Вопрос 4. Эволюция и генетика.

Современная генетика — это быстро развивающаяся наука о законах наследственности и изменчивости, переживающая глубокие качественные преобразования не только в теоретической сфере, но и в области практического применения (селекция, медицинская генетика).

Между эволюционной биологией (теорией естественного отбора Дарвина) и генетикой существует тесная связь. Эта связь вытекает из определенной общности предметов исследования. Так, дарвинизм изучает интегральное действие трех факторов эволюции — наследственности, изменчивости и естественного отбора. Предметом же генетики является природа наследственности и изменчивости. Нетрудно заметить, что они взаимообусловлены тем, что познание эволюции органического мира оказывается поверхностным и неполным, если оно проходит без учета сущности наследственности и изменчивости. Достижения генетики позволили более глубоко понять факторы изменчивости и наследственности. Взаимообусловленность проблем теории эволюции и генетики не абсолютизирована и благодаря тому, что это единство внутренне различимо, теория эволюции и генетика выступают как относительно самостоятельные дисциплины.

История генетики распадается на три этапа — классический (1900 – 1930 гг.), неоклассический (1930 – 1953 гг.) и синтетический (с 1953 г.). Материалистический подход в развитии генетики обеспечил создание теории гена, хромосомной теории наследственности, теории мутаций и современной молекулярной генетики.

Классический этап развития генетики начался после переоткрытия законов Менделя. В 1865 г. Грегор Мендель (1822 – 1884), анализируя потомство, полученное от сортов гороха, обладающих контрастно отличающимися признаками, открыл новый мир явлений. Его работа объединила биологический и математический анализ. Ему удалось создать логическую модель наследственности и дать формулировку законов наследственности. Исходя из этого, Мендель основал теорию гена. Он выделил самое существенное свойство генов — дискретность — и сформулировал принципы независимости комбинирования генов при скрещивании.

В течение первого десятилетия XX века генетика переживала сложный этап своего развития. Теория генов утверждалась на основе громадного числа опытов с растениями, животными, микроорганизмами, а также при наблюдениях за наследственностью человека. Теория гена стала развиваться, признавая всеобщность генной организации наследственности для всех органических форм. Заслуга в этом вопросе принадлежит английскому ученому Уильяму Бэтсону (1861 – 1926), который показал, что менделевские законы наследственности свойственны не только растениям, но и животным, и установил явление взаимодействия генов при развитии особи.

Исключительно важным было обоснование учения о фенотипе и генотипе организмов, которое положило начало рассмотрению «явления» и «сущности» в проблемах генетики. Работы датского ученого Вильгельма Иогансена (1857 – 1927) (ввел (1909) термины: «ген», «генотип» и «фенотип») показали действие естественного отбора как фактора, преобразующего генотип на основе наследственной изменчивости при формирующей роли среды.

Развитие генетики этого периода оказало серьезное влияние на селекцию, и в первое десятилетие XX века началась коренная перестройка методов селекции. Селекция переходит на аналитический уровень путем выделения из популяции генотипически ценных линий.

Томас Морган (1866 – 1945) сформулировал хромосомную теорию наследственности, которая сделала более понятными явления расщепления в наследовании признаков.

Важным событием в развитии генетики стало открытие голландским ученым Хуго де Фризом (1848 – 1935) мутаций — возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов, которые могут привести к устойчивому изменению свойств гибридов, передаваемых и далее по наследству.

В 40-е гг. ХХ века возникла молекулярная биология, было установлено, что генетические функции в клетке выполняет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), а также рибонуклеиновая кислота (РНК). В 1949 – 1951 гг. Эрвин Чаргафф показал видовую специфичность нуклеиновых кислот (кислоты, полученные из разных биологических источников различаются по своему составу). В 1953 г. Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон выявили двойную спираль ДНК и расшифровали молекулы ДНК. Перечислять все факты не имеет смысла. Очевидно следующее: не смотря на молодость молекулярной биологии, успехи, достигнутые ею в этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена первичная структура многих транспортных РНК – специфических молекул-адаптеров, осуществляющих перевод языка нуклеиновых матриц на язык аминокислотной последовательности синтезирующего белка. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, и разгаданы пути их биогенеза в клетке.

