Причини виникнення генетики

Відео: Теорія Еволюції Чарльза Дарвіна: генетика, мутації, розмноження.

Зміст

Відео: Теорія Еволюції Чарльза Дарвіна: генетика, мутації, розмноження.
Відео: Софія Баскина. "Про генетичних передумовах до проблем поведінки у різних порід собак"

Слабке місце в теорії Дарвіна

Процес передачі потомству батьківських спадкових факторів довгий времяоставался абсолютно незрозумілим. Відкриття в кінці XVII ст. сперматозоїда визвалоцелую дискусію. Одні стверджували, що майбутній зародок цілком укладений вяйцеклетке і запліднення є лише поштовхом до розвитку. Інші настаіваліна тому, що майбутній зародок поміщається в сперматозоїді, а яйцеклітина лішьобеспечівает його харчування. Сперечальники сходилися на тому, що носітелемнаследственних факторів є одна батьківська особина.
Тільки в середині XVIII ст. в результаті спостережень над дітьми від смешаннихбраков у людини і дослідження екстер`єру мулів було встановлено, що прізнакінаследуются від обох батьків. П`єр Луї Моро Мопертюи (1698-1759) видвінултеорію, згідно з якою спадкові ознаки у нащадків формуються івизначають «насіннєвими частками» обох батьків.
Навіть в XIX в. ще не було правильного уявлення про спадкове механізме.Іменно тому еволюційна теорія так часто застосовувалася невдало. Спенсерсчітал можливим швидка зміна людської поведінки: Гальтону казалосьвесьма нескладним удосконалити людську расу за допомогою подборапроізводітелей при розмноженні. Подібні погляди біологів пояснювалися, по сутідела, недоліком знань про природу спадкового механізму. Це було самоеслабое ланка в теорії Дарвіна. Дарвін припускав, що серед молодих особейлюбого виду спостерігається безперервна випадкова мінливість, причому определенниеізмененія роблять тварин більш пристосованими до навколишнього середовища. Так, жірафутем легше прогодуватися, чим довше у нього шия.
Але де гарантія, що ця ознака повториться у потомства? Навряд чи жірафвиісківал особливо довгошийого чоловіка, набагато ймовірніше, що йому прішлосьвстретіться з короткошиїй. При схрещуванні крайніх варіантів відбувається смешеніепрізнаков, так що у потомства довгошийого і короткошиїй жирафів шия будетсредней довжини, - до такого переконання привів Дарвіна весь його досвід по разведеніюжівотних.
Іншими словами, в результаті випадкового спаровування всі корисні іпріспособітельние ознаки, які проявляються при випадкової мінливості, усереднюються. Раз природному відбору нічого «відбирати», то і еволюціоннихізмененій відбуватися не буде.
Спроби біологів пояснити це явище не мали успіху. Німецький ботанікКарл Вільгельм Негелі (1817-1891) прекрасно усвідомлював, як складно знайти четкоеобоснованіе «усереднення» і його наслідків. Він припустив, що еволюціонниеізмененія направляються в певну сторону якимось внутрішнім поштовхом.
Так, судячи з палеонтологічними даними, предками коней були тварини велічінойс собаку, що мали по чотири копитця на кожній стопі. З плином часу етіжівотние ставали більшими і втрачали одне копитце за іншим, поки непревратілісь в сучасну велику однокопитние кінь. Негелі припускав, чтопобудітельним фактором цього процесу було дію якоїсь внутрішньої сили. Якби вона діяла і далі, коні могли б стати дуже великими і неуклюжіміі, отже, беззахисними проти врагов- їм загрожувало б постепенноевиміраніе.
Ця теорія носить назву теорії ортогенеза. Сучасні біологи її отвергают.Как ми побачимо далі, прихильність Негелі до цієї теорії несподівано прінесласкверние плоди.

