/ / Language: Русский / Genre:sci_biology

Мы и её величество ДНК

Федор Полканов


Мы и её величество ДНК

Книга расскажет ребятам о понятии "Наследственность" и ДНК-коде.

Для среднего возраста

Фёдор Михайлович Полканов

Издательство "Детская литература" Москва 1968

Рисунки В. Константинова

Приглашение к путешествию

У волчицы всегда родится волчонок, у кошки — котенок, и никогда не бывает так, чтобы кошка родила тигра. Почему? И почему, если уж и отец и мать голубоглазы, не жди кареглазых детей? Или почему иногда ребенок — копия деда? Сто тысяч этих и других «почему», связанных с наследственностью, издавна занимали люден, а ответы на них дала молодая наука генетика. Все, оказывается, связано с хромосомами клеточных ядер, а состоят эти хромосомы из подлинной королевы кислот — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Я влюблен в ее величество ДНК. Это королева особенная. Зародившись где-то на грани живого и неживого, быть может у вирусов, а может, у более простых веществ или существ, она развивалась, накапливая богатства наследственной информации. А ныне настал уже час, когда нуклеиновая кислота доросла до уровня человеческого, того самого, на котором нервные клетки, созданные по приказу и под неусыпным контролем ее, поднялись до познания самой королевы и, мало того, взбунтовались: пытаются ее перестроить и изменить!

Приглашая в путешествие по стране Наследственности, должен предупредить: она обширна и не так-то скоро доберемся мы до императорского дворца. Сперва я поведу читателя в монастырскую келью и познакомлю с монахом, который кланялся не иконам, а грядкам гороха. Потом мы вырвемся из монастырских стен на стратегический простор, чтобы... основательно заняться пробирками с мухами. Оттуда мы уже выйдем с хромосомными картами в руках, а с картами легче шагается, и мы, мимоходом познакомившись с котом Макаром, который вовсе не кот, попытаемся создать рыб новой окраски и решим ряд других, далеко не простых вопросов. И вот тут-то настанет время готовить штурм дворца королевы! К бою, рентгенопушки и гамма-ружья, в атаку! Принудим ее величество к революционным преобразованиям в империи!

ГЛАВА ПЕРВАЯ. НАЧАЛО НАЧАЛ

в которой безвестный монах, даже не подозревая о существовании ДНК, с изумительной прозорливостью прослеживает ее деяния, создает АЛГЕБРУ ЖИЗНИ, прокладывая тем самым пути для разведчиков будущего.

Знаменательный юбилей

В августе 1965 года в чехословацкий город Брно съехались со всего света ученые. Русские и американцы, немцы и бельгийцы, индусы и болгары, представители молодых стран Африки и государств Латинской Америки, они говорили каждый на своем языке, однако был у них всех и общий язык —1:1, 3:1, 9:3, 3:1, — язык генетических формул. Этим формулам, открытию чешского ученого Грегора Менделя, в тот год исполнялось сто лет.

Какое открытие он сделал?

Писатели-фантасты часто описывают будущее, проникновение в него человечества. Для Менделя будущее не было фантастикой. Каждодневная работа вела в него, полное непонимание окружающих не помешало Менделю опередить свой девятнадцатый век.

Но чем же знаменит Мендель?

Отшельник оказывается совсем не отшельником

В начале прошлого века, в 1822 году, в Австрийской Моравии, в деревушке Ханцендорф, в крестьянской семье родился мальчик. Он был вторым ребенком в семье. При рождении его назвали Иоганном, фамилия отца была Мендель.

Жилось нелегко, ребенка не баловали. С детства Иоганн привык к крестьянскому труду и полюбил его, в особенности садоводство и пчеловодство. Как пригодились ему в дальнейшем навыки, приобретенные в детстве!

Выдающиеся способности обнаружились у мальчика рано. Менделю было одиннадцать лет, когда его перевели из деревенской школы в четырехклассное училище ближайшего городка. Он и там сразу проявил себя и уже через год оказался в гимназии, в городе Опаве.

Платить за учебу и содержать сына родителям было трудно. А тут еще обрушилось на семью несчастье: отец тяжело пострадал — ему на грудь упало бревно. В 1840 году Иоганн окончил гимназию и параллельно — школу кандидатов в учителя. Как пишет он сам, это обеспечило ему скромное существование.

Несмотря на трудности, Мендель продолжает учебу. Теперь уже в философских классах в городе Оломеуц. Тут учат не только философии, но и математике, физике — предметам, без которых Мендель, биолог в душе, не мыслил дальнейшей жизни. Биология и математика? В наши дни это сочетание неразрывно, но в XIX веке казалось нелепым. Именно Мендель был первым, кто проложил в биологии широкую колею для математических методов.

Он продолжает учиться, но жизнь тяжела, и вот настают дни, когда, по собственному признанию Менделя, «дальше переносить подобное напряжение уже не под силу». И тогда в его жизни наступает переломный момент: Мендель становится монахом. Он отнюдь не скрывает причин, толкнувших его на этот шаг. В автобиографии пишет: «Оказался вынужденным занять положение, освобождающее от забот о пропитании». Не правда ли, откровенно? И при этом ни слова о религии, боге. Неодолимая тяга к науке, стремление к знаниям, а вовсе не приверженность к религиозной доктрине привели Менделя в монастырь. Ему исполнился двадцать один год. Постригавшиеся в монахи в знак отрешения от мира принимали новое имя. Иоганн стал Грегором.

Грегор Мендель.

Однако что-то не сиделось ему в монастыре. Вот перечень заграничных поездок Менделя: он побывал во Франции, в Англии, Риме, Гамбурге, Киле, Берлине, Венеции. Много ездил он и внутри страны, а в Вене, где учился в университете, жил годами. Лишь одна из поездок — в Рим, где представлялся он папе, — была по монастырским делам, а все остальные — на научные съезды и выставки.

А еще флористические экскурсии. Мендель их совершал постоянно. Бродил в окрестностях Брно, часто весьма далеких, искал редкие и измененные растения. Нет, он не собирал гербарий. Свои находки нес в монастырь, высаживал в маленьком садике, наблюдал за их ростом, за тем, как наследуют они свои особенности. Конечно, это отрывало его от монастырских дел, но, очевидно, именно к этому он и стремился.

Невольно напрашивается вопрос: а как же монастырское начальство? Почему разрешало оно Менделю экскурсии и поездки? Ответить на это не так уж сложно, нужно только учесть историческую обстановку.

Девятнадцатое столетие подвело черту под средневековьем. От безраздельного влияния религии на все стороны жизни остались только воспоминания. Однако католичество все еще сила немалая, но тому, кто недавно был всемогущ, трудно смириться с ограничениями. И от былой отгороженности монастырей от мирской жизни приходится отказаться. Монастыри включаются в активную борьбу за влияние на массы. В школы, больницы, даже в правительства и науку направляются эмиссары в рясах: считается, что тем самым они несут в массы «божье» слово. И Мендель в этой обстановке использует любую возможность для научной работы.

Карта путешествий Менделя.

В науке не было человека более скромного, чем Мендель: никогда он не рекламировал свои работы, свои достижения, никогда ни о ком из ученых не сказал худого слова. Однако в жизни, в обстоятельствах, с наукой не связанных, Мендель был волевым, энергичным, деятельным. Он умел постоять за себя, об этом свидетельств вполне достаточно. И в то же время не сыщешь ни одного, которое бы говорило о... религиозности Менделя. Это не значит, что он был безбожником. Просто не было у него потребности обращаться к богу ни в научной работе, ни в спорах, ни в письмах — обходился без него, объясняя все причинами материальными. Эмиссар в рясе был эмиссаром науки.

О том, как он выглядел, свидетельствует современник: «Еще теперь я его вижу перед собой, как он идет по Булочной улице, спускаясь к монастырю: среднего роста и широкоплечий, хороню настроенный, с крупной головой и высоким лбом и золотыми очками на благожелательных, но проницательных голубых глазах. Почти всегда он носил штатское платье, цилиндр на голове, длинный, черный, обычно чересчур широкий сюртук и короткие брюки, заправленные в высокие, жесткие сапоги». Чей это облик? Скорее, учителя тех лет, горожанина или крестьянина, быть может ученого, но уж никак не монаха.

Был период, когда его сделали священником. Совсем недолгий период. Утешать страждущих, снаряжать в последний путь умирающих. Не очень-то это нравилось Менделю. И он делает все, чтобы освободиться от неприятных обязанностей.

Иное дело учительство. Мендель преподавал в городской школе, не имея диплома учителя, и преподавал хорошо. Его бывшие ученики с теплотой вспоминают о нем — сердечном, благожелательном, умном, увлеченном своим предметом.

Интересно, что Мендель дважды сдавал экзамен на звание учителя и... дважды проваливался! А ведь он был образованнейшим человеком. Нечего говорить о биологии, классиком которой Мендель вскоре стал, он был высокоодаренный математик, очень любил физику и отлично знал ее.

Сохранились сведения об одном из его ответов — речь шла о происхождении Земли. Мендель говорил о теории Канта — Лапласа, об образовании небесных тел из туманностей. Ответ был совершенно правильным с точки зрения науки тех лет. Но он не соответствовал религиозным догмам о божественном акте творения. Не поэтому ли Мендель и получал неудовлетворительные оценки?

Провалы на экзаменах не мешали его преподавательской деятельности. В городском училище Брно Менделя-учителя очень ценили. И он преподавал, не имея диплома.

«Период «затворничества». Правило доминирования

В жизни Менделя были годы, когда он и впрямь превратился в затворника. Но не перед иконами склонял он колена, а... перед грядками с горохом. С утра и до позднего вечера трудился он в маленьком монастырском садике (35 метров длины и 7 метров ширины). Здесь с 1854 по 1863 год провел Мендель свои классические опыты, результаты которых не устарели и по сей день.

Этим опытам предшествовала длительная подготовка.

До нас не дошли ни перечень прочитанных Менделем книг, ни записи его; однако по письмам к ботанику Негели нетрудно заключить: перечитал он всё, что писалось до него по вопросам наследственности.

А до Менделя в вопросах наследственности не было ясности. Каких только не высказывалось гипотез! И в общем-то все они были несостоятельными. Только лишь двое — Огюстон Сажрэ и Шарль Ноден — были близки к открытию законов, по праву называемых менделевскими. Можно даже сказать, что этим ученым оставалось сделать один только шаг, но, чтобы его сделать, надо было быть Менделем!

Мы не будем здесь рассматривать взгляды ученых, предшественников Менделя, — нет в этом нужды. Однако о некоторых представлениях, существовавших в ту пору в среде селекционеров, сказать нужно хотя бы потому, что и ныне они кое-где бытуют. Так, рассматривая гибриды, говорили о доли «крови» родителей: полукровки, четвертькровки и т. д. Между тем первая и очень важная заслуга Менделя состоит именно в том, что он понял: такие расчеты не ведут ни к чему. Напротив, они заслоняют от исследователя картину наследования. Организм — единое целое. Это верно. Но ведь и целое состоит из частей! Эти части неразрывно связаны между собой, но тем не менее они существуют раздельно. Недаром говорят: глаза отцовские, а волосы как у матери!

Монастырский садик в Брно.

Мендель понял: организм слагается из признаков. Нет, это не мозаика признаков, не простая сумма, потому что ни глаза, ни волосы отдельно от организма существовать не могут. И все же наследуются именно признаки: карие или голубые глаза, курчавость или прямоволосость.

Это было первое открытие Менделя, сделанное им еще до опытов с горохами. Однако это не теоретическое открытие. Мендель в своей монастырской келье занимался скрещиваниями мышей разных окрасок. Результаты опытов он не публиковал, церковники могли бы их счесть греховными.

Свои основные опыты — с горохом — Мендель очень хорошо продумал. Четкая постановка опытов, совершенно новые для тех лет методы удивляют даже нас, людей XX века.

Опыт должен быть чист. Мендель понимает это и тратит два года на то, чтобы проверить выбранные для эксперимента горохи: как они себя поведут, достаточно ли четко будут наследовать свои признаки? А маленькие жучки, ползающие по растениям и могущие ненароком перенести пыльцу или попортить горошины? Сколько хлопот они доставили Менделю! Нелегко было их победить, и все же своего он добился: ни один из его опытов не был испорчен. Он изучил десять тысяч растений и лишь в нескольких случаях обнаружил случайную примесь чужой пыльцы!

Мендель выбрал семь пар горохов. Партнеры каждой из пар отличались друг от друга лишь по одному, четко выраженному признаку:

семена гладкие или морщинистые,

семядоли желтые или зеленые,

семенная кожура белая или серая,

бобы гладкие или с перехватами,

зрелые бобы зеленые или желтые,

цветы пазушные или верхушечные,

оси короткие или длинные.

Инструментарий Менделя.

Как ужо было сказано, Мендель проверял растения в течение двух лет (1854—1855) и всегда они давали одинаковое потомство.

Выбранные горохи скрещивались попарно. Взяв кисточкой пыльцу с одного растения, Мендель переносил ее на пестик другого. Всего таким образом было проведено 287 искусственных оплодотворений: исследователь понимал, что для надежных выводов нужен большой материал.

Но вот наконец пришло время, когда стали ясны результаты опытов. Они были предельно четкими и, с точки зрения представлений, существовавших до Менделя, удивительными.

Гибриды первого поколения — полукровки. Какими же они оказались? Вовсе не промежуточными.

В каждом из скрещиваний проявился только один из признаков.

Когда у одного из родителей семена были гладкими, а у другого морщинистыми, все сто процентов потомков имели гладкие семена. Точно так же при скрещивании растений с зелеными семядолями; с теми, у которых семядоли были желтыми, потомство имело желтые семена.

И так по всем скрещиваниям. Один из признаков господствовал, подавлял другой признак.

Такой господствующий, подавляющий признак Мендель назвал доминантным; другой же, подавляемый признак, носит название рецессивного. Рецессивные признаки в первом поколении не проявлялись ни у одного из многих сотен гибридов.

Правило и исключения. Закон единообразия первого поколения

«Но, быть может, так бывает лишь у горохов?» — подумает пытливый читатель. И тут же вспомнит, что совсем недавно противники современной генетики называли законы Менделя «гороховыми».

Пытливый читатель прав. Ничто нельзя принимать на веру. Проверять, проверять, проверять — это главное свойство, которое должно быть присуще исследователю. Не верить единичному результату! Без этого не может существовать ни одна наука.

В угоду такому читателю обратимся к иным, «негороховым» примерам.

Тюльпаны. Что получится, если белый цветок опылить пыльцой красного? Каковы будут цветы у гибридов? Розовые? Нет. Все они окажутся красными. Красный цвет у тюльпанов — доминант, белый — рецессив.

Но тюльпаны — растения. А как обстоит дело с животными? Сейчас посмотрим. Начнем с самых простых позвоночных — с рыб.

У диких панцирных сомиков тело серое, а по нему правильным орнаментом лежат коричнево-черные пятна. Но встречаются сомики иные — розовые альбиносы. Что получится, если серого коврового скрестить с розовым? Ковровая окраска будет доминировать, а альбинизм окажется рецессивом. Все потомство в первом поколении будет ковровым.

Подобные примеры можно было бы подобрать для любого класса животных, но мы перепрыгнем через несколько ступеней систематической лестницы живых существ и обратимся к птицам. На цветной вклейке нарисованы павлины. Пава обычная, пестрая, а самец — белый. Каким будет потомство? В первом поколении оно все окажется пестрым, дикого типа. Он — доминант, белая окраска здесь рецессив.

А вот еще любопытная фотография: жираф-альбинос в стаде обычных жирафов. Какое будет потомство от пестрого жирафа и альбиноса? Обязательно пестрое (конечно, если пестрый жираф негибриден).

Жираф-альбинос в стаде обычных жирафов.

И наконец, человек. Здесь есть тоже рецессивные и доминантные признаки. Темные глаза (карие, черные) доминируют, например, над голубыми.

Что скажет теперь пытливый читатель? Быть может, следующее: а нельзя ли проверить самому?

Пожалуйста! У тебя есть аквариум? Если нет, возьми трехлитровую банку.

