Реферат: Успехи в изучении материальных основ наследственности
1. Законы Менделя
Двадцатый век для биологии начался с сенсационного открытия. Одновременно три ботаника, голландец Гуго де Фриз, немец К. Корренс и австриец К. Чермак, сообщили, что еще за 35 лет до этого, никому не известный чешский ученый Иоганн Грегор Мендель открыл основные законы наследственности. 1900 г., год вторичного открытия законов Менделя, принято теперь считать годом рождения генетики.
Основная цель, которую преследовал Мендель, заключалась в том, чтобы понять законы, определяющие развитие потомков родителей, различавшихся своими наследственными признаками. Первый этап образования любого организма - слияние половых клеток родителей - материнской яйцеклетки и отцовского сперматозоида. Все те признаки, которыми характеризуются и отцовский, и материнский организм, были закодированы в их половых клетках, и образующийся из слившихся половых клеток организм должен был нести признаки и отца, и матери.
Но законы, определяющие перекомбинацию этих признаков у потомков, никак не удавалось выяснить, хотя многие ученые и до Менделя пытались определить судьбу признаков после скрещивания. Правда, французский ученый Шарль Ноден за два года до Менделя опубликовал результаты своих опытов, в которых был близок к выводам Менделя, но его работа так и не была понята его современниками. Ошибка предшественников Менделя заключалась в том, что они пытались в одном скрещивании проследить за судьбой сразу многих признаков, Да при этом еще так плохо подбирали пары для скрещивания, что все безнадежно запутывалось. Нужно было как-то упростить задачу, не стремиться с маху разрешить все проблемы, но это-то и оказалось самым трудным.
Менделю 'помогла его тяга к точным наукам. Чтобы найти 20 неизвестных, нужно решить 20 уравнений, для 19 неизвестных их требуется 19, для 18-18 и т. д. Значит, первое, на что надо обратить внимание, - это количество признаков, за которыми надлежит следить. Нужно так подобрать пары для скрещивания, чтобы живые организмы не отличались друг от друга ничем, кроме одного признака. Только одного и ни в коем случае не больше! Решив уравнение первой степени, можно будет перейти и к более сложным задачам. Как ни была проста эта первая мысль Менделя, она оказалась большим шагом вперед.
Но какие организмы взять для скрещивания? Мендель снова решил идти по пути максимального упрощения задачи. Он остановил свое внимание на растениях. Есть самоопыляющиеся и перекрестноопыляющиеся растения. Первые опыляются в основном своей собственной пыльцой, у вторых пыльца с цветков одного растения переносится различными путями (ветром, насекомыми) на цветки других растений. Мендель решил взять для опытов самоопыляющиеся растения. Раз нужно следить за наследованием всего одного признака, скажем, окраски венчика цветка, то у перекрестноопыляемых растений ветер может случайно занести пыльцу с какого-нибудь другого растения, и тогда весь опыт пойдет насмарку. Вывод один - работать надо только с самоопылителями, например с горохом. Оценивая этот выбор, К. Корренс писал впоследствии: «Не может подлежать никакому сомнению, что успех Менделя был обусловлен тем, что он выбрал для своих опытов именно этот объект, так как цветки гороха опыляются почти исключительно своей собственной пыльцой». Никакие чужие половые клетки не могли нарушить своим вмешательством чистоту опыта.
До начала скрещиваний Мендель перебрал 34 сорта гороха и оставил для опытов только 7 пар сортов. Каждая пара отличалась друг от друга только по одному признаку. У одного сорта семена были гладкими, у другого морщинистыми, стебель одного сорта был высокий (до 2 м), другого еле-еле дотягивал до 60 см, окраска венчика цветка в одном сорте была пурпурной, в другом белой. В течение трех лет Мендель аккуратно следил за семенами и растениями всех 7 пар сортов, чтобы убедиться в том, что это чистые от загрязнения другими семенами сорта. Убедившись в том, что его сорта действительно «свободны от 'примесей», Мендель приступил к скрещиваниям. Он взял семена сорта растения с пурпурным венчиком цветка и семена сорта, у которого цветок был белым. Удалил из пурпурного цветка тычинки с пыльниками, перенес на рыльце пестика пыльцу из белого цветка. Прошел назначенный срок, растение завязало плоды, и осенью в руках Менделя были семена этого гибрида. Когда весной Мендель высеял семена гибридов в почву и дождался распускания бутонов, он обнаружил, что все цветки гибридных организмов имели точно такую же пурпурную окраску, что и один из родителей. Что же произошло? Почему окраска венчика точно повторила цвет венчика родительского растения? Может быть опыт просто не удался, пыльца оказалась недейственной? Это возражение было отвергнуто по многим причинам. Во-первых, если бы пыльца не приняла участия в оплодотворении, никаких горошин не образовалось бы вообще, ведь собственная пыльца была удалена ещё в тычинках. Во-вторых, опыту могла бы помешать посторонняя пыльца, занесенная случайно с красноцветкового растения. Но горох-строгий самоопылитель и занос чужой пыльцы был исключен. В-третьих, и это было самое главное, в других скрещиваниях (с сортами, отличавшимися другими признаками) Мендель получил принципиально тот же результат. Во всех случаях у потомков первого скрещивания проявлялся признак только одного из родителей. Из двух признаков, включенных в скрещивание, один оказался настолько сильным, что полностью подавил проявление другого признака. Мендель назвал его доминантным. Непроявившийся слабый признак получил название рецессивный. Таким образом, первое правило или закон Менделя был сформулирован: в гибридах первого поколения не происходит никакого взаимного растворения признаков, а наблюдается доминирование одного (сильного) признака над другим (слабым) признаком.