горох Менделя

Проблема була вирішена завдяки працям чеського натураліста Грегора ІоганнаМенделя (1822-1884). Мендель займався і математикою і ботанікою. Починаючи з 1856р. він протягом дев`яти років вивчав спадкові ознаки гороху, іспользуястатістіческіе прийоми обробки результатів.
Вченому потрібна була повна впевненість, що успадковуються ознаки тільки одногородітеля, тому він дуже ретельно проводив самозапилення різних рослин, акуратно збирав з кожного Самозапилення рослини насіння, окремо висажіваліх і вивчав нове покоління.
В результаті цих дослідів Мендель виявив, що горошини від карликових растенійі в першому і в наступних поколіннях дають тільки карликові рослини. Такимобразом, карликові рослини чистосортності.
Високорослі рослини поводилися по-різному. Деякі (більше третини) оказалісьчістосортнимі і покоління за поколінням давали високі рослини. Частина остальнихсемян давала високі, а частина - карликові рослини, причому високорослих всегдаполучалось в два рази більше, ніж карликових. Очевидно, малося два типи високіхрастеній - чистосортні і нечістосортние.
Мендель пішов далі. Він схрестив карликові рослини з чістосортнимівисокорослимі і виявив, що з кожного гібридного насіння виростає високоерастеніе. Здавалося б, ознаки карликовості зникли.
Провівши потім самозапилення кожного гібридного рослини, Мендель ізучілполученние насіння. Всі гібридні рослини виявилися нечістосортнимі. Близько однойчетверті горошин дали карликові рослини, одна чверть - чістосортниевисокорослие, а інша половина - нечістосортние високорослі рослини.
Мендель припустив, що кожна рослина гороху несе два фактора, определяющіхкакой-небудь ознака, в даному випадку - висоту. Один фактор міститься в пилку, інший - в семяпочках. Після запліднення нове покоління містить вже обафактора (по одному від кожного з батьків, якщо відбулося схрещування двухрастеній). У карликових рослин є тільки чинники «карликовості» - прікомбінаціі їх шляхом перехресного запилення або самозапилення виходять толькокарліковие рослини. Чистосортні високорослі рослини містять тільки чинники «високоросла», і їх комбінації дають тільки високі рослини.

Схема, яка пояснює досліди Менделя зі схрещування високорослих і карликових рослин гороху

Мал. Схема, яка пояснює досліди Менделя зі схрещування високорослих і карликових рослин гороху.

Вгорі - схрещування чистосортного високорослої рослини з карликовим, яке дає гібридні, або нечістосортние, високорослі рослини. Внизу -скрещіваніе між собою гібридних рослин першого покоління, яке даетчістосортние високорослі рослини, гібридні високорослі рослини і карліковиерастенія в співвідношенні 1: 2: 1. Фактор карликовості позначається буквою до, так яквін рецессивен, а відповідний йому домінуючої фактор високоросла - К.