В аквариумах водятся улитки — катушки. Есть специальная аквариумная порода: катушка красная. Это альбинос, сквозь прозрачные покровы которого просвечивает алая кровь. А в природных водоемах — прудах, медленных речках — тьма-тьмущая катушек обычных, коричневых или черных. Налей в банку воды, дай ей отстояться, брось туда несколько веточек водных растений и поставь на свет. Примерно через неделю можно пустить туда крупных катушек: красную и черную. Изредка бросай на поверхность маленький кусочек морковки, ею катушки будут питаться. При температуре 20—30° улитки уже через несколько дней отложат икру. А через 3—5 недель из икры вылупятся катушата. Они подрастут, и ты увидишь: все будут черные, ни одной красной. Черный цвет здесь доминант, красный — рецессив.

Число примеров я мог бы значительно увеличить, мог бы заполнить ими всю эту книжку. Но вряд ли есть в этом нужда. Уже сейчас можно сформулировать правило доминирования: при скрещивании наследственно чистых форм в первом поколении проявляются доминантные, господствующие признаки, а признаки рецессивные не проявляются.

Из правила есть исключения. Одно из них — наследование окраски цветков у растения мирабилис (ночная красавица). У этого растения имеются две расы: с красными и белыми цветками. Если их скрестить между собой, потомство получится не красным, не белым, а промежуточным — розовым. Это видно из рисунка (см. стр. 18).

Примеров промежуточного доминирования можно привести немало. Обратимся к аквариумным рыбкам. Если выбрать ярко-красного меченосца и скрестить его с серым, потомство получится красным — казалось бы, красный цвет доминирует. Но, присмотревшись к потомкам и сравнив их с родителями, нельзя не заметить, что у потомков красная окраска иная — много бледнее. Здесь имеет место доминирование не совсем промежуточное, но неполное.

Что же тогда получается с правилом Менделя?

«Неправильное правило! — скажет недоверчивый читатель. — Столько же подтверждений, сколько и исключений!»

Да, это так! Но тем не менее это нисколько не умаляет значение открытия Менделя. Суть этого открытия не в явлении доминирования, а в том, что в первом поколении либо проявляются признаки одного из родителей, либо же первое поколение промежуточно, но никогда (если исходный материал наследственно чист!) не возникает разнообразия. Не бывает так, что один потомок похож на отца, другой — на мать.

Поэтому теперь, когда стало известно множество исключений из правила доминирования, первый закон Менделя генетики называют законом единообразия первого поколения гибридов.

Где рецессивы?

А куда же делись рецессивные признаки? Пропали, исчезли? Не волнуйтесь, сейчас мы их найдем, они лишь до поры до времени «спрятались».

С растений первого поколения Мендель собрал семена и на следующий год высеял их, чтобы получить второе поколение, уже от скрещивания гибридов между собой. Вот тут-то и появились рецессивные признаки!

Рассмотрим для начала два опыта Менделя. Рассмотрим подробно, с цифрами, и недоверчивый читатель сможет сам все просчитать.

Б одном из опытов Мендель скрещивал растения с круглыми и угловатыми (морщинистыми) семенами. Круглые семена доминировали, и, значит, для получения второго поколения скрещивались между собой гибриды из первого, по виду круглосеменные.

Опыт 1 Опыт 2 Форма семян Окраска семядолей Круглая Угловатая Желтая Зеленая
растений
1 45 12 25 11
2 27 8 32 7
3 24 7 14 5
4 19 10 70 27
5 32 11 24 13
6 26 6 20 6
7 88 24 32 13
8 22 10 44 9
9 28 6 50 14
10 25 7 44 18
Всего по 10 растениям 336 101 355 123

В другом опыте исходные формы имели зеленые и желтые семядоли; желтые доминировали. Затем гибриды скрещивались между собой. Во втором поколении преобладали доминантные формы, но обязательно были и рецессивные, всегда в меньшем числе. Очень важно определить, в каком именно, поэтому приведу табличку из работы Менделя.

А теперь пусть читатель подумает, как опровергнуть Менделя. Но опровергнуть Менделя трудно. Его выводы основываются на большом экспериментальном материале. Так, в опыте первом было 253 растения, а семян от них получено 7324. Из них круглыми оказалось 5474 семени, а угловатыми 1850! Тут уже можно прикинуть долю рецессивов. Разделив первое число на второе (5474 : 1850), получим 2,96 :1.

Законы наследования одинаковы для всего живого.

А во втором опыте 258 растений дали 8023 семени — 6022 желтых и 2001 зеленое. И соотношение 3,01 : 1.

Посмотрим соотношения доминантов и рецессивов в других опытах, всего их было семь — Мендель отобрал для скрещиваний семь пар горохов. Вот они, эти соотношения: 3,15 : 1; 2,95 : 1; 2,82 : 1; 3,14 : 1; 2,84 : 1.

А всего в опыте было 19 960 потомков второго поколения. Почти двадцать тысяч!

Ну, а теперь выводы. На основе цифр Менделя вы уже сами можете заключить, что закономерное соотношение доминантных и рецессивных форм во втором поколении гибридов равно 3:1.

Три к одному — это нужно запомнить.

Ну, а как у ночной красавицы? И почему именно три к одному?

Напомню: ночная красавица оказалась цветком «эксцентричным», не пожелала следовать правилу доминирования. Скрещивали растения с красными и белыми цветами, а гибриды первого поколения получились сплошь розовоцветными. Что будет в этом случае во втором поколении? Уж конечно, не 3 : 1.

Наследование цвета у ночной красавицы.

Под цветками даны гены; справа изображены хромосомы.

Ход скрещивания у ночной красавицы изображен на схеме. Буквой Р (Р латинское) здесь обозначены родители, F1 — первое поколение гибридов, F2 — второе поколение, × — знак скрещивания.

Из схемы мы видим, что первое поколение все одинаковое, розовоцветное, а во втором — потомки трех типов: с красными цветами (как один из родителей), с розовыми (как гибриды первого поколения) и с белыми (как второй из родителей). А численное соотношение 1:2:1. Легко понять, что при доминировании соотношение у ночной красавицы было бы, как у гороха, 3: 1 (когда ниже мы познакомимся с формулами, это станет яснее).

Опыт, который я описал, надеюсь, убедил самых недоверчивых читателей в том, что Мендель был превосходным экспериментатором. Но он оказался и замечательным теоретиком.

Прежде всего Мендель понимал, что растения не могут передать свои признаки потомкам иначе, как через половые клетки. Спермий и яйцеклетка у животных, пыльцевое зерно и семяпочка у растений — вот передаточные этапы. Попутно он сделал еще несколько открытий. Так, например, в точном опыте Мендель доказал, что для опыления семяпочки достаточно одного-единственного пыльцевого зерна. Если бы, кроме этого, он больше ничего не дал науке, то и тогда имя его сохранилось бы в биологии.

Не зная ничего о материальных носителях наследственности, Мендель тем не менее был уверен в их существовании. Каждый из признаков, передающийся потомкам, имеет в клетке свой собственный наследственный задаток или задатки — это главная из его гипотез, в дальнейшем полностью подтвердившаяся.

А вот теперь перейдем к формулам, открытым Менделем. Не нужно пугаться: как все по-настоящему гениальное, они просты. Вернемся к скрещиванию Горохов с гладкими и угловатыми семенами, но только признаки эти (а значит, и наследственные задатки) обозначим, как делал это и Мендель, латинскими буквами. Гладкие семена — доминантный признак — обозначим А. Угловатые семена — рецессии — пусть будут а.

Мы могли бы записать скрещивание вот так:

Р: А × а

Однако у родителей тоже были родители, у каждого по два, и от каждого они получили наследственные задатки (Мендель брал проверенные семена, не гибридные). Это мы выразим, изменив запись таким образом:

Р: АА × аа

Запись означает, что у того из родителей, который имел гладкие семена, в свою очередь были два гладкосеменных родителя, и, наоборот, угловатосеменное растение происходило от двух растений с угловатыми семенами.

Каким будет первое поколение (F1)?

Каждое из растений получит по одному наследственному задатку от каждого из родителей (от одного А, от другого а).

F1 (первое поколение) состоит из гибридов: Аа, Аа. Правда, по внешности все они гладкосеменные, однако по происхождению резко отличаются от гладкосеменных растений из родительского поколения.

Чтобы получить второе поколение, скрещивают растения F1 между собой:

F1 : Аа × Аа

Тут возникает сложность, которую мы легко разъясним, потому что знаем больше того, что знал Мендель.

Ему же пришлось создать гениальнейшую из всех его гипотез: гипотезу чистоты гамет.

Перед скрещиванием растение образует половые клетки — гаметы. В опытах Менделя наследственные задатки не изменялись, не смешивались, не исчезали — в неизменном виде передавались они из поколения в поколение. Именно это позволило Менделю предположить, что гибридными могут быть только организмы. Гаметы же (половые клетки) всегда чисты, т. е. несут только один наследственный задаток из пары, в нашем случае или А, или а. Правильность этой гипотезы затем подтверждалась многократно, а теперь уже есть и прямые доказательства. Но вернемся к нашему скрещиванию и запишем, какие получатся гаметы:

Каждое из растений первого поколения образует гаметы двух типов: А и а. Тех и других образуется равное число, ибо, разделившись, материнская клетка в одну из дочерних отдает наследственный задаток А, в другую а.

Ну, а теперь нам остается лишь проследить, как будут комбинироваться гаметы при образовании второго поколения. Предположим, что имеется равное число шансов для встречи каждой из гамет одного родителя с любой гаметой другого.

Мы получаем соотношения АА : 2Аа : аа.

А — доминант, значит, растения с формулой Аа будут гладкосеменными.

Следовательно, по внешнему виду растения распадутся на две группы и составят соотношения 3 : 1 (на три гладких семени в урожае должно приходиться одно угловатое).

Однако мы сделали допущение, весьма произвольное: предположили, что каждая из гамет одного из родителей имеет равные шансы встретиться с любой гаметой другого. Так ли это? И получится ли при этом 3 : 1? В том, что это действительно так, убеждают тысячи опытов, подобных опыту Менделя. А чтобы ответить на второй вопрос, я советую (и особенно моим друзьям, пытливым читателям) проделать прямо сейчас, не сходя с места, один простой опыт.

Лотерея с черными и белыми шарами.

Нарежьте из бумаги сто одинаковых квадратиков. На пятидесяти напишите А, а на пятидесяти других — а. Затем каждый из квадратиков скатайте в трубочку и все их, тщательно перемешав, опустите куда-либо, хотя бы в шапку. Это будут наши «гаметы». Далее, не глядя, их нужно вынимать попарно и каждый раз отмечать, какой «потомок» получится: АА, Аа или аа. «Гамет» у нас мало — всего 100, поэтому, вынув, бумажные квадратики нужно вновь свертывать и бросать обратно. Чем недоверчивей читатель, тем больше придется ему поработать. Однако ручаюсь, что при достаточно большом числе «потомков» получится соотношение, близкое к 3 : 1, т. е. в нашем опыте «гаметы» ведут себя так же, как и в реальных скрещиваниях: и там и здесь подчиняются закону больших чисел.

Одинаковые, но разные

Горох с пурпурными цветами скрестили с белоцветным горохом. Получились гибриды с пурпурными цветами — сказалось правило доминирования. Попробуем сравнить два внешне одинаковых растения — из родительского и первого поколения. Они друг на друга похожи как две капли воды. Но как быть с формулами? Формулы разные!

Чтобы убедиться в правильности менделевской алгебры жизни, поставим так называемые возвратные, или анализирующие, скрещивания.

Но сначала познакомимся с некоторыми терминами, их необходимо запомнить. Прежде всего, в отличие от половых клеток гамет, получающийся в результате их слияния организм в генетике называют зиготой. Если формула гаметы в нашем случае либо А, либо а, то зиготы возможны, как мы уже видели выше, трех типов: АА, Аа и аа.

Организмы (или зиготы) с формулами АА и аа генетики называют гомозиготами, т. е. зиготами, обладающими двумя одинаковыми наследственными задатками.

«Гибридный» организм с формулой Аа носит название гетерозиготы (зиготы с разными наследственными задатками).

Как уже отмечалось, гомозиготы АА внешне не отличимы от гетерозиготы Аа. Иначе говоря, внешность организма обманчива, далеко не всегда дает нам исчерпывающее представление о его наследственной структуре. В связи с этим в генетике введено различие между фенотипом и генотипом. Фенотип — это внешнее выражение наследственности, попросту говоря, внешний вид, внешность организма. Если формула организма аа, т. е. он гомозиготен по рецессивному наследственному задатку, фенотип полностью соответствует генотипу: рецессивный признак ничем здесь не заслоняется, он сразу виден. Но если формула АА или Аа, попробуй тут по внешнему виду определить генотип! Не получается: А — доминантный фактор, и не различишь, какой перед тобой организм — АА или Аа. Вот тогда-то и применяют возвратные, или анализирующие, скрещивания: организм, несущий доминантный признак, скрещивают с гомозиготным по рецессиву.

Возвратное скрещивание у горохов.

Вернемся к нашим горохам. Растения с пурпурными цветками из родительского или первого гибридного поколения не отличимы одно от другого: у них одинаковый фенотип. Скрестим их с двойным рецессивом аа:

Р : АА × аа Р : Аа × аа
F1 : Аа, Аа F1 : Аа, аа
Все растения с пурпурными цветками. Половина растении с пурпурными, половина с белыми цветками.

Вот мы и разобрались, провели, как говорят, генетический анализ. Одинаковые по фенотипу растения оказались разными по генотипу: первое гомозиготным, а второе гетерозиготным по доминантному наследственному задатку А.

Возвратное скрещивание очень часто имеет большое практическое значение в селекции. Приведу пример из практики; речь пойдет о скрещивании, которое вы можете поставить в школьном биологическом кружке, в Доме пионеров или просто дома — всюду, где есть аквариумы.

С раннего детства увлекся я жизнью подводного мира, и как-то уж так случилось, что интересовал меня не столько образ жизни рыб, сколько селекция — выведение новых пород. Нужно сказать, что до войны в Москве было много меньше видов и пород аквариумных рыб, чем сейчас. Гуппи, например, были только серые, очень невзрачные. Поэтому легко понять мою радость, когда среди бесчисленных мальков этих рыб я обнаружил одного золотого! Конечно, я его тщательно вырастил. Оказалось, что это самец, и я подобрал для него молоденькую, выращенную отдельно от других гуппи, самку. Она была серой, и все мальки, которых она родила, тоже оказались серыми. Я понял, что золотая окраска — рецессивный признак. Можно было бы скрещивать гетерозиготных по этому признаку серых рыб между собой. Но тогда получилось бы расщепление 3:1. Только четверть всех мальков оказались бы золотыми. Между тем мой золотой самец сохранялся, и я поставил возвратное скрещивание. Самки — гетерозиготы, оплодотворенные этим самцом, — дали в потомстве соотношение 1 : 1, т. е. 50% серых и 50% золотых мальков.

Очень часто точно так же поступают селекционеры, работающие с сельскохозяйственными объектами.

Возвратное скрещивание у гуппи.

Доля папы и доля мамы. Реципрокные скрещивания

Это один из вопросов, которые Мендель решал между делом. Сам он написал об этом всего лишь одну фразу: «...во всех опытах производилось взаимное скрещивание таким образом, что те из каждой пары видов, которые при одних оплодотворениях служили семенными растениями, в других употреблялись как пыльцевые».

Доля папы равна доле мамы.

В обоих случаях результаты получались одинаковые. Из опытов следовало, что оба пола в равной мере отвечают за передачу признаков по наследству. Мендель не испытывал в этом ни малейших сомнений. Однако после него сомневающихся появилось немало, было создано даже целое учение, утверждавшее, что мать, материнская наследственность, играет преобладающую роль. А если так, не вредно усомниться и нам, обратиться к иным, чем горох, объектам.

Реципрокное скрещивание у меченосцев.

На схемах показано скрещивание у меченосцев. В правой схеме родителями были окрашенная самка и обычный серый самец, в левой — наоборот. Такие скрещивания, где носитель того или иного признака выступает то в качестве матери, то в качестве отца, называются реципрокными. Из схем видно, что расщепление в обоих случаях идет одинаково, отец и мать в равной мере передают свои признаки потомкам.