В это же лето Мендель провел вторую часть опыта. На этот раз он скрестил между собой пурпурно-красных братьев и сестер, полученных после первой гибридизации. Полученные от скрещивания семена он высеял следующей весной. Теперь на грядках менделевского огорода зеленели всходы, полученные от скрещивания красноцветковых гибридов между собой. Вот-вот должны были распуститься бутоны. Какими будут цветки? Собственно, ждать чего-нибудь особенного не приходилось. Казалось, исход опыта можно угадать безошибочно. Что может произойти от скрещивания черной - собаки с черной собакой? Очевидно, черная собака. А от скрещивания красной цветкового гороха с краеноцветковьгм горохом? Очевидно растение с красными цветками. Но когда распустились бутоны, Мендель обнаружил, что у четверти всех растений окраска венчиков была белой. Признак белой окраски, казалось исчезнувший после первого скрещивания, вновь появился у внуков. Произошло то, что Мендель метко назвал расщепле наем.
При соединении зачатков белоцветкового и красноцветкового растений наследственные факторы белых цветков не растворялись, не исчезали, а лишь временно подавлялись доминантными факторами краснолепестковости. Внешний вид таких гибридов был обманчив. Гибридная природа выявлялась только после второго скрещивания. Подавленный 'белый фактор одного родителя иногда встречался с таким же подавленным белым зачатком второго родительского растения, и как только это происходило, развивались белые цветки. Закономерность появления у потомков второго поколения признаков, подавленных в гибридах первого поколения, Гуго де Фриз назвал в 1900 г. вторым законом Менделя или законом расщепления.
А теперь предстоит рассказать о самом интересном. Огромное значение открытых Менделем закономерностей заключалось не столько в том, что он описал явления доминирования и расщепления, а в том, что он сумел обнаружить закономерности появления тех или иных форм при расщеплении и благодаря этому пришел к предсказанию о наличии генетических структур в клетках и процессах хранения и передачи наследственной информации.
Когда Мендель проанализировал количественно частоту появления признаков (доминантного и рецессивного) во втором поколении, то он обнаружил, что во всех случаях имеется одна и та же численная закономерность. После скрещивания сорта гороха с гладкими семенами с сортом с морщинистыми семенами Мендель получил 253 семени. Все они были гладкими. После скрещивания их между собой произошло расщепление. Образовалось 7324 семени. 5474 так и остались гладкими, а 1850 были морщинистыми. Отношение гладких (доминантных) к морщинистым (рецессивным) равнялось 2,96:1. В другом опыте, где учитывалось наследование окраски семян, из 8023 семян, полученных после второго скрещивания, 6022 оказались желтыми и 2001 - зелеными. Отношение желтых к зеленым равнялось 3,01. Мендель сделал подобные расчеты для всех семи пар сортов. Результат был везде один и тот же. Расщепление доминантных и рецессивных признаков равнялось в среднем отношению 3:1.
Мендель отчетливо понимал, что обнаруженная им закономерность не может быть справедливой для отдельно взятого растения, а проявляется только при изучении большого числа организмов. Этот статистический характер, так же как и многие статистические явления, обнаруженные впоследствии при изучении других явлений, были важной особенностью закономерности, открытой Менделем. Выдающийся американский генетик Томас Морган в 20-е годы специально собрал данные 15 исследователей, повторявших работы Менделя на разных организмах. Эти ученые только для признака окраски семядолей собрали данные о 269 101 семядоли. В их опытах расщепление равнялось 3,004: 0,996. Вероятная ошибка измерения не превышала 0,0026.