Другое направление молекулярной генетики – исследование мутации генов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию (явление трансдукции – переноса генов из одной клетки в другую с помощью вирусов – изучали еще с 50-х г). В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза.

Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинантная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного организма внедряется в клетки другого. Так, в 80-е годы были разработаны интерфероны – белки, способные подавлять размножение вирусов. Были выбраны наиболее подходящие для переноса гены и мобильные участки ДНК. Например, культурным растениям вводят гены, повышающие их иммунитет и устойчивость. Барбара Макклинток при изучении генетики кукурузы обнаружила в ее геноме один подвижный ген, отвечающий за цвет початка. Подвижные гены представляют собой структурно и генетически дискретные фрагменты ДНК, способные перемещаться по геному клеток. Механизм перемещения фрагментов ДНК по геному до конца не выяснен. Встраиваясь в различные участки хромосом, они вносят в геном факторы нестабильности и изменчивости, что, возможно, определяет их важную роль в эволюции.

В 1981 году процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как неживой.

Еще в 1943 году журнал «Сайенс» сообщил об успешном оплодотворении яйцеклетки в «пробирке». Далее события развивались следующим образом.

1953 год — Р. Бриге и Т. Кинг сообщили об успешной разработке метода «нуклеотрансферного» переноса ядра клетки в гигантские икринки африканской шпорцевой лягушки «кленопус».

1973 год — профессор Л Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвести на свет первого «бэби из пробирки», после чего последовали категорические запреты Ватикана и пресвитерианской церкви США.

1977 год — закончилась публикация статей о работах профессора зоологии Оксфордского университета Дж. Гердона, в ходе которых было клонировано более полусотни лягушек. Из их икринок удалялись ядра, после чего в оставшийся «цитоплазматический мешок» пересаживалось ядро соматической клетки. Впервые в истории науки на место гаплоидного ядра яйцеклетки с одинарным набором хромосом было внесено диплоидное ядро соматической клетки с двойным числом носителей генетической информации.

1978 год — рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка из «пробирки».

1981 год — Л. Шетзл получает три клонированных эмбриона человека, но приостанавливает их развитие.

1985 год — 4 января в одной из клиник северного Лондона родилась девочка у миссис Коттон – первой в мире суррогатной матери, не являющейся матерью биологической. Был вынесен парламентский запрет на эксперименты с человеческими эмбрионами старше 14 дней.

1987 год — специалисты Университета им. Дж. Вашингтона, использовавшие специальный фермент, сумели разделить клетки человеческого зародыша и клонировать их до стадии 32 клеток, после чего зародыши были уничтожены.

1996 год — 7 марта журнал «Нейчур» помещает первую статью коллектива авторов из института Рослин в Эдинбурге, которые сообщили о рождении 5 ягнят, полученных без участия барана: в цитоплазматические мешки яйцеклеток были перенесены ядра культуры эмбриональных клеток, полученных от другого зародыша.

1997 год — 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке – на фоне микрофотографии яйцеклетки – знаменитую овечку Долли, родившуюся в том же институте Рослин в Эдинбурге.

1997 год — в самом конце декабря журнал «Сайенс» сообщил о рождении 6 овец, полученных по рослинскому методу. Три из них несли человеческий ген «фактора IX», или кровоостанавливающего белка, который необходим людям, страдающим гемофилией.

1998 год, начало марта — французские ученые объявили о рождении клонированной телочки.

Расшифровка генома человека. 2 декабря 1999 г. было объявлено о завершении полного анализа 22-й хромосомы человека. Исследования продолжаются. Но уже сейчас ясно, что новая научная информация выведет на качественно новый уровень трансплантологию, дальнейшее развитие получит клеточная и генная терапия, радикально изменится компьютерная диагностика и т.д.

Интересное открытие принес первый год нового тысячелетия. Расшифровка структуры хромосом показала, что у человека она наполовину совпадает со структурой хромосом дождевого червя. СМИ сумели преподнести это как сенсацию. Между тем, если вдуматься, было бы гораздо удивительнее, если бы никакого совпадения не было. Это подтверждение общности оснований пирамиды живого на Земле.