Я специально взял меченосцев — аквариумных рыб, простых по разведению и содержанию. Читатели, если пожелают, смогут поставить эти скрещивания самостоятельно. Оговорю лишь одну техническую сложность. У меченосцев, как и у всех других аквариумных живородящих рыб, одного оплодотворения хватает на несколько нерестов: сперма хранится в организме самки. Поэтому самок для всех типов генетических скрещиваний у всех живородящих рыб нужно специально выращивать в отдельных аквариумах, где нет самцов.

Опытов такого рода ставилось множество на самых различных объектах: микроорганизмах, растениях, животных. Но сомневающихся убедить трудно. Всегда остаются вопросы: а вдруг все-таки... И действительно, исключения есть. Так, например, при отдаленном скрещивании между ослом и лошадью, в зависимости от того, какой из видов взят самкой, получается либо мул, либо лошак. Они отличаются друг от друга довольно резко. Однако и здесь нельзя говорить о преобладании материнской наследственности. Ведь при реципрокных скрещиваниях меняются не только матери, но и отцы. Все это вполне объяснимо с позиций современной генетики. Когда мы познакомимся с хромосомной теорией, это станет понятным.

Закон расщепления

Теперь настало время сформулировать второй закон Менделя — закон расщепления. Суть его сводится к следующему: второе поколение, полученное от скрещивания гибридов между собой, распадается на доминантные и рецессивные формы.

Расщепление у гуппи.

Катушка-альбинос среди нормальных улиток.

Формула расщепления АА: 2Аа: аа. В случае промежуточного доминирования получается расщепление 1:2:1, в случаях доминирования полного — 3:1.

В скрещивании, которое мы рассмотрели, участвует только одна пара признаков. Такое скрещивание называют моногибридным.

Поставьте опыты

Много самых различных опытов, которые подтверждают закон Менделя, можно поставить в биологическом кружке, на пришкольном участке, дома.

Начну с улиток-катушек, о которых уже писал. Если вы получили первое поколение и убедились в доминировании черной окраски, можете вырастить молодых улиток и получить второе поколение. Любопытно, что здесь для подсчетов не обязательно ждать, пока маленькие улитки вылупятся из икры. Если к стеклам аквариума прижать изнутри другие стекла, наверняка случится так, что гибридные улитки налепят на них лепешки икры. Выньте стекла с икрой и разрежьте их стеклорезом так, чтобы отдельные кучки икринок были на маленьких прямоугольниках, удобных для рассмотрения под лупой. Сложите эти прямоугольники в банку с водой. Когда икра достаточно разовьется, можно будет под лупой или слабеньким микроскопом произвести подсчеты. Различия в цвете будут хорошо видны. В каждой лепешке обычно от 40 до 70 икринок. Желательно просчитать десять — двадцать таких лепешек.

Виды аквариумных рыб иногда отличаются лишь по одному гену.

Раз уж мы начали с аквариума, о нем и продолжим. Самый удобный объект среди рыб — гуппи. Если взять самку из какой-либо короткохвостой породы и скрестить ее с вуалевым самцом, все потомство первого поколения окажется короткохвостым, а во втором поколении выщепятся рецессивы с вуалевыми хвостами. Конечно, картина у гуппи несколько усложнена. Удлинение и расширение хвостов здесь наблюдается лишь у самцов, у всех самок хвосты одинаковые (мы имеем дело с признаком, ограниченным полом). Значит, расщепление можно считать только у самцов, а самок вообще не учитывать. Очень показательно также поставить здесь возвратное скрещивание: гибридную самку скрестить с вуалевым самцом. Соотношение будет 1:1.

Не только породы у аквариумных рыб часто отличаются одна от другой лишь по одному наследственному задатку (гену). Бывает и так, что рыбы, описанные как особые виды, на деле отличаются только по генам. Сейчас в наших аквариумах очень часто встречаются хифессобрикон серпа и хифессобрикон минор. Первый коричневато-вишневый, второй кроваво-красный. Ихтиологи часто относят их к разным видам. А вот мы с тобою, читатель, можем довольно легко опровергнуть ихтиологов. Однако это скрещивание я советую тебе ставить лишь в том случае, если ты уже опытный аквариумист. В первом поколении доминирует окраска «серпа»; все гибриды получаются коричневатыми, они не отличимы от хифессобрикон серпа чистого «вида». А во втором поколении получается расщепление 3:1, в возвратном же скрещивании 1 : 1. Выщепляются чистые «минор». Следовательно, систематики-ихтиологи ошиблись. Это не разные виды, хифессобрикон минор лишь цветная вариация хифессобрикон серпа.

Такого рода ошибки не так уж редки.

Скрещивание черных и белых мышей.

А вот еще одна возможность поправить систематиков, полностью еще не доказанная. Уже много лет знакомы нашим аквариумистам точечные данио. А года четыре назад появились у нас данио леопардовые. Сам я не проверял, но по некоторым наблюдениям почти убедился в том, что леопардовая окраска просто-напросто вызывается новым для нас геном у тех же точечных данио. Почему бы юным натуралистам эту гипотезу не проверить?

Многие ребята увлекаются голубями. Плохо, если при этом они не слезают с крыш, свистят, подгоняя своих питомцев, размахивают палками, занимаются ловлей чужих голубей. И в то же время нет ничего плохого, если голубеводство ведется культурно, ставятся цели улучшения или выведения новых пород. Вот таким-то голубеводам-селекционерам я и хочу помочь, рассказав, как наследуются у голубей некоторые признаки.

Большинство интенсивных окрасок у голубей доминантно. Так, доминантна черная, красная, ярко-сизая. Ослабленные окраски, такие, как бурая, палевая и серебряная, — рецессивы. По-разному наследуется белая окраска. Так, например, дутыши (голуби с сильно увеличенными, «раздутыми» зобами) имеют ген белой окраски, который доминирует над всеми другими генами окраски этой породы. В то же время павлиньи голуби, у которых сильно увеличено число перьев в хвосте, имеют ген белой окраски, рецессивный по отношению ко всем прочим генам окраски, встречающимся у этой породы.

Многим породам голубей свойственны «воротники», «банты», «чубчики». Таков раковиновидный воротник якобинца, таковы «манишки» и «банты» на груди или «огонки» вокруг головы чайки, розочки на голове. Все эти признаки рецессивны по отношению к нормальному оперению. Также рецессивна курчавость как по всему телу, так и курчавость кроющих перьев крыла. Как быть, если у одного из голубей появилось какое-либо украшение такого типа? Скрестив его с нормальным голубем в первом поколении, получим нормальное потомство. Часто голубеводы вот тут-то и отчаиваются. А между тем оснований для огорчений нет ни малейших. Можно скрестить гибридов между собой, и тогда у 25% потомков выщепится желанный признак. Еще лучше поставить возвратное скрещивание. Оно даст уже 50% голубей с рецессивным признаком. К сожалению, голуби откладывают всего только два яйца. Поэтому нужно работать сразу с несколькими парами. Да и от одной пары можно получить голубят несколько раз.

Я уже писал, что Мендель когда-то работал с мышами. Он скрещивал серых и белых. Расщепление в этом случае сложное. Для опытов в биологических кружках лучше взять вместо серых мышей — черных. Они сейчас широко используются для работы в биологических институтах. Скрещивая их с белыми, в первом поколении вы пронаблюдаете доминирование, а во втором — расщепление по соотношению 3:1. Возвратное скрещивание дает 1:1. Мышь — удобный объект для таких опытов. Но ставить их нужно в кружках Домов пионеров или же школ, там, где для живого уголка есть отдельная комната. В домашних условиях на такие опыты вряд ли согласятся родители: от мышей пахнет.

В условиях биологического кружка можно скрестить морских свинок с гладкой шерстью с розеточными. Здесь, как и у голубей, мало потомков, поэтому лучше вести опыт на нескольких самках. В первом поколении будет доминировать гладкая шерсть, во втором выщепляться розеточные.

Опыты с растениями нужно ставить на пришкольном участке. Здесь не всегда просто подобрать исходный материал. Поэтому я не буду давать советов. Следует обратиться на ближайшую селекционную станцию и планировать опыты в зависимости от того, какие семена там окажутся.

Скрещивание гладкошерстных морских свинок с розеточными.

Задачи для самостоятельного решения

Лучше всего помогает усвоить генетику самостоятельное решение задач. Я приведу самые простенькие. Ответов давать не буду — тот, кто читал внимательно, решит легко.

1. Чтобы изучить наследование окрасок у кроликов, юннаты скрестили шесть черных самок с белыми самцами. В первом поколении у двух самок родились только черные крольчата, а от остальных четырех было получено 16 черных и 14 белых. Каковы были генотипы черных самок?

Рогатость — рецессив или доминант? Были ли рога у быка?

2. У человека карие глаза доминируют над голубыми. В одной семье было четверо детей: двое кареглазых и двое голубоглазых. Их мать была голубоглазой. Какого цвета были глаза их отца, а также деда и бабушки по отцу? Перечислить возможные варианты, считая, что расщепление у детей 1:1.

3. В результате скрещивания пшениц получилось 273 остистых колоса и 89 безостых. Составьте гипотезу о генотипах исходных пшениц. Запишите ход скрещивания при помощи менделевских формул.

4. Вы зоотехник зверосовхоза. В вашем распоряжении сотни взрослых рыжих лиеиц и лишь несколько самцов черно-бурых. Считая, что лисица становится взрослой в возрасте одного года, составьте план, согласно которому через год с небольшим вы смогли бы получить одновременно полторы тысячи лисят-чернобурок. При этом будем считать, что в среднем у каждой самки рождается шесть лисят. Рыжая окраска — доминант, черно-бурая — рецессив.

Просчитайте соотношение светлых и темных птенцов и выскажите предположение о генотипе родителей.

Закон независимого комбинирования

Теперь мы можем поговорить о других опытах Менделя, которые привели к открытию закона независимого комбинирования генов — вершины его творчества, основного подарка Менделя человечеству. Действуя по этому закону, селекционеры вывели множество сортов и пород. Пожалуй, не лишне сразу предупредить: тот, кто хорошо усвоил все предыдущее, с легкостью поймет и этот закон. А если усвоили недостаточно, лучше вернуться и просмотреть вновь.

Как быть, если родители различаются не по одной, а по двум парам признаков? Условимся, что доминирование полное. Прежде всего, исходя из предыдущего, сразу определим: каждый из признаков дает во втором поколении соотношение 3:1. Однако каково будет их взаимное комбинирование?

Мы уже знаем, что законы Менделя, первоначально установленные в опытах на горохах, распространяются на все живое. Поэтому в качестве примера, поясняющего закон независимого комбинирования, нам не обязательно брать скрещивание горохов. Пусть нашим объектом в данном случае будут кролики. Родители — самка с обычной шерстью и висячими ушами и самец с удлиненной (ангорской) шерстью, уши у которого торчат вверх. Обычная шерсть здесь доминирует над ангорской, стоячие ушн — над вислоухостъю. Обозначив обычную шерсть через А, ангорскую через а, стоячие уши через В, вислоухость через в, мы сможем записать скрещивание следующим образом:

Р : ААвв × ааВВ

Какие гаметы образуют родители? Пока нам это записать просто: все гаметы самки будут иметь формулу Ав, все гаметы самца — аВ. Отсюда:

F1 : АаВв × АаВв

Все первое поколение обладает обоими доминантными признаками: это кролики с обычной шерстью и стоячими ушами. Оба рецессива «спрятались», подавленные доминантными генами.

На этом кончается первая, наиболее легкая часть нашей задачи. Далее уже будет сложнее. Какие гаметы образует каждый из родителей? Прежде всего А и а, В и в в одну гамету попасть не могут — это противоречило бы принципу чистоты гамет (см. выше). Однако как А, так и а может свободно комбинироваться и с В и с в. Отсюда уже легко понять, что каждый из родителей образует гаметы четырех типов: АВ, Ав, аВ, ав.

Если теперь вы вспомните наш опыт (лотерею с бумажками), поймете, что каждая из четырех типов гамет одного родителя имеет равные шансы для встречи с каждой из четырех гамет другого. В этих условиях написать генотипы всех возможных потомков второго поколения было бы не так-то просто, не приди к нам на помощь ученый Пеннет, который еще в начале нашего века предложил способ, названный решеткой Пеннета.

Вот как выглядит эта решетка:

АВ Ав аВ ав
АВ ААВВ ААВв АаВВ АаВв
Ав ААВв ААвв АаВв Аавв
аВ АаВВ АаВв ааВВ ааВв
ав АаВв Аавв ааВв аавв

Сверху над каждой из граф пишется одна гамета одного из родителей, слева возле каждой графы — одна из гамет другого. Затем, мысленно соединяя гаметы, заполняют графы решетки.

Внимательно всмотревшись в таблицу, вы обнаружите, что получились кролики девяти различных генотипов. А чтобы разобраться, каковы же будут они по внешности (фенотипически), мы еще раз повторим ту же решетку, однако уже не только с формулами, но и с рисунками. Легко заметить, что фенотипов четыре.

Скрещивание кроликов, отличающихся по двум признакам: самка с обычной шерстью и висячими ушами и самец с ангорской шерстью и стоячими ушами.

Больше всего животных, обладающих двумя доминантными признаками, их девять. Три животных с обычной шерстью (доминант), но с вислоухостью (рецессив), три с шерстью ангорской (рецессив), но со стоячими ушами (доминант). И, наконец, четвертая группа (одно животное) обнаруживает оба рецессивных признака (висячие уши и ангорская шерсть). Значит, численное соотношение здесь будет 9:3:3:1.

Конечно, не надо думать, что если родится 16 крольчат, то расщепление по фенотипу у них будет точно такое, как выше описано. Как и второй закон Менделя, этот основан на теории вероятности, и соотношение, близкое к 9:3:3:1, возникает лишь при большом числе потомков. Чтобы не быть голословным, приведу цифры, полученные самим Менделем.

Горохи с желтыми семядолями и морщинистыми семенами он скрещивал с растениями, у которых семядоли были зелеными, а семена гладкими. Расщепление во втором поколении у него было такое:

315 АВ : 101 Ав : 108 аВ : 32 ав

Это вовсе не точно 9:3:3:1, но близко к этому соотношению.

Таким образом, когда исходные родители различаются по двум парам генов, признаки комбинируются во втором поколении независимо один от другого и дают в и тоге соотношение 9:3:3:1.

Это соотношение можно вывести не только при помощи скрещивания и построения решетки Пеннета. Можно это сделать и чисто теоретически. По каждому из признаков расщепление по фенотипу бывает: 3:1, т. е. 3А : 1а и 3В : 1в. Перемножим эти соотношения:

(3А + 1а) · (3В + 1в) = 9АВ + 3аВ + 3Ав + 1ав

Этот прием позволяет нам сразу же вывести формулу для еще более сложного расщепления, по трем парам генов:

(3А + 1А) · (3В + 3в) · (3С + 1с)

Можно вывести формулу и для четырех, девяти и т. д. пар генов. В общей форме (для N признаков) формула выглядит так:

(3А + 1a) · (3В + 1в)... (3N + 1n)

Но вернемся к нашему скрещиванию у кроликов. Когда мы рассматривали второй закон Менделя, во втором поколении видели распадение на исходные родительские формы. Что имели в исходном материале, с тем же оказывались и во втором поколении: были горошины гладкие и морщинистые и во втором поколении получаем вновь гладкие и морщинистые.

Обозначив клетчатость через К, коротконогость через Н, напишите все генотипы.

Каким было первое поколение? Нарисуйте.

Иное дело при двух парах факторов, или, как говорят генетики, в дигибридном скрещивании. Тут во втором поколении мы получаем новые комбинации. Их обнаружить совсем нетрудно. Среди родителей было два типа кроликов, а во втором поколении уже четыре. Кролики с обычной шерстью и стоячими ушами, так же как и вислоухие ангоры, — новые комбинации. Поэтому легко понять, что, разработав законы скрещиваний с участием нескольких пар факторов, Мендель вложил в руки селекционеров могучее, безотказно действующее оружие.

Напишите генотип матери и нарисуйте отца.

Выше я описывал голубей двух пород: дутышей и павлиньих. Тогда я не мог еще говорить о селекционных возможностях скрещивания между породами. Теперь читателю будет ясно: таким способом можно вывести интересных декоративных голубей, павлиньих дутышей. Конечно, для этого нужен большой материал.