Но Мендель не ограничился только случаем моногибридного скрещивания, т. е. такого скрещивания, когда организмы отличались только одним признаком. Основываясь на этих закономерностях, он сначала рассчитал, а затем и экспериментально доказал, как происходит расщепление признаков и в любых более сложных случаях. Как и полагается человеку, знакомому с математикой, Мендель проверил свои выводы в опытах с растениями, отличавшимися двумя, а затем тремя признаками, и посчитал, что этого достаточно, чтобы признать, что в любых более сложных случаях его формулы будут верны.
Мендель начал с простых опытов: сначала изучил генетическую стабильность сортов гороха, затем обнаружил правиле доминирования, затем расщепления, после этого проанализировал количественные закономерности расщепления для организмов, отличавшихся одним, двумя и тремя признаками, наконец, дал формулы для любых скрещиваний, и так, все усложняя свою работу, поднимался ступенька за ступенькой к вершине своей теории - предсказанию принципов устройства генетического материала. И именно в этих предсказаниях он опередил современную ему науку почти на полстолетие. В его время ничего не было известно о материальных носителях наследственности, а Мендель описал, их свойства, подобно астрономам, предсказывавшим еще никем не виденные планеты. Мендель предположил, что раз существуют доминантность и рецессивность, проявляющиеся при скрещиваниях, значит половые клетки несут наследственные факторы, определяющие один свойство доминантности, другой свойство рецессивности. Так он, по сути дела, предсказал существование генов, каждый из которых отвечает за свойство вполне определенного признака.
Он предположил, что раз эти половые факторы сочетаются в клетках гибридного организма, то значит все клетки тела несут по два фактора одного признака, и в зависимости от природы этих факторов организм 'будет содержать одинаковые факторы (такие организмы стали именовать гомозиготными) или разные факторы (гетерозиготный организм по данному признаку). Это и объясняет, почему при скрещивании организмов, внешне абсолютно похожих друг на друга, вдруг в потомстве вылепляются особи, по своему виду непохожие на своих прямых родителей, а напоминающие по признакам деда или бабушку.
И, наконец, Мендель высказывает предположение, которое по праву считают одним из самых важных его законов. Он приходит к мысли, что половые клетки (гаметы) несут только 'по одному задатку каждого из признаков и чисты от других задатков этого же признака. Этот закон получил название «закон чистоты гамет».
После восьмилетнего труда Мендель мог уверенно сообщить о своих результатах. Видимо, в силу исключительной скромности он не решился передать свои выводы для опубликования в какой-нибудь широко известный научный журнал. Работа Г. Менделя появилась в четвертом номере журнала Брюннского общества естествоиспытателей. Это провинциальное издание было мало распространено среди ученых, издавалось оно небольшим тиражом, и не мудрено, что никакого эффекта в ученом мире статья Менделя не произвела.
После 1868 г. Мендель начал слепнуть. Сказалось нечеловеческое напряжение, с каким он на протяжении более 10 лет разглядывал и сортировал десятки тысяч растений, цветков, стеблей, листьев, семян. В 1884 г., так и не получив признания, великий чешский ученый Иоганн Грегор Мендель скончался. А спустя 16 лет, де Фриз, Корренс и Чермак известили научный мир об открытиях Менделя. Все трое занимались изучением закономерностей наследования признаков при скрещиваниях: де Фриз - у энотеры, мака и дурмана, Корренс - у кукурузы а Чермак - у гороха. Все трое открыли закон расщепления а затем разом натолкнулись на работу Менделя, который гораздо более тщательнее, доказательнее и глубже изучил эту проблему. Тогда все трое опубликовали восторженные статьи о Менделе, начав период менделизма в генетике. Сотни исследователей во всем мире стали продолжать исследования Менделя, законы Менделя удалось объяснить поведением хромосом. И уже в наши дни гены были изучены на молекулярном уровне, и материальные носители наследственности, существование которых предсказал Мендель, стали изучать с помощью методов биологии, физики, химии и математики.
2. ДНК - хранитель наследственной информации
Почти одновременно с Менделем выдающийся австрийский биохимик Фридрих Мишер сделал открытие, также много десятилетий остававшееся малоизвестным. Мишер обнаружил, что в ядрах высших организмов содержатся молекулы, до него не известные ученым. Они отличались по своему строению и свойствам от белков, липидов и углеводов, имели высокий молекулярный вес и главное обнаруживались в ядрах клеток. По имени ядра (нуклеус по-латыни) Мишер назвал новый класс веществ нуклеинами.