Коли чистосортні високі рослини здатні схрещуватися з карликовими, фактори «високоросла» і «карликовості» комбінуються і наступне покоління виявляється гібридним. Всегібріди будуть високими, так як фактор «високоросла» є домінантним, що маскує дію фактора «карликовості». Останній, однак, не зникає, асохраняется.
Такі гібриди не вестимуть себе як чистосортні, тому що містять обафактора, комбінації яких визначає чиста випадковість. Фактор «високоросла» може комбінуватися з іншим фактором «високоросла», тоді появітсячістосортное високоросла рослина. Так станеться в одній чверті випадків. В іншій чверті фактор «карликовості» в комбінації з іншим фактором «карликовості» дає карликова рослина. В решті половині фактор «високоросла» поєднується з фактором «карликовості» або фактор «карликовості» - з фактором «високоросла» -при цьому виходять високорослі нечістосортние рослини.
Мендель показав, що успадкування будь-якої ознаки можна пояснити таким жеобразом, причому для всіх вивчених їм ознак схрещування двох крайнощів неприводим до змішання спадковості - кожен варіант зберігався без зміни-якщо він зникав в одному поколінні, то з`являвся в наступному.
Все це мало неабияке значення для еволюційної теорії (хоча сам Мендельнікогда не думав про додатку до неї своїх ідей), так як дозволяло сделатьследующій висновок. Випадкові варіації, протягом якогось проміжку временівознікающіе всередині виду, в кінцевому рахунку не усереднюються, а зникають іпроявляются знову, поки їх в повній мірі не використовує природний відбір.
Причина, по якій успадковані ознаки часто виглядають проміжними, полягає в тому, що при схрещуванні рослин і тварин більшість прізнаковобично є комбінацією декількох факторів. Різні компонентинаследуются незалежно, але в той же час за принципом «так» або «ні». Среднееколічество «так» або «ні» визначає появу проміжного ознаки.
Відкриття Менделя стосувалися і євгеніки. Викорінювати небажані прізнакіоказалось не так легко, як уявлялося спочатку. Чи не проявивши в одномпоколеніі, вони можуть виявитися в наступному. Розмноження, сопровождаемоеотбором, - процес більш тонкий і більш тривалий, ніж думав Гальтон.
Однак світ був ще не підготовлений до того, щоб оцінити ці факти. Тщательноопісав результати своїх експериментів, Мендель вирішив заінтересоватькакого-небудь відомого ботаніка, щоб заручитися його підтримкою. Тому спочатку 60-х років XIX ст. він переслав свої роботи Негелі. Той прочитав рукопис іотозвался вельми холодно. Теорія, заснована на підрахунках рослин гороху, непроізвела на нього ніякого враження. Він вважав за краще туманний і многословниймістіцізм, який так характерний для його власного вчення про ортогенезу.
Невдача збентежила Менделя. У 1866 р він опублікував свою статтю, ноісследованій вже не продовжував. Та й стаття не звернула на себе особливу увагу, оскільки Негелі не підтримав Менделя. Менделя з повним правом можна назватьоснователем вчення про механізми спадковості, яке тепер називаетсягенетікой, але в той час ніхто цього не припускав, в тому числі і він сам.

мутації

У другій половині XIX століття виникла інша проблема, пов`язана з развітіемеволюціонних ідей. В результаті новітніх відкриттів, зроблених фізиками, появілосьнеожіданное уявлення про значно меншу тривалості історії Землі. Спровозглашеніем закону збереження енергії виникло питання про джерело солнечнойенергіі. Про радіоактивності та ядерної енергії стало відомо набагато пізніше, так щов протягом XIX в. не було дано задовільних доказів того, що Солнцепребивало в його теперішньому стані протягом принаймні десятковмілліонов років.
Для еволюції по дарвиновскому типу часу було явно недостатньо, і некоториебіологі, в тому числі Негелі і Келлікер, припустили, що еволюція ідетскачкамі. Хоча потім з`ясувалося, що масштаб часу визначено неправильно, думка про скачкообразности еволюційного процесу все ж виявилася плідною.
Голландський ботанік Гуго де Фріс (1848-1935) також належав до тих, ктозаговоріл про скачках в еволюції. Якось на покинутому лузі йому попалася на глазазаросль ослінніка - рослини, незадовго до цього завезеного в Нідерланди ізАмерікі. Наглядова очей ботаніка зазначив, що деякі з цих растенійрезко відрізнялися за зовнішнім виглядом, хоча і відбувалися, ймовірно, від общегопредка.
Він переніс ослинник в сад, став розводити кожну форму окремо і постепеннопрішел до висновків, які за багато років до нього зробив Мендель: індівідуальниесвойства передаються з покоління в покоління, не зазнаючи змішання іусредненія- час від часу з`являються нові ознаки, помітно відрізняють етірастенія від інших і зберігаються в наступних поколіннях. Де Фріс назвав такіевнезапние зміни мутаціями (від латинського mutatio - зміна) і вирішив, чтоон спостерігає стрибкоподібно протікає еволюцію виду. Насправді мутацііослінніка не були пов`язані з змінами самих спадкових факторів.
Незабаром, однак, були вивчені і справжні мутації. Подібні явища вже давнобилі відомі пастухам і фермерам, часто спостерігав поява каліцтв і всякогорода відхилень від нормального типу. Деякі такі відхилення дажеіспользовалісь в сільськогосподарській практиці. Наприклад, мутація «коротконогих» овець з`явилася в Новій Англії в 1791 р Короткі ноги не дозволяли овцамперепригівать навіть через дуже низьку огорожу. Цих овець почали усіленноразводіть і оберігати. Але пастухи, як правило, не роблять теоретичних виводовіз своїх спостережень, а вчені, на жаль, часто не знайомі з практіческімскотоводством.
І тільки завдяки де Фріс ці явища нарешті постали перед науковим міром.Около 1900 р готуючись до опублікування своїх відкриттів і переглядаючи стариеработи, присвячені цій проблемі, вчений, на свій подив, виявив статьюМенделя тридцятирічної давності.
Незалежно від де Фриса ще два ботаніка - німець Карл Еріх Корренс (1864-1933) іавстріец Еріх Чермак (рід. В 1871 р) - в один і той же рік прийшли до весьмасходним висновків. І кожен з них, переглядаючи попередні роботи, обнаружілстатью Менделя.
Всі троє, де Фріс, Корренс і Чермак, опублікували свої роботи в 1900 р, ікаждий, посилаючись на роботу Менделя, оцінював свої дослідження як простоеподтвержденіе його висновків. Тому ми і говоримо тепер про менделевских законахнаследственності. Ці закони в поєднанні з відкриттям де Фриса дають картінувознікновенія і збереження варіацій. Так було усунуто слабке місце в теорііДарвіна. А після того, як англійський вчений Рональд Фішер (1890-1962) в своейкніге «Генетична теорія природного відбору» (1930) показав, чтодарвіновская теорія відбору і менделевської генетика повинні бути зведені в едінуютеорію еволюції, були досягнуті помітні успіхи. В пізніших работаханглічаніна Джуліана Хакслі (рід. В 1887 р) і американця Джорджа ГейлордаСімпсона (рід. В 1902 р) показано, що відбір - більш важливий фактореволюціонного процесу, ніж мутації.