А люди о нем забыли...

В 1862 году, за год до окончания Менделем его опытов на горохах, в Брно было организовано Общество естествоиспытателей. Оно объединяло как профессиональных ученых, так и любителей. Были среди его членов люди весьма одаренные, знатоки ботаники, ученые с разнообразными интересами.

Именно сюда, в это общество, в 1865 году принес Мендель «Краткий конспект доклада». Составленный со свойственной Менделю скрупулезной точностью, если хотите — педантичностью, этот конспект был не так уж краток: доклад пришлось разбить на две части, Мендель зачитал их 8 февраля и 8 марта 1865 года. Думаете, был триумф? Ничуть не бывало. На каждом заседании присутствовало не более 40 человек, и все они встретили сообщение Менделя весьма прохладно. Не было задано вопросов, не было обсуждения. Присутствующие не поняли Менделя, не смогли оценить его открытие. Однако приняли решение доклад опубликовать, и статья под названием «Опыты над растительными гибридами» вышла из печати в трудах Общества в 1866 году.

Но и на статью никто не откликнулся, она совсем не привлекла внимания научного мира. Тридцать пять лет (до 1900 года) суждено было ей пылиться на полках библиотек.

В чем же дело? Почему наука XIX века не проявила интереса к одному из величайших открытий? По значимости сделанное Менделем сравнимо лишь с теорией Дарвина. Два великих открытия в биологии прославили XIX век — дарвинизм и менделизм, однако книга Дарвина была замечена тотчас же, в то время как Мендель так и не дожил до признания своих заслуг.

Причин много. Мендель не был профессиональным ученым, его друзья по Обществу оказались недостаточно подготовленными математически, у всех в ту пору острейший интерес вызывал дарвинизм, отвлекая внимание от всего остального: перечисление можно было бы и продолжать. Но нужно ли? В общем, все сводится к одному. Дарвинизм был открытием века, он попал на подготовленную, удобренную предшественниками Дарвина почву. Об изменчивости живого говорил в свое время еще Жофруа Сент-Илер; Ламарк за пятьдесят лет до Дарвина дал миру идею эволюции, постепенного усложнения живого. Дарвин эволюцию объяснил. Его теория естественного отбора — ключ к пониманию развития, совершенствования жизни на земле. Наука толкалась перед закрытыми дверьми. И Дарвин эти двери распахнул. Мудрено ли, что его теория не оставила никого равнодушным, поделила мир на сторонников и противников дарвинизма?

И совсем иное дело открытие Менделя. Не только полуученые-полулюбители из Общества естествоиспытателей в Брно, но и вся наука XIX века не была подготовлена к восприятию идей Менделя. Что это? Горохи, растения, живое изучаются чисто математическими методами! Кто он, Мендель? Ботаник или статистик? Мозг математика и руки биолога-экспериментатора — это понятно в наши дни, это ценится в нашем XX столетии, но это не могло быть понято в XIX. Провинциал-любитель вздумал дурачить просвещенных натуралистов своими алгебраическими выкладками, основанными на теории вероятности. Ученые XIX века просто не стали его читать!

В XX веке у Менделя появились многочисленные преданные сторонники и последователи, появились и ярые враги. Читатели, наверное, помнят, как еще недавно генетику называли лженаукой, Менделя же не иначе, как «австрийским монахом». Но вот что характерно: позиции, с которых критиковали Менделя. Его обвиняли в том, что законы его статистические и к биологии отношения не имеют. Союз биологии с математикой, физикой, химией именовали «механисцизмом». Иначе говоря, критиковали с позиций биологии XIX века, критиковали именно за то, за что с позиции XX века Менделя нужно поддерживать и хвалить. Однако время берет свое. Жизнь показала: противники Менделя были неправы. И ныне Мендель, чешский ученый, которого чтит все человечество, занял навсегда свое законное место — рядом с Дарвином — в рядах великих биологов.

Любопытно проследить отношение к Менделю некоторых ученых. Больше всего он общался с Негели, крупным ботаником своего времени. Мендель ему писал о своих опытах, делился с ним мыслями. Каждое письмо — шедевр скромности и в то же время точности описаний. Ни одного лишнего слова — только о деле. Тон ответных писем Негели — покровительственный. Он не спускается с высоты своего ученого пьедестала. Мендель для Негели провинциал-любитель, которого в то же время Негели с удовольствием зачисляет в свои ученики. А когда нужно, заимствует у Менделя мысль, не ссылаясь в своих статьях на источник. Однако где они сейчас, статьи и книги, написанные Негели? Человечество только потому и сохранило в памяти это имя, что Негели получал письма от Менделя.

И еще один крупный ботаник XIX века, австриец Антон Кернер фон Марилаун, был обязан высказать свое мнение о статье «Опыты над растительными гибридами». Мендель послал ему статью, сопроводив ее кратким письмом. Однако Кернер даже не прочел этой статьи — она найдена неразрезанной в его архивах.

Несмотря на холодный прием, который встретила первая его работа, Мендель и не думал сдаваться. Он чувствовал, знал: то, что он показал на горохах, имеет всеобщее значение, действенно и верно для всего живого. Он продолжал экспериментировать. Однако оказалось не так-то просто найти в то время второй такой же удачный, как горохи, объект. Он начал работать с ястребинками, и тут его ожидал крах. Мало того, что у ястребинок очень мелки цветки и Мендель совершенно испортил себе глаза. Ястребинки никак не желали укладываться в его схемы! Он был не в силах в ту пору понять почему, а между тем ларчик открывался просто. У этих растений семена часто развиваются без оплодотворения, то есть без отцовских генов. Мудрено ли, что ястребинки «не пожелали» менделировать?

30 марта 1868 года произошла в жизни Менделя серьезная перемена: его избрали настоятелем монастыря. «Из моего скромного положения преподавателя экспериментальной физики я вдруг перенесен в среду, где многое мне чуждо», — откровенно пишет он Негели. Однако строкою ниже он добавляет: «Это не помешает мне продолжать столь полюбившиеся опыты по гибридизации, и я даже надеюсь уделить им больше внимания и времени после того, как я освоюсь с новым положением». Увы, эти надежды не сбылись.

Вот письмо от 1873 года: «В нынешнем году ястребинки снова отцвели, но я не смог им уделить больше одного-двух кратковременных посещений. Я чувствую себя поистине несчастным оттого, что я вынужден забросить мои растения и пчел».

Так ушел из науки этот талантливый человек, далеко опередивший свое время. Обязанности прелата поглотили его полностью: в монастыре большое хозяйство, которым нужно руководить, а кроме того, многочисленные организации и учреждения города постоянно привлекают к работе этого умного, честного, принципиального и деятельного человека. Был он одним из директоров Моравского банка, был и депутатом Моравского ландтага. А тут еще бесконечная тяжба с правительством по поводу крупного налога с монастыря! Она окончательно поглотила все время, все силы.

Мендель умер 6 января 1884 года. А через шестнадцать лет пришла к нему мировая слава.

Открытие открывают вновь

Подобно тому как в середине XIX века витал в воздухе дарвинизм, так в начале XX века доросла наука до восприятия идей Менделя.

Об этом интересно пишет Н. И. Вавилов, крупнейший генетик советского времени. В одной из статей о Менделе он дает образец общественно-исторического анализа причин революции, произошедшей в науке о наследственности на рубеже XIX и XX столетий. В это время селекционеры, работающие ощупью, без надежных теоретических основ, уже не могут удовлетворить запросы хозяйства. И вот требования селекции приводят к тому, что в конце XIX века гибридизацией занимаются уже многие биологи. За год до вторичного открытия законов Менделя, в 1899 году, созывается многолюдная международная научная конференция по вопросам гибридизации. С докладом на тему «Гибридизация как метод научного исследования» выступает английский зоолог Бетсон — человек, которому уже через два года предстояло стать крупнейшим генетиком, поставить классические эксперименты. Он чувствовал близость поворота в науке. «Пройдет лет двадцать пять и метод гибридизации вызовет революцию в наших представлениях... Мы увидим, я верю, новое естествознание», — говорил он и ошибся лишь в сроках. Однако вот как характеризует Вавилов само научное содержание доклада Бетсона: «Мысли крупнейшего менделиста XX века, будущего основоположника генетики, скользят но поверхности фактов, не будучи в состоянии проникнуть в существо закономерностей, которые становятся ясными на следующий год».

А дальше Вавилов говорит так: «Диалектика фактов исторически неумолимо приводит исследователей к закономерностям, установленным Менделем. Прямые опыты с растениями приводят одновременно трех исследователей-ботаников — в Голландии де Фриза, в Австрии Чермака и в Германии Корренса — к законам, открытым 35 лет назад неведомым монахом в Брюнском монастыре». А ведь де Фриз еще год назад смог доложить международному конгрессу лишь «О прозрачных бумажных пакетах при скрещивании» и «Об уродствах при гибридизации». Гуго де Фриз, классик-генетик, значение которого так же велико, как и значение Бетсона.

Думаю, что сказанного достаточно, чтобы читатель понял, какой бомбой замедленного действия оказалась маленькая статейка Менделя, тридцать пять лет прождавшая, когда же наконец «дорастет» наука до ее уровня.

А далее начинается триумфальное шествие менделизма. Де Фриз, Чермак, Корренс — все они отдают Менделю пальму первенства и вместе с тем продолжают и развивают начатое им дело. И почти тотчас же Бетсон экспериментально доказывает приложение менделизма к животным, дает великолепный образец глубины менделистского анализа!

ГЛАВА ВТОРАЯ. В ГЛУБИНЫ КЛЕТКИ

Труден путь в неизведанное, и хорошо, когда есть карты пути... Мала клетка, еще меньше ее ядро, и уж совсем малы крошечные тельца в ядре — хромосомы. А ведь в каждой из них тысячи генов. И совсем немного знали бы люди о них, если б сквозь череду клеточных поколений не слал каждый из генов сигнал — то в виде оранжево-красного, как огонь светофора, глаза у мухи, то в виде черной шкуры кота, а то как ости-усы у пшеницы... Честь и слава первопроходцам, что сумели эти сигналы прочесть, силой ума постигли связь внешнего и глубинного! Нам двигаться вслед за ними будет уже легко.

Новая наука цитогенетика

Видно, генетике на роду написано — вступать в контакты с другими науками. «Незаконный брак» биологии с математикой принес человечеству превосходный гибридный плод — менделизм. В этой главе мы убедимся, каким плодотворным оказался союз генетики с цитологией — наукой о клетке. А далее будут контакты с атомной физикой, химией и другими науками.

В этом отношении генетика— типичная дочь XX века. Раньше были физика и химия, биология и математика. А в XX веке появились физико-химия и химико-физика, биохимия и биофизика, радиобиология, — даже названия для новых «научных гибридов» люди не всегда успевают удачно придумывать. Уж очень стремительно развивается в наши дни величайшая в истории человечества научно-техническая революция. И далеко не последняя движущая сила здесь — комплексное использование различных наук.

Сливаясь, науки в то же время дробятся, образуя новые, подчас неожиданные комбинации. Ну прямо чуть ли не по комбинационному закону Менделя! От истины эта шутка совсем недалека. Одна только генетика успела дать множество дочерних дисциплин. Тут и радиационная генетика, и эволюционная, и цитогенетика, и биохимическая, и генетика микроорганизмов, и феногенетика, и молекулярная генетика, и генетика медицинская!

Однако сейчас нам нужно познакомиться с цитогенетикой, совершить путешествие в глубины клетки.

Большие открытия в науке не всегда делают ученые маститые. Часто это удел молодых. Молодой ум гибок, пытлив, дерзок. А когда к этому добавляется увлеченность и недюжинное трудолюбие — приходит успех.

В 1903 году пришел успех к юному, девятнадцатилетнему студенту Сеттону. Менделевские закономерности в точности соответствуют поведению хромосом при образовании половых клеток и оплодотворении — вот что он обнаружил.

Клетка. Деление двух типов. Цитогенетический параллелизм

Клетка — основа всего живого. Это микроскопически малое образование. Ее средний диаметр около 10 микрон (микрон — одна десятитысячная сантиметра). В основном она состоит из протоплазмы и ядра.

Реципрокные скрещивания дают одинаковые результаты. Это доказывает равноправие матери и отца в передаче признаков по наследству. В то же время строение яйцеклетки и сперматозоида различно. Яйцеклетка, женская гамета, предвносит в зиготу львиную долю протоплазмы, тогда как в спермии или пыльцевом зерне, в мужской гамете, вообще протоплазмы мало. А ядра у отцовских и материнских гамет одинаковые. Это говорит о решающем значении ядра в передаче признаков по наследству.

Митоз, или кариокинетическое деление клетки.

Существует два основных типа делений клеток — митоз и мейоз.

Митоз характерен для периода роста или же для смены клеточных поколений. У взрослого человека тело состоит из миллиардов клеток, обычно их число принимают равным 6 • 1013. Из них каждые 24 часа возникает новых и гибнет старых 5 • 1011. Все эти деления происходят посредством митоза.

Покоящееся ядро выглядит под микроскопом пузырьком или шариком, в котором просматриваются иногда точки, штрихи, сеточка хроматина. Но вот приближается время деления, и в ядре все четче и четче становятся видны слагающие его нитевидные образования хромосомы. Перед самым делением ядро уже не пузырек — клубок интенсивно красящихся специальными красками нитей. Затем эти нити начинают укорачиваться, превращаясь в спирали.

После этого оболочка ядра растворяется, а в протоплазме становится отчетливо видным так называемое веретено дробления — белковые тяжи, крепящиеся к каждой из хромосом, расположенных в это время на экваторе веретена деления. Далее нити веретена как бы растаскивают каждую из хромосом, причем становится ясным, что каждая из них двойная, разделившаяся ранее, на стадии, предшествующей спирализации. Дочерние хромосомы начинают расходиться к полюсам веретена. Тут четко видно, что каждая из них имеет на другом полюсе партнера — точно такую же хромосому, свое зеркальное отражение, точную копию материнской хромосомы. Далее, у полюсов клетки хромосомы, все более и более конденсируясь, формируют дочерние ядра. И лишь затем образуется перегородка, делящая надвое протоплазму... Не правда ли, потрясающая упорядоченность, отрегулированность? Все в этом делении направлено на то, чтобы каждая из клеток обязательно получила от материнской клетки весь хромосомный набор, точно такой же, как в материнской клетке. Вспомнив, что в каждой из клеток обязательно должен быть каждый из свойственных организму генов, нетрудно предположить, что именно с этим и связана редкостная упорядоченность митоза (иначе его называют кариокинетическим делением).

Набор хромосом, их число, форма, особенности строения — все это называют кар и от ином организма. Ка-риотии — характернейший признак любого вида. Так, в каждой из клеток нашего тела 46 хромосом, 23 пары, ибо каждая из хромосом имеет партнера. У женщин партнеры любой из пар похожи друг на друга как близнецы. У мужчин имеют близнецов в наборе лишь двадцать две пары, а в двадцать третьей партнеры разные. В виде формулы человеческий хромосомный набор можно записать так: 2n = 46. Это означает, что в клетках тела имеется двойной хромосомный набор (23 × 2 = 46). У гороха 2n = 14, У мухи дрозофилы — 8. И эти числа всегда постоянны, как постоянны и формы хромосом и все их особенности. ото также говорит о большой роли хромосом в жизни организма.

Схема мейоза.

Иначе, чем митоз, проходит мейоз — деление, приводящее к образованию гамет, половых клеток. Если в митозе перед делением каждая из хромосом удваивается, с тем чтобы в дочерних клетках сохранилось то же число хромосом, что было и в материнской, то в мейозе этого удвоения нет. Хромосомы точно так же располагаются здесь по экватору, а затем расходятся к полюсам, но поскольку хромосомы ранее не удвоились, в каждую из дочерних клеток отходят партнеры хромосомных пар, и число хромосом в любой из гамет оказывается ровно в два раза меньшим, чем в любой клетке тела. Такой хромосомный набор называют одинарным, или гаплоидным (у человека n = 23). Восстанавливается обычный для клеток тела двойной, или диплоидный, набор хромосом при оплодотворении. Каждая из гамет несет в зиготу по гаплоидному набору, и в результате получается диплоидный набор, состоящий из половины материнских и половины отцовских хромосом. У человека это может быть записано так: 2n = n + n = 23 + 23 = 46.

