Генетика за 1 час - Валерия Черепенчук

Весь путь развития организма – от оплодотворения до конца жизни – принято называть онтогенезом (от греч. őντος, ontos – сущий и γένεσις, genesis – зарождение). Термин был предложен Эрнстом Геккелем (1834–1919 гг.) еще в 1867 г. Как мы уже говорили, согласно клеточной теории, рост и развитие организмов – животных и растительных – основан на процессе деления клеток. Во второй половине XIX в. изучением этого удивительного явления занимался упоминавшийся нами Вальтер Флемминг. Именно он предложил термин «митоз» для обозначения клеточного деления, в процессе которого одна клетка делится на две с параллельным распределением хромосом поровну между дочерними клетками. Давайте посмотрим, какие основные стадии (фазы) митоза принято выделять.

• Профаза. В ходе этого подготовительного этапа образуется так называемое веретено деления клетки, условно говоря, клетка планирует, как она будет разделяться. Начинается процесс, который ученые называют конденсацией хромосом: они становятся видны под микроскопом. Как еще говорят, хромосомы уплотняются. Так происходит, потому что идут изменения на уровне ДНК (впрочем, во времена Флеминга об участии ДНК в процессе митоза, а тем более в формировании наследственности, еще никто не знал). Мы тоже обратимся к теме ДНК чуть позднее! Иногда говорят еще о препрофазе, но этот процесс «подготовки к подготовке» выделяют не всегда. Дело в том, что у клеток разных организмов и разных растений могут наблюдаться незначительные расхождения в протекании фаз митоза, но для нас они особого значения не имеют.

• Метафаза. Веретено деления полностью сформировалось, «внутренности» клетки начинают разделяться, как будто их притягивает к противоположным полюсам. Самое интересное, что хромосомы тоже подготавливаются к расщеплению. Если на ранней стадии митоза они под микроскопом напоминали пучки травинок или клочки тополиного пуха, то теперь они приобрели более четкую форму и стали похожи на буквы «X». «Пояски» в центре этих условных букв именуются центромерами.

• Анафаза. Хромосомы-буковки разделяются на уровне центромер и направляются к противоположным полюсам материнской клетки. Таким образом, в ней образуется два идентичных набора хромосом.

• Телофаза. Хромосомы становятся почти незаметны, или, как говорят биологи, деконденсируются. Вокруг каждого комплекта хромосом формируется новое клеточное ядро. Материнская клетка окончательно делится (этот процесс именуют еще цитокинезом), и на месте одной клетки образуется две. Каждая из двух дочерних клеток получает полный набор элементов, характерных для первоначальной клетки. Все!

В среднем все стадии митоза проходят за один-два часа. Конечно, мы описали этот сложнейший процесс в упрощенном виде, но для понимания происходящего пока достаточно. Митоз не следует путать с мейозом, который происходит в половых клетках и в процессе которого число хромосом уменьшается в два раза (ведь иначе при оплодотворении число хромосом увеличивалось бы вдвое, а с хромосомами шутки плохи!) Существует также понятие «амитоз» – в ходе этого процесса веретено деления клетки не образуется, она разделяется случайным образом и такое деление характерно в основном для патологических процессов, например, возникновения опухолей.

Итак, к концу XIX в. процесс деления клеток и распределения хромосом при этом уже не представлял особого секрета. Более того, многие ученые заявляли, что именно в хромосомах надо искать разгадку всех тайн наследственности. Но как?

Американский ученый Уолтер Саттон (1877–1916 гг.) в 1902 г. сопоставил «переоткрытые» законы Менделя с тем, что было ему известно о фазах митоза и мейоза. В работах брюннского монаха-исследователя он обратил внимание на строгие математические закономерности проявления разных признаков у дочерних организмов по отношению к родительским. Также Саттон удостоверился, что в ходе мейоза, при формировании половых клеток (их еще именуют гаметами) пары хромосом расщепляются, но их общее количество не увеличивается. Получается, что в составе половой клетки остается только ½ хромосомного набора, и когда сперматозоид сольется с яйцеклеткой, новый организм получит от каждого родителя по половине хромосом. Но ведь это вполне стыкуется с разработками Грегора Менделя! Значит, – делает вывод Саттон, – именно в хромосомах содержатся «факторы», о которых писал Мендель. Правда, ученый не разобрался окончательно, как именно связаны хромосомы и отдельные признаки: одна хромосома отвечает за что-то конкретное (например, за форму листьев у растения или цвет глаз у человека) или здесь работают какие-то иные закономерности? Саттон предполагал, что правило «один признак – одна хромосома» было бы слишком наивно, ведь каждый вид, а тем более каждый отдельный организм, – это сложнейшая совокупность разнообразных признаков. Исследователь считал, что одна хромосома должна содержать несколько так называемых аллеломорфов – это понятие равноценно понятию «ген», но, как мы помним, о генах тогда еще не говорили. В то время еще не выяснили достоверно, каким именно количеством хромосом обладают те или иные организмы и насколько это количество стабильно. До окончательного ответа на этот вопрос оставалось еще несколько десятилетий, например, дискуссии о количестве хромосом у человека продолжались вплоть до 1950-х гг. Но было очевидно, что число их ограничено. Одним из первых идею о постоянном количестве хромосом выдвинул немецкий ученый Теодор Бовери (1862–1915 гг.), и он же параллельно с Уолтером Саттоном заявил об их приоритетной роли в вопросах наследственности.

Фазы митоза

В 1904–1905 гг. было сделано еще одно важное открытие – так называемые половые хромосомы. Американские исследователи Кларенс Мак-Кланг (1870–1947 гг.), Эдмунд Уилсон (1856–1939 гг.) и Нетти Стивене (1867–1912 гг.) практически одновременно обнаружили у самцов отдельных видов насекомых «добавочные» хромосомы, в процессе митоза отвечающие за формирование половых признаков.

Вот мы и возвращаемся к тому, с чего начинали наше небольшое исследование: в 1906 г. английский биолог Уильям Бэтсон предложил использовать термин «генетика»: новая наука постепенно получала внешнее оформление…

Вскоре, в 1909 г., датчанин Вильгельм Иогансен (1857–1927 гг.) в своей работе «Элементы точного учения об изменчивости и наследственности» впервые использовал термин «ген». Как он определял его? В представлении Иогансена ген – это некий наследственный фактор, который располагается в половой клетке, по сути, аналог менделевского «фактора». Но что такое ген? Особого вида клетка, какой-то химический элемент, некая волшебная палочка, которая заставляет проявляться наследственность? Сам ученый писал о том, что он использует понятие гена скорее для удобства, обозначая им элементы, отвечающие за наследственность. А как, собственно, выглядит ген – достоверно неизвестно. Для удобства читателя поясним, что и в наше время особого единства в использовании этого термина нет. Кто-то понимает ген как условную единицу информации, кто-то – как двигатель естественного отбора. Большинство современных ученых отождествляют ген с участком ДНК, несущим информацию, определяющую признаки будущих организмов.