Через несколько лет, когда удалось улучшить методы очистки нуклеина, стало ясно, что нуклеины состоят из двух сортов молекул - простых белков и особых кислот, названных нуклеиновыми. Еще через несколько десятилетий биохимики установили, что нуклеиновые кислоты делятся на два типа - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК).
Некоторые биологи еще в прошлом веке высказывали догадки о возможной роли нуклеиновых кислот в передаче наследственности (в частности, братья Оскар и Рихард Гертвиги). Их предположения основывались на том, что именно ядра играли роль в - передаче наследственности. Позднее было найдено, что в ядрах находятся хромосомы, 'поведение которых указывало на их роль в хранении наследственных признаков. Но как раз в хроматиновом материале ядер биохимики и обнаруживали максимальное количество нуклеиновых кислот.
Тем не менее эти первоначальные, буквально пророческие •взгляды на роль нуклеиновых кислот были забыты уже в начале XX в. Хотя биологи и химики накапливали данные о возможной роли нуклеиновых кислот в хранении и реализации генетической информации, до начала 50-х годов большинство биологов связывало осуществление «генетических таинств» с активностью белковых молекул.
Переход от этих воззрений к реальному положению вещей был сделан только в 1953 г. двумя исследователями - англичанином, физиком по специальности Френсисом Криком, и американцем, биологом Джеймсом Уотсоном. Они предложили гипотезу о строении ДНК, гипотезу, объяснявшую не только бессвязные и потому противоречивые химические данные, но и генетические каноны. По мнению Уотсона и Крика, ДНК должна была состоять из двух нитевидных молекул, свернутых спиралью, которая могла раскручиваться, и тогда на каждой половине достраивался бы зеркально подобный партнер, завершая «размножение» молекул. Этот принцип «двойной молекулы» с зеркально располагаемыми радикалами в соседствующих частях молекулы был предложен еще в 1928 г. советским биологом Н.К. Кольцовым, но он не верил, что нуклеиновые кислоты несут наследственную запись и предложил свою модель «двойной молекулы» для белковых структур. Теперь принцип Кольцова получил химическое воплощение в структуре двойной спирали ДНК, предложенной Уотсоном и Криком.
Строение ДНК сегодня настолько широко известно, что достаточно дать только самое простое ее описание. Остов молекулы составляют остатки пятичленного сахара дезокси-рибозы и фосфатные остатки, соединенные друг с другом. К каждому сахарному остатку присоединено по одному азотистому основанию, которых в ДНК встречается четыре вида.
Первые два (аденин и гуанин) относятся к так называемым тгуриновым основаниям, а два вторых (цитозин и тимин) - к пиримидиновым основаниям.
Между каждым из оснований, входящих в пару, возникают слабые по своей энергии так называемые водородные связи. Между тимином и аденином их образуется две, а между гуанином и цитозином - три. Но хотя эти связи и слабые, молекула ДНК становится вполне стабильной. В силу того, что вдоль оси молекулы ДНК располагается огромное число пар оснований (сотни и тысячи таких пар), суммарная энергия связи двух нитей ДНК оказывается значительной.
В конце 1953 г. Уотсон и Крик, проанализировав результаты, полученные химиками (Эрвином Чаргаффом и другими) и физиками (в основном рентгеноструктурщиками Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин), пришли к выводу, что две нити молекулы ДНК только тогда могут приблизиться на расстояние, позволяющее возникнуть водородным связям (а это расстояние вполне определенное и не превышает двух ангстрем), если напротив аденина поместится тимин, а напротив гуанина - цитозин, да если к тому же обе нити ДНК будут антипараллельны.
Последнее замечание имеет глубокий смысл и связано с расположением молекул в сахаро-фосфатном каркасе нитей-ДНК. Оказалось, что остатки фосфорной кислоты, расположенные по обе стороны от молекулы сахара-дезоксирибозы, присоединяются всегда к разным атомам углерода сахара. Так как эти атомы имеют свои номера с первого по пятый (ведь дезоксирибоза - пятичленный, или пятиатомный сахар), то и получается, что предшествующий сахару фосфат присоединяется к атому углерода, имеющему номер 3' (три-штрих), а последующий - к атому углерода 5 (пять-штрих). Значок «штрих» у этих атомов ставят для того, чтобы отличать атомы углерода сахарного остатка от атомов углерода, входящих в состав азотистых оснований (в них есть свои атомы углерода под номером 3 и 5, но уже обозначаемые без штрихов). С помощью этих значков удается точно пронумеровать все атомы в нуклеотидах, составляющих ДНК. Таким образом, мы можем не только точно указать номера всех атомов в ДНК, но еще и указать направление одной нити. Его обозначают чаще всего для краткости как: 5' → 3'.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--