Каждая из гамет несет в зиготу по гаплоидному набору хромосом (А и Б); в результате получается диплоидный набор (В).

Теперь мы можем рассмотреть уже непосредственно то, что открыл Сеттон, — явление, которое называют цитогенетическим параллелизмом. Внимательно взгляните на схему. Слева на ней записано моногибридное менделевское скрещивание, ну скажем, Горохов с гладкими и морщинистыми семенами. А справа схематически изображено поведение пары хромосом в ходе скрещивания. Материнские хромосомы здесь изображены светлыми, отцовские зачернены. Не правда ли, наблюдается полное соответствие? Мало того, становится понятным, почему гетерозиготным, гибридным может быть лишь организм, гамета же никогда не бывает гибридной. Менделевская гипотеза чистоты гамет перестает быть гипотезой. Гамета действительно всегда «чиста»: в нее ведь попадает из каждой пары лишь одна хромосома — или материнская, или отцовская.

Цитогенетический параллелизм.

Цитогенетический параллелизм нередко называют гипотезой Сеттона — Бовери. Бовери — это ученый, много сделавший в начале нашего века для изучения клеточных делений, и его фамилия здесь стоит по праву. Но почему говорят о гипотезе? Совпадение полное, казалось бы, все доказано... Однако это не так. То, что открыл Сеттон, только лишь аналогия. Близнецы часто друг на друга похожи: Петр похож на Ивана, Иван на Петра, значит, Петр и Иван близнецы; вряд ли читателям покажется убедительным такое умозаключение. Оно основано на аналогии. В науках описательных, к сожалению, сплошь и рядом и по сей день пользуются аналогией как методом доказательства. Иное дело в экспериментальной науке. Генетика — наука экспериментальная, и на доли, аналогии здесь приходятся лишь гипотезы.

Труд, гений и... немножко удачи

Мендель бесспорно был гениальным ученым. Надо было обладать незаурядным умом, чтобы с такой тщательностью продумать и поставить эксперимент, с такой прозорливостью проанализировать его результаты. Но в то же время Менделю повезло. Не выбери он в качестве объекта горох, все оказалось бы бесконечно более сложным. Что, если бы он сразу же начал с ястребинок, опыты на которых закончились для него крахом? Не открыл бы Мендель своих законов, не стал бы отцом новой науки генетики.

Такого же рода везение выпало в начале нашего века на долю школы американских зоологов во главе с Томасом Гентом Морганом. Здесь тоже повезло с объектом. И оказалась им маленькая плодовая мушка — дрозофила меланогастер.

Чем замечательна дрозофила? Почему именно она вот уже 60 лет пользуется особой милостью генетиков и число работ, выполненных на этой мушке, исчисляется тысячами? Об этом следует рассказать, тем более что еще недавно слышались в адрес генетиков обвинения: занимаются муховодством, вместо того чтобы выводить хозяйственно важные сорта и породы.

Представьте себе архитектора, начинающего постройку без плана, без чертежа, без модели: клади, мол, братцы, камень на камень, авось что-то выйдет... Вряд ли найдется такой архитектор в наш просвещенный век. Или представьте себе горе-химика: он еще не попробовал, как идет и к чему приводит реакция в пробирке, а уже строит установку для ее хозяйственного осуществлення. Его же под суд отдать нужно! Но почему-то генетикам ставили в упрек их модель...

Дрозофила — самка (слева) и самец. Внизу — их кариотипы.

А дрозофила — модель замечательная. Менделю, чтобы получить два поколения у горохов, требовалось два года, да еще два года потратил он ранее для проверки четкости наследования признаков у исходных растений. Если бы он обратился к дрозофиле, на весь опыт ушло бы сорок дней. А у крупного рогатого скота и вовсе на каждое поколение требуются годы, а у плодовых деревьев порою десятилетия... Воз и поныне был бы там, генетика практически не ушла бы от того, что открыл Мендель, не обратись Морган и его ученики к дрозофиле.

Животных, которые размножаются быстро, немало. Однако не каждое из них столь же удобно, как дрозофила. Дело в том, что у этой мушки всего четыре пары хромосом, и к тому же каждая пара хорошо отличима. Скоро мы увидим, как это важно для генетических исследований.

После войны я вернулся в Московский университет и не успел еще сойти фронтовой загар, как оказался по уши загруженным работой с дрозофилой. Я был студентом третьего курса, н кругом были такие же студенты. Мы должны были ставить учебные опыты, однако никто из нас не довольствовался только лишь ими. Никто нас не заставлял, да и заставить не мог включаться в научную работу. Но обстановка на кафедре генетики в то время была такова, что не включиться в нее просто было нельзя. Преподаватели до поздней ночи сидели с дрозофильными пробирками, а их пример заражал и нас. Если добавить, что только что прогремели атомные взрывы в Хиросиме и Нагасаки, и каждый из нас ощущал, как важно сейчас изучать действие радиации на наследственность, станет ясным: мы не могли не работать.

Я ее очень хорошо помню — первую свою самостоятельную работу. Почти каждый день приходилось прибегать на кафедру до начала занятий: вылупляются мухи, куда тут денешься? А потом напряженный труд вечерами... За несколько месяцев я поставил около десяти Тысяч скрещиваний, а это значит — проанализировал несколько сотен тысяч мух. С каким другим объектом можно было бы достигнуть того же? Только с микробами, однако с ними в ту пору генетики еще почти не работали.

Цикл развития у дрозофилы в нормальных условиях всего десять дней. На дно пробирки заливают корм, сажают в пробирку самца и самку. Уже через сутки будет отложено полторы-две сотни яиц, а еще через сутки в питательной среде будут копошиться личинки. Примерно на пятый день они окуклятся, а на десятый начнется уже массовый вылет мух: можно считать результаты скрещивания.

Томас Гент Морган и его ученики начали работы с дрозофилой в 1906 году, и открытия посыпались как из рога изобилия.

Уже несколько раньше и на других объектах было обнаружено: некоторые признаки никак не желают расставаться друг с другом. Они менделируют по отношению к обоим партнерам, но при этом передаются из поколения в поколение группой, слитно, не разлучаясь, как будто обусловлены они одним геном. Такие группы стали называть группами сцепления, однако объяснить причины их появления на первых порах никак не могли. Морган с учениками сразу же обнаружили группы сцепления у дрозофилы. Например, щелевидные глаза, полудоминант по отношению к глазам нормальным, наследовались вместе с рецессивами, вызывающими желтую окраску тела, или извитыми, точно мухам сделали перманент, щетинками. И вот тут выяснилось одно замечательное обстоятельство. Сотни признаков, отличающихся у дрозофилы от нормы — признака обычного дикого типа, распались на четыре группы сцепления, то есть точь-в-точь на столько, сколько у дрозофилы пар хромосом! И если обнаруживался какой-либо новый признак, генетики при помощи скрещиваний сразу же выясняли, к какой группе сцеплений он относится. Это уже были не умозрительные рассуждения, а прямые экспериментальные доказательства. Они говорили о том, что, очевидно, именно хромосомы — материальные носители наследственности. Почему «очевидно»? Да потому, что настоящим ученым свойственно сомневаться, пока есть хотя бы малейшие возможности для сомнений.

Далее обнаружились еще более интересные факты. Уже по данным первых опытов Морган с учениками, пока только гипотетически, связали каждую из четырех групп сцепления с четырьмя парами хромосом дрозофилы. И вдруг в одном из опытов произошло «чудо»: «расцепилась» вторая группа сцепления и часть из относящихся к ней генов «прицепилась» к первой группе. Вот тут-то они и попались, эти самые гены! Морган, естественно, предположил: если гены связаны с хромосомами, то в кариотипе этих необычайно ведущих себя мух часть второй хромосомы, оторвавшись, «пересела» на хромосому первую.

Предположение было легко проверить. Сделали препараты и посмотрели под микроскопом. Так и есть! Это явление, много раз наблюдавшееся, назвали в дальнейшем транслокацией. Часто транслокации бывают взаимными. Например, участок второй хромосомы пересаживается на первую, а часть первой перескакивает на вторую. И всегда в этих случаях часть генов из групп сцепления совершает точно такой «перескок».

Стало наконец окончательно ясно: гены связаны с хромосомами, именно хромосомы — материальные носители наследственности.

Как бусы на нитке

Обычной причиной транслокаций являются нарушения в ходе клеточных делений. Представьте себе, что две хромосомы, первая и вторая, переплелись и в «узелке» произошел разрыв. После этого на месте разрыва обычно происходят срастания, но не всегда срастания происходят правильно — нередко хромосомы меняются кусками и образуется транслокация.

Схема кроссинговера.

А вот теперь разберемся в схемах, которые приведут нас к любопытнейшим выводам. Изобразим в виде прямых линий две непарные хромосомы. Далее предположим, что гены в хромосоме расположены точно бусы на нитке, лежат рядышком, один за другим, выстроившись в линию. Пусть в первой из наших, хромосом расположены (генетик сказал бы: локализованы) гены А, Б, В, Г и Д, а во второй Е, Ж, З, И, К. При этом мы, конечно, не знаем, в каком порядке расположены гены, да и вообще не уверены в том, что расположены они линейно. Однако в нашем распоряжении есть метод транслокаций, и при помощи этого метода мы свое предположение можем проверить. Как? Ну, для примера допустим, что произошла взаимная транслокация, причем в первой хромосоме разрыв произошел между Б и В, а во второй между И и К. Тогда мы получим новые хромосомы и новые, следовательно, группы сцепления. Одна из новых хромосом будет выглядеть так: А, Б, К. Она будет на препарате коротенькой. А вторая — Е, Ж, З, И, В, Г, Д, — напротив, будет иметь очень большую группу сцепления и большую длину на препарате.

Очевидно, именно так рассуждал Морган, когда планировал свои эксперименты. Но, конечно, он имел дело не с условными, а с реальными хромосомами, с реальными генами. Была проведена колоссальнейшая работа, в результате которой гипотеза о линейности расположения генов в хромосоме полностью подтвердилась.

Однако не метод транслокаций послужил в этом случае для Моргана основным. Как для создания теории линейности расположения генов, так и в дальнейшем, для создания хромосомных карт дрозофилы, основную роль сыграло изучение кроссинговера — перекрестов между генами хромосом-партнеров, составляющих пару в кариотипе.

Перекресты. Расстояния между генами

Обычно дрозофилы сероватые, но есть среди них «блондины»—золотисто-желтые. Это рецессивный признак, вызванный геном из первой хромосомы. Его обозначают буквой «у», от английского слова yellow — желтый. Раз есть рецессив, значит, есть и доминант к нему. Это признак серой окраски, а ген, его вызывающий, генетики обозначают как y+. Щетинки у дрозофилы дикого типа прямые (sn+), но у этого гена — он тоже из первой хромосомы — есть свой рецессив sn — извитые реснички, мухи здесь с «перманентом». Что случится, если желтотелую «прямоволосую» самку скрестить с серым «курчавым» самцом? В первом поколении все мухи окажутся серыми с прямыми щетинками — проявятся два доминанта. Но зато во втором поколении будет большой разнобой. И любопытно, что, кроме желтотелых с прямыми щетинками и серотелых «курчавых», появятся два новых класса: желтотелые «курчавые» и серотелые «прямоволосые». На первый взгляд все происходит в соответствии с комбинационным законом Менделя, однако это не так. По комбинационному закону должно было бы получиться 9:3:3:1, здесь же соотношения совершенно иные. Два новых класса, один из которых несет два доминантных гена, а другой — два рецессивных, появятся в равном числе, причем в сумме их число составит 21% от всех потомков. Непонятно? Еще бы, ведь я только начинаю объяснять механизм кроссинговера!

В период подготовки клеток к мейозу хромосомы-партнеры перекручены и меняются при этом участками. Обмен этот происходит тем чаще, чем дальше в хромосоме один ген отстоит от другого. Ген у самый крайний, он лежит в первой хромосоме дрозофилы, на левом ее конце. Ген sn, напротив, локализуется ближе к центру, отстоит от левого конца примерно на треть длины хромосомы. Любопытно, что ген маленьких крыльев (miniature), расположенный на правом конце той же хромосомы, дает с геном у перекресты в 62,7% случаев. В три раза больше расстояние по длине хромосомы, в три раза больше и процент перекреста. Естественно, что генетики обратили на это внимание и именно таким способом — путем вычисления процентов перекрестов — условились обозначать расстояния между генами.

Именно так были созданы хромосомные карты дрозофилы, кукурузы, кур, некоторых хромосом мышей, одной из хромосом рыбки гуппи. Такая карта выглядит линией с нанесенными на ней штрихами, каждый из которых ген. Гены помечены буквенными символами.

А нельзя ли увидеть?

Это, конечно, голос недоверчивого читателя. В самом деле: придумали какой-то не совсем понятный кроссинговер, понасчитали перекрестов, понарисовали сложнющих хромосомных карт. А вся хромосома-то еле видна даже под микроскопом! Дайте, пожалуйста, доказательства, иначе мы с недоверчивым читателем ни за что не поверим... Нельзя ли своими глазами все это увидеть?

Своими глазами? Если бы этот вопрос был задан генетику начала нашего века, он бы, наверно, пожал плечами:

«К сожалению, своими глазами этого увидеть нельзя. Однако множество фактов убеждает в правильности хромосомных карт».

Гигантские хромосомы слюнных желеp дрозофилы.

Но вот беда: недоверчивый читатель не знает множества фактов — я сообщил ему один-единственный. Однако беде этой нехитро помочь, потому что живем мы не в начале, а во второй половине XX века. А ведь уже в 1934 году Пайнтер доказал... Впрочем, о том, что он доказал, я расскажу позже, а сначала покажу, с чем он работал. Перед вами, читатель, рисунок хромосом слюнных желез дрозофилы. Оказывается, хоть в большинстве клеток хромосомы крайне малы, в слюнных железах они гигантские. Рассмотрите внимательно исчерченность — диски, из которых слагаются хромосомы. Пайнтер их тщательно изучил и установил: они в точности соответствуют генам на хромосомной карте. Если, допустим, вследствие транслокации часть второй хромосомы пересаживается на первую, то изменяются не только группы сцепления, но и «пересаживаются» диски в хромосомах слюнных желез.

Пожалуйста — смотри и сравнивай своими глазами!

Самцы и самки — 1:1

Обязательные для высокоорганизованных живых существ различия между самцами и самками, конечно, уже давно обратили на себя внимание генетиков. Чем это различие вызвано, как оно наследственно обусловлено? Ответ на эти вопросы был найден еще до работ школы Моргана, причем именно этот ответ явился первым веским доводом в пользу хромосомной теории наследственности.

Самец у дрозофилы мельче самки, кончик брюшка у него заострен, окраска последних сегментов темнее, сливается в сплошное черное поле. Есть и другие различия, как внешние, так и внутренние, как в строении, так и в жизнедеятельности, в физиологии организма. Но если есть большие различия, должна быть разница и в наследственных задатках.

Как ее выявить?

1 : 1 у дрозофилы

Мы уже привыкли, изучая наследственность, обращать внимание прежде всего на численные соотношения. Если сосчитать число самок и самцов в потомстве дрозофил, то окажется, что соотношения их 1:1, то есть в потомстве получается 50% самок и 50% самцов. Что это за соотношение?

Оно нам знакомо. Вспомним, что возникало оно при возвратных скрещиваниях, то есть в случаях, когда мы скрещивали геторозиготу с гомозиготой. Но каким образом оно возникает здесь?