хромосоми

До 1900 р Менделя закони набувають набагато більшого значення у зв`язку знову важливими відкриттями в області вивчення клітин.
У XVIII і на початку XIX століть небагато можна було розгледіти в клітці, дажепользуясь вдосконаленим мікроскопом. Клітка являє собою довольнопрозрачное тіло і при спостереженнях мала вигляд більш-менш різко очерченнойкаплі. Біологам доводилося задовольнятися описом її зовнішньої форми іразмеров. Правда, іноді вдавалося розгледіти в центрі клітини кілька болееплотное тіло (тепер його називають клітинним ядром). У 1831 р шотландскійботанік Роберт Браун (1773-1858) вперше припустив, що воно обов`язково Длякаждого клітини.
Через сім років пізніше Шлейден в своїй клітинної теорії відводить ядра клітини весьмасерьезную роль. Він пов`язує його з клітинним розмноженням, вважаючи, що новиеклеткі відокремлюються від поверхні ядра. До 1846 р Негелі вдалося довести, що це не так. Однак інтуїція лише частково підвела Шлейдена: ядродействітельно пов`язано з розмноженням клітини. Але дослідження ролі ядра требовалоновой техніки, яка дозволила б заглянути всередину клітини.
Таку техніку принесла органічна хімія. Слідом за Бертло хіміки-органікібистро навчилися виготовляти органічні речовини, яких не існує в природі, -Багато хто з них мали яскравим забарвленням. З 50-х років XIX ст. почався бурхливий ростпроізводства синтетичних барвників.
Якщо вважати вміст клітини неоднорідним, можна припустити, що отдельниеее частини будуть по-різному реагувати з різними хімічними речовинами. Урезультаті обробки барвниками деякі частини клітини забарвляться, а другіеостанутся безбарвними. Невидимі доти деталі завдяки забарвленню станутдоступнимі спостереження.
Можна розповісти про багатьох біологів, що експериментували в цьому напрямку, нонаіболее видатних успіхів досяг німецький цитолог Вальтер Флеммінг (1843-1905). Він досліджував тонку будову клітини тварин і з помощьюразработанних їм методів фіксації і забарвлення виявив, що частки, разбросанниевнутрі клітинного ядра, є утворення, які хорошоабсорбіруют барвник, чітко виділяючись на безбарвному тлі. Флемминг назвалсодержімое цих окрашивающихся частинок хроматином (від грецького chr ma -Забарвлення).
Обробляючи зрізи зростаючої тканини, Флемминг, звичайно, вбивав клітини, прічемкаждая з них фіксувалася на тій чи іншій стадії процесу поділу. У 70-хроках XIX ст. Флеммінг вдалося виявити картину змін хроматинового матеріалав всіх етапах клітинного ділення. Він виявив, що на початку процессахроматіновий матеріал зливається, формуючи короткі ниткоподібні освіти, які згодом отримали назву хромосом (від грецьких chroma - забарвлення, soma - тіло). Оскільки ці ниткоподібні хромосоми були типові для процессаделенія клітини, Флемминг назвав весь процес митозом (від грецького mitos -ніть). В клітці є невелике тільце, що носить назву центриоль, - ононапомінает зірку з розбіжними на всі боки променями. Центриоль ділиться надвоє частини, які розходяться до протилежних кінцях клітини. Тонкі промені, що йдуть від однієї центриоли до іншої, як би обплутують хромосоми, що групуються вплоскості, що проходить через центр клітини.

