованных из биохимии и иммунологии, мы подошли к разгадке того, каким образом гены контролируют последовательность расположения аминокислот в белковой молекуле, что открывает пути ее искусственного синтеза.
Мы уже упоминали о том, что носителями ядерной наследственной информации являются хромосомы. Хромосомы состоят из молекул ДНК, а также РНК и белков. Довольно простые многочисленные опыты показали, что важным носителем наследственности является именно дезоксирибонуклеиновая кислота. Так, если из убитых бактерий одного штамма, обладающего особым внешним признаком, выделить чистую ДНК и перенести в живые бактерии другого штамма, то размножающиеся бактерии последнего приобретут признак первого штамма.
В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали строение молекулы ДНК. Они установили, что каждая молекула ДНК слагается из двух полидезоксирибонуклеотидных цепочек, спирально закрученных вокруг общей оси. Азотистые основания обеих нуклеотидных цепочек связаны друг с другом системой водородных связей. Эти основания (аденин, гуанин, цитозин и тимин) образуют пары, соединяясь специфическим образом: аденин, например, соединяется только с тимином, а цитозин — с гуанином. Последовательность сочетаний пар оснований при определенном их чередовании в ДНК представляет собой запись наследственной информации организмов каждого вида, называемую кодом наследственности. Каждая молекула ДНК обладает свойством удваиваться, сохраняя исходную последовательность нуклеотидных пар, и передавать информацию в цитоплазму. Последнее осуществляется с помощью другой нуклеиновой кислоты — РНК, которая состоит из одиночной цепочки нуклеотидов. По матрице ДНК строится соответствующая РНК, Которая затем участвует в построении специфических белковых молекул. Благодаря этому механизму осуществляется образование белковых молекул соответственно определенному коду наследственности, зашифрованному в ДНК хромосомы.
В настоящее время найдены подходы к решению вопроса об организации наследственного кода и экспериментальной его расшифровки. Генетика совместно с биохимией и биофизикой приблизилась к выяснению процесса синтеза белка в клетке. Этим начинается совершенно новый этап развития не только генетики, но и всей биологии в целом.
Развитие генетики до наших дней — это непрерывно расширяющийся фронт исследований функциональной, морфологической и биохимической дискретности хромосом. В этой области сделано уже много, и с каждым днем передний край науки приближается к цели — разгадке природы гена. К настоящему времени установлен целый ряд явлений, характеризующих природу гена. Во-первых, ген в хромосоме обладает свойством воспроизводиться (реплицироваться); во-вторых, он способен мутационно изменяться; в-третьих, он связан с определенной химической структурой — ДНК; в-четвертых, он контролирует последовательность аминокислот в белковой молекуле. В связи с последними исследованиями формируется новое представление о гене как о функциональной системе, а действие гена на определение признаков рассматривается в целостной системе генов — генотипе.
Раскрывающиеся перспективы синтеза живого вещества привлекают внимание генетиков, биохимиков, физиков и других специалистов.