Если взглянуть на хромосомные наборы дрозофилы самца и самки, различия будут четко видны. У дрозофилы восемь хромосом, причем три из них — вторая, третья и четвертая— у обоих полов парные, а вот с первой хромосомой дело обстоит иначе. Первая хромосома парная лишь у самки. Здесь две совершенно одинаковых палочки, каждая из которых — зеркальное отражение своего партнера. Иначе у самца. У него тоже есть одна хромосома, ничем не отличающаяся от хромосом самки. Однако партнер у нее совершенно иной — это хромосома в виде палочки с крючком. Парные хромосомы самки принято обозначать через латинские буквы X (икс). Тогда формула самки будет XX. У самца только одна Х-хромосома, а ее партнер, хромосома с крючком, обозначается через латинскую букву Y (игрек). Иначе говоря, формула самца XY. Самка гомозиготна по половой хромосоме, самец гетерозиготен. Отсюда уже легко понять, как возникает соотношение 1 : 1. Для этого достаточно написать формулы скрещивания. Самки обозначаются значком (зеркало Венеры), самцы — (меч Марса). Скрещивание будет выглядеть так:

XX × XY

Гаметы самки будут X и X, гаметы самца — X и Y, Комбинируясь, согласно закону Менделя, независимо, гаметы эти дадут равное число потомков двух типов: 50% XX — самок и 50% ХY — самцов.

Рецессивы и доминанты (Р — рецессивы; Д — доминанты).

Пестрый и белый павлины — доминантный и рецессивный признаки.

Вот откуда оно берется, соотношение 1:1.

Этот тип наследования пола носит название дрозофила-тип. Точно так же, как у дрозофилы, происходит наследственное определение пола у многих других организмов, в том числе у всех млекопитающих, включая и человека. Здесь также женский пол гомозиготен по половой хромосоме и формула его XX. А мужской пол гетерозиготен — XY.

Обратная картина наблюдается в классе птиц. У них, напротив, гомозиготен по половым хромосомам мужской пол, а женский гетерозиготен. Понятно, что это не меняет механизма наследования: результат тот же, 1 : 1. Просмотрите внимательно схему наследования у кур, и вы убедитесь в этом.

1 : 1 у кур.

Любопытны в отношении наследования пола живородящие зубастые карпы, те самые рыбы, к которым относятся гуппи. У гуппи четко выраженный дрозофила-тип: самки гомозиготны по половой хромосоме, самцы гетерозиготны. Это легко проверить на опыте. Дело в том, что в Y-хромосоме самца сосредоточены почти все гены окраски корпуса. А это значит, что независимо от породы, к которой принадлежит самка, основной рисунок корпуса у сыновей будет повторять рисунок отца, и так из поколения в поколение.

Однако у родственницы гуппи, живородящей рыбки пецилии (по-латыни она называется ксифофорус макулятус), уже иной тип, птичий: гомозиготны по половой хромосоме самцы, самки же гетерозиготны. А у меченосцев, ближайших родственников пецилии, и вовсе нет генетического механизма наследования пола. Все хромосомы у них одинаковые. С этими меченосцами генетики не мало возились и в конечном итоге пришли к выводу, что определение пола у них феногенетическое — зависит от условии развития.

О чем говорит этот разнобой, существующий у зубастых карпов? Думаю, что прежде всего о том, что генетический механизм определения пола — довольно позднее эволюционное приобретение. На ранних этапах эволюции его нет, потом он формируется у разных организмов по-разному, а окончательно устанавливается уже у относительно высокоразвитых существ.

Сцепленные с полом признаки

Нет правил без исключений, и в то же время исключения, как не что иное, правила подтверждают; с этим в генетике приходится сталкиваться очень часто. В самом деле: мы говорили о законе свободного комбинирования признаков, а потом вдруг столкнулись с группами сцепления. Оказалось, что тысячи генов «нарушают» этот закон. Однако, разобравшись, мы можем теперь утверждать: нет, не нарушают! Просто гены из одной хромосомы наследуются вместе. С открытием групп сцепления генетика лишь усложнилась, а законы Менделя не уничтожились, напротив, подтвердились фактами. После работ Моргана и его сотрудников уже нет больше нужды говорить о гипотетических наследственных задатках — теперь мы знаем, что гены находятся в хромосомах.

А вот еще одно вроде бы исключение. Если желтых мух (ген у) скрестить реципрокно с серыми, то есть желтую самку скрестить с серым самцом, а серую с желтым, то получатся разные результаты. Почему? Ведь у Менделя реципрокные скрещивания давали одинаковые результаты, и мы говорили: это закон, он подтверждает равноправие отца и матери в передаче признаков по наследству. Так почему же теперь приходится «бить отбой»?

Сразу же скажу: противоречия здесь мнимые. Разберитесь в схемах, которые я здесь приведу, и вы это поймете.

Однако схемы я буду писать не так, как раньше, не только при помощи букв, по изображая хромосомы. Так будет понятнее.

Рецессивный ген у, вызывающий желтую окраску, локализован в Х-хромосоме дрозофилы, как говорят генетики, сцеплен с полом. Эту хромосому я изображу в виде черты, вот так: —. Если она несет доминантный ген нормальной серой окраски, то будет y+, если рецессивный, то у. Ну, а Y-хромосому самца изобразим в виде черты с крючочком: . Сразу предупрежу: у дрозофилы Y-хромосома не несет каких-либо генов окраски, поэтому окраска самца во всех случаях обусловлена его Х-хромосомой, иначе говоря, самец формулы y+ будет серый, а формулы y — желтый.

А теперь запишем схемы наших реципрокных скрещивании. Разбираясь в них, советую свериться с рисунками. Так будет понятнее.

Думаю, что нет нужды далее разбирать это скрещивание. Читатель уже вооружен достаточным багажом, чтобы самостоятельно попять, как будет выглядеть второе поколение. Советую не полениться, взять в руки карандаш и продолжить схемы скрещиваний. Чтобы их было легче написать, вначале изобразите гаметы, которые образуют самцы и самки. Так, в первом случае самка образует гаметы двух типов: y и y+.

Дальше подсказывать не буду, скажу только, что в первом из реципрокных скрещиваний второе поколение будет выглядеть так: 25% желтых самок, 25% серых самок, 25% желтых самцов, 25% серых самцов. Во втором реципрокном скрещивании все самки будут серыми, а половина самцов (25% всех мух) окажется желтотелыми.

Наследование, сцепленное с полом

А вот задание для тех, кто дружен с аквариумом. Теоретическую его часть, то есть на бумаге, могут сделать все. А в том, что аквариумисты но без удовольствия проделают его на практике, я почти убежден: сам аквариумист и сам когда-то выполнял такую работу с радостью. Речь идет о реципрокном скрещивании у пецилий. Напомню, там гетерозиготны по половой хромосоме самки. Нужно взять пецилий двух пород: красную (рубру) и черную (шварца). Гены этих окрасок доминантны, сцеплены с полом и наследуются через половые хромосомы. Ген красной окраски обозначают латинской буквой R, ген черной N. Сначала напишите схему, а потом реципрокно скрестите рыб и проследите, что получится в двух поколениях. Чтобы посильнее заинтересовать, скажу: получатся, среди прочих, очень красивые красно-черные рыбки. Немцы их называют «националь»: именно таким по цвету был когда-то государственный флаг Германии. Можно ли закрепить такую породу и как это сделать, я расскажу ниже.

О трехцветном коте Макаре

Приходит однажды знакомая и говорит: «Уезжаю в экспедицию и просто с ног сбилась — не знаю, куда пристроить кота. Никто не хочет временно взять его».

В ответ я деликатно промолчал: мне тоже было весьма нежелательно брать его, тем более что знакомая уезжала на три месяца.

Но знакомая знала, чем можно меня заинтересовать: «Макар у меня кот замечательный... Трехцветный!» Это была именно та наживка, на которую я, увлеченный генетикой, влюбленный в ее величество ДНК, обязательно должен был клюнуть. Дело в том, что теоретически трехцветных котов не бывает, а раз этот Макар трехцветен, значит, он феномен. У кошек есть два гена окраски в Х-хромосомах: ген рыжего и ген черного цвета. Локализованы они друг от друга уж очень близко, а может быть, это вариации одного гена, во всяком случае соединить их при помощи кроссииговера в одной хромосоме не удается. У кошек две Х-хромосомы, и когда одна из них несет «черный» ген, а другая «рыжий», кошка получается трехцветной: у нее неправильное чередование черных, рыжих и средних по окраске серых пятен. У кота одна Х-хромосома, и, значит, кот может быть либо черным, либо рыжим, но никогда не трехцветным... А тут — трехцветный Макар!

Момент прибытия трехцветного Макара был выбран с таким расчетом, чтобы меня не было дома. А когда я вернулся и установил, что мужское у Макара лишь имя, в остальном же «он» самая настоящая кошка, было поздно: знакомая уже улетела куда-то в горы, изучать альпийские луга.

Через три месяца Макарка принесла котят. Какой был кот, я не знал, однако, что он был рыжим, установить оказалось совсем нетрудно. Вот какое расщепление по цвету было среди котят: котики рыжий и черный, кошка трехцветная и кошка рыжая.

А почему я уверен, что отцом котят был рыжий кот, читатели легко разберутся, если сами напишут схему скрещивания. Подскажу: особое внимание обратите на рыжую кошечку.

О трехцветном коте Анчутке, или Есть над чем поразмыслить

С некоторых пор я считаю, что только очень наивные люди полагают, что чудес не бывает. Судите сами.

Живет у меня кошка Сима — существо с причудливым характером и не менее причудливым генотипом. Мать ее — чистокровка сиамской породы, длинноногая короткошерстая хищница с палевым телом, черной мордочкой, черными лапками и хвостом. А отец — полусиамец но происхождению, но по виду обыкновенный полосатый чердачнпк. Сима, в общем-то, в маму, палевая и изящная, вот только хвост у нее — полосатый, самый банальный. Эта Сима нет-нет да и приносит котят, разнообразных, чаще черных и полосатых. Но вот от пятнистого бело-серого кота появились пятнистые котята, причем один из них, кот, — трехцветный!

Вот он сидит передо мной, мордастый и толстобрюхий юный котище Анчутка. Преобладает у него белый цвет, много и черного, но есть и... рыжие пятна. Феномен? Безусловно. Недаром когда-то среди религиозных людей ходило поверье: рождение трехцветного кота означает одновременное рождение Антихриста. Эта легенда могла возникнуть только потому, что трехцветные коты крайне редки. Однако для того и существуют феномены, чтобы их разъяснять. И вот тут-то у меня положение затруднительное.

Есть два способа исследования: гибридологический анализ и цитологический анализ. В первом случае кота нужно скрещивать с различными кошками, получать массу котят. Но мне этого делать не хочется. А во втором случае от кота нужно взять кусочек ткани, сделать препараты и просмотреть хромосомы. Резать кота? Нет! Правда, можно еще взять кровь и провести анализ на лейкоцитах (есть такая новейшая методика), но и это совсем не просто. И остается одно: теоретизировать. Этим сейчас и займемся.

С чего начинается всякое теоретизирование? С поисков литературы — незачем открывать Америки, уже открытые.

Генетикой кошек мало кто занимался, но все же кое-что найти удалось. Трехцветные, иначе черепаховые, коты иногда появляются, и хоть этот случай для нас не подходит — там обязательно должна быть трехцветной мать,— мы в нем разберемся.

В норме при редукционном делении половые хромосомы самки (XX) расходятся по одной в каждую из гамет (X). Однако на дрозофиле и других объектах показаны случаи так называемого нерасхожденпя. При этом в одну из гамет попадают обе Х-хромосомы (XX), в другую ни одной. После оплодотворения таких гамет зиготы получаются с формулами XXX, XXY, Х0 (зигота типа 0Y не выживает). На человеке, дрозофиле, кошке было прослежено, что лишняя хромосома или ее отсутствие — это всегда болезнь, проявляющаяся, как правило, очень резко. Случай этот для нас не подходит, и не только потому, что мать Анчутки не трехцветна. Кот совершенно здоров.

Можно предположить другой путь возникновения трехцветного кота. В результате транслокации с первой хромосомы ген черной либо рыжей окраски может «перескочить» в какую-либо другую хромосому. Но и это объяснение не подходит к нашему случаю, так как тут нужна либо трехцветная мать, либо рыжий кот. Кстати, возникновение «рыжего» гена в результате мутации в данном случае практически невероятно: оно должно было совпасть с нерасхождением или транслокацией, а вероятность такого совпадения уж очень мала. Но если не подходят гипотезы книжные, нужно придумывать свою.

Гляжу я на кота и думаю: кого он напоминает? По окраске больше всего пятнистую собачку, фокстерьера. И только подумал об этом, как в памяти всплыл старый спор. В начале нашего века генетик Бетсон спорил с противниками менделизма. Те в качестве доказательства несостоятельности законов Менделя приводили скрещивания у пятнистых собачек. В дальнейшем выяснилось, что противоречий с менделизмом в этих скрещиваниях нет, просто здесь происходят на редкость сложные расщепления, видимую картину которых нарушают взаимодействия генов. Чем пятнистые кошки лучше или хуже пятнистых собак? К тому же в рассматриваемом случае мать — сложный гибрид, а генотип отца и вовсе не поддается контролю. Но и тут препятствие: откуда же взялась рыжая окраска? Можно предположить, что пятна у кота по виду лишь рыжие, по происхождению же — палевые, как у сиамских кошек. Правда, палевость — рецессив, но мало ли что может «болтаться» в генотипе отца? А генные взаимодействия могли превратить сплошную палевость сиамок в пятна, сделать ее интенсивной, рыжей... Впрочем, пятна у Анчутки с возрастом темнеют.

Признаю, что эта гипотеза весьма приблизительна, но лучшей предложить не могу. Быть может, подумает кто-либо из читателей?

Один глаз рыжий, другой голубой

Получил я как-то письмо от юнната: «У моей кошки один глаз рыжий, другой голубой. Почему?»

А ведь правда — почему? Именно генетика это должна разъяснить, и интересно это, наверно, не одному читателю — многим.

Почему так случается? Как объяснить?

Мозаичное пятно и его происхождение.

Внимательный наблюдатель такого рода явления замечал, конечно, не раз. Сравнительно часто у черноволосых людей бывает на голове рыжий или светлый клок: рецессивный ген, казалось бы надежно прикрытый доминантным (карие глаза, темные волосы — доминанты, голубые глаза, светлые и рыжие волосы— рецессивы), вдруг появляется на более или менее большом участке. Не только у кошек и других животных, но и среди людей встречаются разноглазые, а еще чаще бывает, что маленький участочек радужной оболочки в карем глазу оказывается серым или голубым.

Все это так называемые мозаичные пятна. Как они образуются, ясно из схемы. Первые два деления прошли нормально, а в одной из клеток, образовавшихся в результате третьего деления, доминантный ген выпал. Это бывает в результате «потери» целой хромосомы в ходе деления, может быть также следствием мутации, произошедшей в доминантном гене, возможны и другие причины. Так или иначе рецессив оказался не прикрыт доминантой, и он проявляется.

Легко понять, что, если выпадение произойдет при втором делении, ровным счетом половина организма составит мозаичное пятно. Такого рода мозаики редки: очень мала вероятность потери хромосомы при наличии всего лишь двух клеток. Но в ходе развития образуется множество клеток. Тут уж даже при самой малой частоте возникновения мутаций они обязательно происходят. Отсюда следует, что каждый из нас мозаик. Но только далеко не всегда мозаичное пятно удается выявить, так как для этого оно должно затрагивать какой-то бросающийся в глаза и генетически изученный признак и быть к тому же достаточной величины.

Не мозаика признаков, а единое целое

Когда был вторично открыт менделизм, им увлеклись многие биологи в разных странах, начали скрещивать, изучать наследование, описывать гены. И это, конечно, привело к резкому скачку в развитии генетики. Но все имеет свои плюсы и минусы, так случилось и здесь. Независимость наследования, комбинаторика привели некоторых к неверному, мало того — нелепому представлению об организме как мозаике признаков. А ведь на деле это совсем не так!

Начать с того, что подавляющее число признаков организма обусловлено вовсе не действием одного, отдельно взятого гена, а взаимодействием, взаимным влиянием многих генов. Нет, например, гена жирномолочности у крупного рогатого скота или, например, гена длинношерстости у овец. Хозяйственно важные признаки, за исключением некоторых наипростейших, например цвет шкурки у норки или каракуля, зависят от большого числа генов, находятся практически под контролем почти всего генотипа.

Новообразование у кур.