Мітоз в клітці гіпотетичного тваринного

Мал. Мітоз в клітці гіпотетичного тваринного.

А - стадія спокою- Б - рання профази (центриоль розділилася, появляютсяхромосоми) - В - пізніша профази (хромосоми роздвоїлися, але ще остаютсясвязаннимі) - Г - пізня профази (ядерна оболонка розчинилася, імеетсяверетено) - Д - метафаза (хромосоми розташувалися по екватору веретена) - Е -анафаза (хромосоми рухаються до полюсів) - Ж - телофаза (утворилися ядерниеоболочкі, хромосоми подовжуються, починається поділ цитоплазми) - З - дочерніеклеткі (стадія спокою). 1 - центріоль- 2 - ядришко- 3 - хроматин.

Критичний момент клітинного ділення настає, коли хромосома відтворює своюсобственную копію. Здвоєні хромосоми розтягуються в протилежні сторони: одна хромосома кожної пари - в один кінець клітини, інша - в іншій-після етогоклетка ділиться - в центрі утворюється перегородка. Кожна з двох нових дочерніхклеток завдяки подвоєння хромосом містить таку ж кількість хроматину, какоебило у вихідній материнській клітині. Ці спостереження Флемминг опублікував в 1882р.
У 1887 р бельгійський цитолог Едуард ван Бенеден (1846-1910) наочно показалдве важливі особливості хромосом. По-перше, число хромосом в різних клеткахорганізма постійно, тобто кожен вид характеризується певним хромосомнимнабором (наприклад, кожна клітина людини має 46 хромосом). По-друге, пріобразованіі статевих клітин - яйцеклітини і сперматозоїда - в одному з поділок не відбувається подвоєння хромосом. Отже, кожне яйце і сперматозоїд получаюттолько половину типового для виду кількості хромосом.
Друге народження менделевского закону змусило по-новому поглянути наісследованія хромосом. У 1902 році американський цитолог Уолтер Саттон (1876-1916) звернув увагу на те, що хромосоми поводяться подібно менделевскімнаследственним «факторам»: кожна клітина має постійне число пар хромосом.Оні, мабуть, несуть в собі здатність передавати фізичні ознаки від клітини кклетке , так як в кожному клітинному розподілі число хромосом строго зберігається-кожна хромосома створює копію (репліку) самої себе для використання її в новойклетке.
У заплідненої яйцеклітини, що утворилася від злиття яйця і сперматозоїда, відновлюється колишнє число хромосом. При проходженні последовательнихстадій поділу в заплідненої яйцеклітини число хромосом знову строгосохраняется аж до утворення самостійно живе організму. Однак неследует забувати, що в новому організмі одна хромосома з кожної пари полученаот матері (через яйцеклітину), а інша - від батька (через сперматозоїд). Етоперемешіваніе хромосом, що відбувається в кожному поколінні, може вивести на светрецессівние ознаки, раніше пригнічені домінантними. Нові комбінації вдальнейшем створюють все нові варіації ознак, які і «підхоплюються» природним відбором.
Здавалося, на зорі XX століття настав небувалий розквіт еволюційного вчення ігенетікі, але це було лише прелюдією до нових, ще більш поразітельнимдостіженіям.