В простейших случаях наличие или отсутствие того или иного гена никак не сказывается на действии других генов. Морщинистые семена могут быть у горохов и с красными и с белыми цветами, в бобах с перехватами и без них. Но уже первые генетики открыли множество случаев более сложных. Вот, например, на схеме скрещивание кур с гребнями разных типов. У меня нет возможности подробно разбираться в этом скрещивании — оно очень сложно, англичанин Бетсон в начале века немало поломал над ним голову. Однако схему я привожу. Если читатель и не сумеет в ней разобраться, то, во всяком случае, он поймет: все здесь очень сложно. Гены взаимодействуют, и результаты взаимодействия совсем нелегко объяснить. Не так все просто, как может показаться вначале, как, может быть, показалось кое-кому из читателей, как думали генетики в начале века. Организм — не мозаика признаков. Он неразрывное единство.

А теперь вернемся к пецилиям — здесь продолжить о них рассказ весьма уместно. Самцы у пецшшн гомозиготны но половой хромосоме, и получить красно-черных самцов легко. Но как быть с самками? У них только одна Z-хромосома, вторая же — W — не несет генов окраски. Помочь тут может кроссигновер (перекрест) между хромосомами у самца. Чтобы «поймать» нужную нам самку-перекрестницу, черно-красного самца следует скрестить с какой-либо самкой (красной или черной).

Перекрест между генами R и N происходит у пецилий примерно в 1,5% случаев, поэтому при достаточном числе потомков получить красно-черную самку не так уж сложно. Однако вот тут-то и приходит разочарование. Дело в том, что у красно-черной самки совсем не такая яркая, не такая красивая краснота, как у красно-черного самца. Почему? Казалось бы, одни и те же гены, и разве имеет значение, что «пересадили» один из них в другую хромосому, разместили рядышком с другим геном... Оказывается, имеет!

Это явление, только не на пецилиях, а на дрозофиле и при другом типе генных перемещений, открыли американец А. Стертевант и советские генетики Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров. Они назвали его эффектом положения. Проявление гена, его действие, оказывается, помимо всего прочего, зависит еще и от места, которое занимает он в хромосоме. Организм— не мозаика признаков; учение об эффекте положения это лишний раз подтверждает.

К чести генетиков, нужно сказать, что от наивных представлений начала нашего века они давно отказались.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ШТУРМ САМОЙ ПРОЧНОЙ ИЗ КРЕПОСТЕЙ ПРИРОДЫ

Так уж люди устроены: во что бы то ни стало стремятся познать природу, а познав — переделать и изменить ее. В этом сокровенная сущность Науки, отсюда н проистекает ее революционная роль. Только вторглись во владенця королевы наследственности, подсмотрели упорядоченность рядов ее солдат-генов, и сразу в атаку. Но не так-то легко сдался ген. Пинцет и скальпель, традиционное оружие биологов, тут оказались бессильны. И только когда генетики вооружились невиданным ранее скальпелем — Лучом, — пришли к ним важные победы.

Спор длиною в полтора века

Жан Батист Ламарк.

Первое слово в этом длинном споре сказал человек с очень длинным именем: Жан Батист Пьер Мария Антуан Шевалье де Ламарк. Только-только шагнуло человечество из мрака средневековья в просвещенный XIX век, как выпустил Ламарк свою всемирно известную книгу «Философия зоологии». Это было в 1809 году, ровно за пятьдесят лет до появления замечательной книги Дарвина «Происхождение видов». У «Философии зоологии» любопытная и показательная судьба. Засилие, господство церковных догм, всеобщее признание божественного акта творения и, как следствие этого, неизменность, постоянство всего сущего, в том числе и в первую очередь мира живых существ, — такова была обстановка в стране. И Ламарк показал себя рыцарем без страха и упрека, смело бросив в лицо церковникам основную идею, которой от начала и до конца, от первой страницы и до последней пронизана его книга: живое не неизменно, оно развивается, усложняясь! Это была бомба, которая, однако, не взорвалась. Ламарк был просто-напросто признан чудаком и так и умер в безвестности, не завоевав ни популярности, ни признания. И виною тому оказалось не только время. В этом повинен был частично и сам Ламарк. Высказав правильную, неоспоримую в наши дни идею, Ламарк не сумел, да и не мог в то время эту идею сколько-нибудь разумно конкретными фактами подтвердить. Почему у жирафа длинная шея? Да потому, что он постоянно упражняет ее, стремясь дотянуться и дотягиваясь до древесной листвы, — таков главный из ламарковских доводов. Упражнение органа его развивает и увеличивает, неупражнение, наоборот, уменьшает, ведет к постепенному исчезновению. На первый взгляд доводы вроде разумные. Однако уже сам Ламарк чувствовал их недостаточность и, чтобы подкрепить свои позиции, придумал флюиды. Это, мол, действуют флюиды — соки и запахи, и в то же время вовсе не соки и запахи, а нечто идущее извне внутрь... Уйдя от религиозных нелепостей, Ламарк пришел к нелепостям идеалистическим, к доводам, не выдерживающим научной критики.

Однако здесь не место подробно разбираться в учении Ламарка. О нем зашла речь только потому, что породило оно среди биологов спор: наследуются или не наследуются результаты упражнения или неупражнения органа, последствия голодовок или же перекормов, влияния излишней влаги или же засухи — признаки, приобретенные животным или растением в течение жизни.

Что думал Дарвин?

Итак: наследуются или не наследуются приобретенные признаки? Что думал на этот счет Дарвин?

В том-то и беда, что величайший из теоретиков-биологов XIX столетия по этому поводу мог только думать: не было в его распоряжении достаточного количества фактов, которые позволили бы решить вопрос. Однако Дарвин со свойственной ему скрупулезностью создал классификацию явлений изменчивости, не утратившую своего значения и в наши дни.

Представьте себе засушливый, неблагоприятный для урожая год. Все растения в этом случае будут мелкими, в колосьях, початках, плодах окажутся мелкие семена, да и вообще этих семян будет мало. Или, наоборот, какая-то группа растений или животных попала в особо благоприятные условия. Тут, напротив, размеры будут большими и увеличится плодовитость. В обоих случаях мы даже заранее можем предсказать, что все растения, все животные изменяются более или менее одинаково, в определенном направлении, в ту сторону, в какую оказывает на них воздействия среда. Это одна группа изменений, Дарвин назвал эту изменчивость определенной. Совсем несложно понять, что именно на нее, на эту изменчивость, должны возлагать и возлагают все свои надежды ламаркисты: ведь только так, определенным образом, и могут изменяться животные и растения под влиянием определенного фактора среды. А Дарвин? Нет, говорит он. Определенные изменения хоть и очень обычны, но тем не менее никакого значения для эволюции не имеют. Совершенствование живого происходит за счет отбора, естественного или искусственного. А когда все организмы меняются определенным образом, нечего отбирать.

Чарлз Дарвин.

Между тем есть изменения иного типа. Семена из одного колоса или птенцы пз одного гнезда на первый взгляд абсолютно схожи друг с другом. Но присмотритесь внимательнее, и различия обнаружатся обязательно. Они будут малы, а может, и велики — бывает по-разному. Но они непременно будут, ибо нет в мире двух абсолютно одинаковых живых существ. А вот сказать, откуда взялись эти изменения, мы в большинстве случаев с должной определенностью не можем. Такую изменчивость Дарвин назвал неопределенной. Он подчеркивал: именно такая, неопределенная изменчивость поставляет материал для отбора. Ласточки проводят большую часть жизни в полете. Допустите, что один из птенцов окажется с более сильными и более длинными крыльями. Конечно, он получит преимущество перед другими! А на примере домашних животных Дарвин и вовсе непреложнейшим образом доказал: селекционеры используют для выведения новых пород именно неопределенные изменения.

Делил Дарвин явления изменчивости еще и по-другому. Есть изменения наследственные и есть ненаследственные, говорил он. Само собой разумеется, что для эволюции, для истории вида имеют значение лишь наследственные изменения.

О наследовании приобретенных в течение жизни признаков Дарвин высказывался очень по-разному. У него не было материала для строгих суждений, а кроме того, вопрос сам по себе мало его волновал. То, что он сказал об изменчивости в своем основном труде — книге «Происхождение видов», казалось ему достаточным для объяснения теории естественного отбора.

Между тем со стороны ламаркистов самых различных школ и течений до самого последнего времени дарвинизм подвергался ожесточеннейшей критике. Спор по этим вопросам длился полтораста лет!

А что же опыты?

Внимательный читатель, наверно, скажет: о чем тут спорить? Поставить опыт — и вопрос будет решен. И это верно. Только так и можно в науке решать спорные вопросы, но вот беда — не каждый опыт оказывается доказательным.

Ставил такой опыт Август Вейсман. Все было просто: в течение многих поколений Вейсман отрезал крысам хвосты и из поколения в поколение получал от бесхвостых животных хвостатых потомков. Приобретенный признак не наследовался. Убедительный опыт? Вроде бы да. А впрочем, его можно было не ставить. С XVII века, если не раньше, существует порода собак — фокстерьеры. И всегда им подрезали и подрезают хвосты, а бесхвостых фокстерьеров все же не вывели. Не уменьшились у этих собак и уши, которые тоже подрезают из поколения в поколение. Казалось бы, показательные факты. Но сторонников наследования приобретенных свойств такие факты (а число их можно увеличить) не только не убеждают, но даже мало смущают! Отрубленные хвосты и уши? Но ведь это же пустяк! Вы коренным образом измените обмен веществ, вот тогда мы посмотрим!

Ламаркисты в свою очередь тоже ставили опыты, и в некоторых наследование приобретенных свойств вроде бы получалось. А потом эти опыты проверялись и результаты их опровергались одними и подтверждались другими. Почему так?

Да потому, что эксперимент — дело сложное. Тут нужна педантичность и скрупулезность, предельная научная честность и самоконтроль, многократные повторности и самопроверки. И не сразу научились биологи ставить опыты правильно. А пока не научились, получалось нередко как у Гюйера и Смита: искусственное повреждение хрусталика глаза у отца вело к повреждениям у потомков. Конечно, в точных экспериментах эти опыты не подтвердились.

В каждой из пар слева пшеница урожая 1840 года, справа — 1911 года.

Однако: что такое правильно поставленный опыт?

Прежде всего он должен быть поставлен так, чтобы не мог обмануть самого исследователя. Нужна тщательная продуманность, большой материал, обязательно обставленный всесторонним контролем. И вот если с такой строгостью поставить опыты, окажется: признаки, приобретенные организмом в течение жизни, по наследству не передаются. Дети инвалидов не рождаются инвалидами, а наследственно маломолочная корова, как бы ее ни раздаивали, не даст обильномолочных потомков (если, конечно, не окажется в этом отношении улучшателем бык).

Почему это так происходит? С чем это связано? Собственно говоря, иного нельзя было ждать. Для вида, породы, сорта было бы катастрофой, если бы при любом изменении условий среды менялась наследственность. Не было бы ни малейшего постоянства видов. А между тем науке известно, что многие виды были такими же, как сейчас, сотни тысяч и даже миллионы лет назад.

Рассмотри внимательно рисунок, на котором показаны колосья различных пшениц. Это опыт, поставленный на свалефской опытной станции в Швеции. В каждой из пар слева изображены колосья из урожая 1840, а справа — 1911 года. Между двумя урожаями прошел семьдесят один год; самые различные условия встречали за это время пшеницы, но наследственные особенности сортов не изменились. Однако постоянство вовсе не означает неизменности — наследственность меняется. Немного ниже мы это увидим. Но меняется наследственность не так-то легко.

Нельзя ли проверить самому?

Можно, мой дорогой друг, пытливый читатель, и очень легко, но только работать придется на дрозофиле.

С другими объектами на это потребуются годы, а на дрозофиле весь опыт займет двадцать — двадцать пять дней.

«Кёрли» трех типов.

Обратись в любую генетическую лабораторию и попроси дрозофил линии Cy («кёрли»). Концы крыльев у них изогнуты кверху, что связано с изменением, локализованным во второй хромосоме. А заодно попроси штук десять пробирок с питательной средой, чтоб не варить ее самому. Когда ты объяснишь, зачем тебе нужно, уверен, ни один генетик не пожалеет пробирок, а мух и подавно, ибо если они есть, то всегда в избытке. Лучше всего там же, в генетической лаборатории, рассадить мух по пробиркам, по две-три пары на каждую. Можно сделать это и не в лаборатории, но тогда тебе придется изготовить морилку. Ее детали и приборчик в собранном виде изображены на рисунке. Самое трудное тут — запаять, а потом проколоть раскаленную на огне стеклянную трубочку иглой; однако при наличии старания, газовой горелки или же примуса и это сделать довольно легко. В стакан морилки кладут комочек ваты, а потом, вынув пробку с воронкой, льют па вату совсем немножко эфира (его можно заменить эфирно-валерьяновыми каплями, которые продаются в аптеке).

Легонько постукав пробирку с мухами об ладонь, быстро вынь из нее ватную пробку и, перевернув, вытряхни мух в морилку. Сквозь отверстия стеклянной трубочки туда поступают из ваты пары эфира, и мухи под действием этих паров засыпают. Как только перестанут они шевелиться, вытряхни из морилки мух на стеклышко размером примерно 20 × 20 сантиметров и, действуя кисточкой для акварели, распредели их на две кучки, чтобы в одной были самцы, а в другой самки. Как их отличить, поймешь из рисунка в предыдущей главе. Затем открывай пробирки с новой питательной средой и сбрасывай туда (на стекло, но не на корм!) по две пары мух, сразу же после того затыкая пробирку ватной пробкой. Первое время, пока не пройдет у мух наркоз, нельзя ставить пробирку стоймя: мухи могут прилипнуть к корму.

Когда мухи окончательно оживут, пробирки нужно поместить в температуру 26—28 градусов. Это нормальная для дрозофил температура. Две пробирки оставь при этой температуре на все время опыта — это будет контроль. С остальными пробирками ты проведешь опыт. Он будет заключаться в том, что каждый день ты будешь брать по одной пробирке и на сутки выносить в прохладное помещение (с температурой 16—18 градусов). Отмечай, какую пробирку в какой день ты выносил.

Морилка: 1 — воронка, 2 — пробка, 3 — резиновый шланг, 4 — пробирка, 5 — вата, 6 — стеклянный цилиндр.

Когда мухи во всех пробирках вылупятся, ты сможешь просмотреть результаты опытов. Как в контроле, так и в пробирках, которые охлаждались на 2, 3, 6, 7, 8-е сутки, все мухи будут самыми обыкновенными «кёрли» — крылышки чуть-чуть загнуты. А вот в вариантах опыта, где охлаждение производилось на четвертые-пятые сутки, мухи будут различными. Найдешь ты здесь и нормальных «кёрли», но будут и такие, у которых крылья окажутся не только что загнутыми, но закрученными в трубочку. Значит, на четвертые-пятые сутки пониженная температура вызывает резкое усиление действия гена «кёрли». Иная картина будет при охлаждении на девятые-десятые сутки, перед вылупленном мух. Ты тут найдешь совсем прямокрылых. В отличие от типичных «кёрли», которые не летают, а «прыгают», эти мухи могут превосходно летать. Внешне они ничем не отличаются от обычных прямокрылых мух, лишенных гена «кёрли». Вроде бы ген пропал!

Однако если ты отнесешь в лабораторию использованные пробирки, а взамен попросишь хотя бы три новых, ты можешь продолжить опыт. В одну пробирку посади две пары мух из контроля, в другую трубчатокрылых, а в третью — тех, у которых ген «кёрли» «пропал». Теперь уже на холод пробирки не выноси, пусть мухи все время развиваются при 26—28 градусах. Когда вылупится второе поколение, ты убедишься: во всех трех пробирках мухи абсолютно одинаковые — все «кёрли».

О чем говорит опыт? Степень проявления гена «кёрли» у дрозофилы сильно зависит от температуры, при которой проходило развитие. Тут есть два чувствительных периода: первый на четвертые-пятые сутки, второй на девятые. Если в первом случае пониженная температура вызывает усиление действия гена, то во втором, напротив, ведет к выпрямлению крыльев. А по наследству эти изменения не передаются. И не трудно понять почему. От гена к признаку ведет путь, состоящий из целой цепи реакций. Какие-то два из звеньев этой цепи зависят от температуры. Однако чтобы изменился при этом ген, нужно изменить все предыдущие реакции.

Спонтанные мутации

О внезапных изменениях наследственности знал еще Дарвин. Взгляните на рисунок, где изображены овцы. Слева овца нормальная, в центре и справа овца и баран с сильно укороченными ногами. Сперва появилось одно-единственное такое животное. Изменение оказалось наследственным, рецессивным. Оно заинтересовало селекционеров, его подхватили, и была создана анконская порода коротконогих овец. Эти овцы не в состоянии перепрыгнуть даже через сравнительно низкую изгородь, а это важно в английских условиях: там животные постоянно содержатся в загонах. Дарвин описывает эти изменения, а также другие подобные, называя их спортами. Изменения такого рода сыграли большую роль в формировании пород голубей, и Дарвин приводит очень много примеров из голубеводства (он был членом двух голубеводческих клубов).

В начале нашего века де Фриз, тот самый, что вторично открыл законы Менделя, работал с растением ослинником (энотерой). Он обнаружил у него много наследственных изменений. Они затрагивали самые различные органы, а иногда и растение в целом. Были здесь и карликовые и гигантские формы, и с измененными листьями, и с укороченными стеблями. Де Фриз назвал эти изменения мутациями. Они всегда возникали внезапно, по непонятным для исследователя причинам и внешне никак не были связаны с условиями среды. Надо сказать, что и спустя четверть века после де Фриза причины мутаций были еще неясны.

В центре и справа — коротконогие анконские овцы.

Есть крепости, которые нелегко одолеть. И именно такой оказался ген — первые его искусственные изменения получены только в 1925 году. Как это произошло, скоро будет рассказано.

А теперь посмотрите на рисунок в начале главы. Вы видите белок, обыкновенную и альбиноса. Это мутации. Так же мутантна по отношению к обычной пестрой окраске белая окраска павлинов. Тут известен и тип наследования: эта пара признаков менделирует, при скрещивании двух гетерозигот возникает соотношение 3:1.

Недавно в Африке, в стаде обычных зебр, была обнаружена зебра темная, почти черная. Позже у нее родился жеребенок такой же темный, как и она сама. В этом случае мутация доминантная. И находись зебры не в заповеднике, не под присмотром людей, эта мутация была бы обречена на гибель. Ведь обычная окраска зебр, полосатая, — приспособительный признак, окраска защитная. Темная зебра легко бы стала добычей хищников. А на другом рисунке (стр. 14) среди обычных жирафов изображен альбинос. Это рецессивная мутация. И именно благодаря атому она существует издавна. Животные гетерозиготные окрашены и пятнисты, как обычный жираф. А от скрещивания двух гетерозиготных животных время от времени появляются альбиносы. Эти животные больше подвержены истреблению: они, естественно, менее жизнеспособны. Но если предположить, что произойдут резкие изменения в условиях жизни, при которых жирафам будет выгодна светлая окраска, а не пятнистая, тогда естественный отбор отдаст предпочтение альбиносам, и они постепенно вытеснят пятнистых жирафов. Конечно, трудно представить, чтоб изменения условий были столь резкими, и все же пример верен в принципе. При изучении дико живущих дрозофил не раз наблюдали, как рецессивная мутация при изменении условий подхватывается отбором.

Темная зебра среди обычных зебр.

Известно это и для других существ, особенно бактерий и простейших.

Мутации вовсе не обязательно бывают хорошо заметными, бросающимися в глаза. Напротив, более часты мутации мелкие, незначительные. Мутация может затронуть любой признак любого организма. Бывает и так, что одна и та же мутация затрагивает несколько признаков.

В конечном счете любое свойство и любой признак любого организма имеет мутационное происхождение. Конечно, не надо думать, что, к примеру, хобот у слона разом возник как мутация.

Безусловно, возникновение признаков такой сложности явилось результатом многократных мутаций, сложной перекомбинации мутантных генов.

А творцом здесь был естественный отбор, подхватывающий то, что полезно, отбраковывающий, выбрасывающий все вредное.

Открытие и дальнейшее изучение мутаций дало дарвинизму надежную базу. Существенную роль сыграл здесь советский исследователь С. С. Четвериков, основатель новой ветви генетики — эволюционной.

Почему в заголовке я написал не просто «Мутации», а «Спонтанные мутации»? Спонтанными (неожиданными, непроизвольными) называют мутации, возникающие помимо воли человека. В отличие от них, есть индуцированные мутации, их получают искусственно, в результате сознательного воздействия на наследственность — на хромосомы и гены.

Индуцированные мутации. Дрозофила летит в космос

Получить искусственные мутации, изменить своими руками наследственность — об этом генетики мечтали данно. Но не так-то легко было подобрать ключик! Наследственность всего живого надежно защищена от внешних воздействий. Не будь этого, не могли бы организмы сохранить информацию, накопленную в наследственном аппарате за миллионы лет эволюции. И не мудрено, что долгое время не удавалось найти пути изменения хромосом и генов.

Впервые это удалось в 1925 году советским ученым Г. А. Надсону и Г. С. Филиппову. Они работали на дрожжах. У дрожжевых грибков есть четко выраженная и передающаяся по наследству форма так называемых гигантских колоний. Чем-то эти колонии, состоящие из множества клеток, напоминают цветы. Эти колонии обнаруживают поразительное постоянство. И немало перепробовали Надсон п Филиппов способов воздействий, прежде чем наткнулись на лучи радия. Оказалось, что чудодейственные лучи, проникая в живое, вызывают изменения в хромосомах, а эти изменения, в свою очередь, сказываются на свойствах дрожжей, в том числе на форме и размерах гигантских колоний.

Форма и величина колоний — самые показательные признаки, видные на глаз, но изменения затрагивали и другие свойства, например способность сбраживать сахарозу.

Статья Надсона и Филиппова была первой ласточкой. Вслед за ней появилось множество других работ, которые привели к созданию специальной отрасли науки — радиогенетики.

Было выяснено, что не только лучи радия, но и любые другие источники ионизирующей, проникающей радиации ведут к образованию мутаций. Это, прежде всего, рентген, с которым в дальнейшем больше всего работали; это гамма-лучи различных источников, в частности от радиоактивного кобальта; это нейтроны, протоны и даже ультрафиолетовые лучи солнечного спектра. Вызывают мутации и космические лучи.

Когда имеешь дело с тем или иным фактором, очень важно точно измерить силу его воздействия. Именно поэтому целую революцию в генетике произвела работа Г. Меллера, проведенная в 1927 году в Америке.

Этот ученый нашел способ точного количественного учета мутаций.

Муха с глазами — «Бар».

Первоначально работа велась на дрозофиле — любимом объекте генетиков, а затем на микробах, растениях, животных различных классов. Однако дрозофила до сих пор служит превосходной моделью. В частности, когда нужно исследовать новую космическую трассу, на нее посылают дрозофилу и но уровню ее мутабильности, то есть по количеству возникших у нее мутаций, судят о повреждающем действии космических лучей.

Разработанный Меллером метод называется CLB (си-эль-би).

CLB — Х-хромосома дрозофилы, специально сконструированная Меллером. C («си») — запиратель кроссинговера; эта хромосома не обменивается участками со своими партнерами. L — деталь, рецессивный летальный ген, не меняющий жизнеспособность мух в гетерозиготном состоянии, однако приводящий гомозигот к летальному — смертельному — исходу. Следовательно, не может быть самца с хромосомой CLB, не может быть и самки, гомозиготной по CLB-хромосомам. Почему в опыте мы не обнаружим гомозиготных по CLB самок, понятно из сказанного. А самцов мы не обнаружим потому, что Y-хромосома дрозофилы лишена доминантных генов, подавляющих рецессивы в Х-хромосоме. И, наконец, B («бар») — доминантный ген, вызывающий сужение глаз у мух. «Бар»-мухи имеют глаза в виде щелок. Этот ген в CLB-хромосоме просто необходим: он служит маркером. Это метка, клеймо, по которому исследователь отличает в опыте гетерозиготных по CLB самок.

Метод хорош тем, что позволяет изучить мутабильность Х-хромосомы самцов любой линии. Предположим, что нам с вами предложили изучить мутабильность, возникшую во время полета какой-то ракеты. Как мы будем работать?

Начнем с того, что размножим выбранную для этого линию и отсадим, ну скажем, двести самцов. Рассадив их попросторнее, штук по двадцать в пробирку, мы половину пробирок оставим на земле (это будет контроль), другую половину отправим в космос. К тому времени как мухи вернутся, нам следует отсадить штук 400—500 девственных самок СЬВ. Делается это так: из культуры, где только началось вылупление, выбрасывают всех мух до единой (вытряхивают в керосин). Часов через шесть в пробирках вылупится уже много новых мух, и все самки в это время будут еще девственными, виргннными, как говорят генетики. В культуре будут по фенотипу В («бар») и не В-самки. Нас интересуют только лишь B, то есть CLB-самки, и мы легко их отличим по щелевидным глазам. Пусть они посидят в отдельных пробирках, подождут, пока вернутся на землю дрозофилы-космонавты. А когда те вернутся, мы начнем изучать мутабильность. Обозначим Х-хромосому, побывавшую в космосе через XK, а CLB-хромосому через XCLB. Тогда наше скрещиванпе будет выглядеть так:

В первом поколении нас будут интересовать только самки. Их окажется два типа: ХXK и XCLBXK. Первые самки нам не нужны, у них будет идти кроссинговер, а это значит, что часть наследственных изменений мы обязательно прозеваем. Поэтому обратим свое внимание только на CLB-самок. Их нужно рассадить по одной, причем с любыми самцами. Каждая из CLB-самок будет представлять собой одну, подвергшуюся воздействию хромосому, потому что произошла она от одного побывавшего в космосе спермия. Чем больше мы поставим по втором поколении скрещиваний, тем большей будет точность нашего опыта. Триста скрещиваний уже дадут некоторое представление о мутабильности, 500 позволят судить о ней строже, а 1000 — это уже хорошо. Поставим-ка мы, читатель, тысячи полторы-две скрещиваний. В данном случае перестраховаться ох как не вредно: ведь по новой трассе полетит человек!

Одновременно с опытом все то же самое проделаем и в контроле. Наш контроль ничем не должен отличаться от опыта, кроме того, что исходные самцы тут не летали в космос. Нужно помнить: принцип равноправия контроля и опыта нерушим!

Во втором поколении, в отличие от первого, мы будем смотреть только самцов. Выше я писал, что CLB-самцов не бывает, они гибнут на ранних стадиях, и в опыто мы их не обнаружим. Поэтому неизбежно окажутся такие пробирки, где не будет вовсе ни одного самца.

Следовательно, условия космического полета в данном случае оказали на хромосому повреждающее действие, вызвали у нее возникновение рецессивного летального гена!

Именно по этому показателю— по числу возникших рецессивных летальных генов — принято судить о мута-бильностн. Предположим, на две тысячи культур у нас возникло 24 летальных гена. Это составит 1,2% летальных мутаций. А в контроле возникло всего две летали (0,1%). Вычтем из 1,2% мутабельность в контроле. Получим 1,1% леталей, возникших за счет воздействия космических лучей. «Многовато! — скажем мы конструкторам корабля. — Обеспечьте более надежную защиту». И конструкторы наши данные, несомненно, учтут. Иначе и быть не может: исследователи космоса с генетиками всегда были дружны.

Но вернемся к Меллеру. В 1927 году о полетах в космос помышляли разве что писатели-фантасты, и Меллер — автор метода CLB — изучал иные факторы.

Меллер воздействовал на мух рентгеном. Уже первые опыты показали, что увеличение дозы воздействия увеличивает число возникающих мутаций. Меллер был первым, кто на основе строгих опытов смог вычертить дозовую кривую — график, показывающий зависимость возрастания числа мутаций от дозы облучения в рентгенах. Уже тогда было ясно, что генетические повреждения пропорциональны дозе. Позднее это подтвердилось, однако выяснилось: зависимость здесь сложная.

Она различна для разных типов мутаций. Так число генных изменений (иначе их называют точковыми мутациями) примерно прямо пропорционально дозе. Кривая начинается от нуля и плавно нарастает до больших доз. Очень важно, что начинается она с пуля: значит, нет таких малых доз, которые были бы безвредны для хромосомного аппарата. И в самом деле: чтобы поразить точку, достаточно одной лучевой частицы. Иная зависимость для сложных хромосомных перестроек. Здесь разрывы должны произойти, как минимум, в двух точках, п по теоретическим ожиданиям результат должен быть пропорционален не просто дозе воздействия, а квадрату дозы. Для ряда объектов получен именно такой результат.

Лучистая энергия даст широкий спектр изменений. Тут и летальные и полулетальные мутации и видимые мутации — такие, которые можно обнаружить на глаз. Можно при помощи лучей получать и хозяйственно важные мутации. Сейчас уже есть так называемые радиационные сорта растений, множество хозяйственно важных штаммов микроорганизмов.

Попробуем улучшить сорт

Только что мы были космическими генетиками, а теперь превратимся в радиогенетиков, работающих с растениями, ну скажем, с пшеницею. Объект этот удобен: пшеница — строгий самоопылитель. Наша задача состоит в том, чтобы улучшить сорт. Прежде всего нам нужно выбрать дозу воздействия. Тут нам повезло. Если 700 рентгенов абсолютно летальная (смертельная) доза для человека, мыши, кролика и многих других животных, то для семян растений и несколько тысяч рентгенов не предел. Ученые рекомендуют для сухих семян ячменя дозу в 10 000—20 000 рентгенов. Они люди опытные — прислушаемся к их мнению. Пусть наша доза будет 10000 рентгенов.

А облучать будем при помощи рентгеновского аппарата или же гамма-пушки — установки, заряженной радиоактивным кобальтом Co60. Это вовсе не значит, что нельзя облучать, скажем, нейтронами на атомном реакторе. Просто для наших целей применим не в меньшей степени кобальт или рентген.

Высеяв облученные семена, мы сразу же обнаружим, что взойдут не все из них, а некоторые из взошедших окажутся слабыми и погибнут. Это произойдет не за счет генетических изменений. Семя — зародыш растения, довольно сложно устроенный организм; под влиянием лучей происходит гибель за счет самых различных причин.

Однако не все растения погибнут. Часть из них вырастет и в свою очередь даст семена. Мы их высеем и получим от облученных семян первое поколение. Тут уже могут проявиться доминантные мутации, и мы их с легкостью обнаружим. Прежде всего это будут доминантные уродства, приводящие к гибели на разных стадиях. Они нас не интересуют. Но вовсе не исключено появление видимых доминантных мутаций. Скажем, исходная пшеница была безостой, а в первом поколении вырос остистый колос — появилась доминантная мутация, вызывающая остистость. Чтобы не ошибиться, не принять за новую мутацию случай выщепления рецессива из исходного материала, просмотрим посевы контроля — пшеницы, не подвергавшейся облучению.

Вряд ли в первом поколении мы найдем то, что нужно нам, а поэтому высеем семена для получения второго поколения. И здесь, и во втором поколении будет масса уродств — обесцвеченные, лишенные хлорофилла растения, растения со щуплым, уродливым колосом и «замухрышки» всяких иных типов. Это не должно нас пугать. Быть может (и даже наверняка!), нам придется просмотреть много тысяч растений, плохих или просто неизмененных по сравнению с контролем. Что из этого? Для нас важно другое: найти хорошие, лучшие, чем исходный сорт, формы. А при тщательной работе, старании и упорстве такие формы непременно найдутся. Их нужно выделить, чтобы в дальнейшем продолжить с ними работу.

Так получают хозяйственно важные радиомутации.

Именно радиомутации, а не сорта. Без воздействия лучистой энергии мутации составляют обычно сотые, редко десятые доли процента. Действуя лучами, мы можем увеличить их число в сотни раз. Однако радиомутации, как правило, — лишь материал для дальнейшей селекционной работы. Получение их вовсе не исключает, а напротив, подразумевает отбор лучших, подбор пар, скрещивания, снова отбор на основе менделевских расщеплений и все другие приемы селекционной работы.

В союзе с химией

Ионизирующие излучения вызывают мутации. А как действуют химические вещества? Хромосомы, носительницы генов, — сложные химические соединения, и не может быть, чтоб не нашлось химических веществ, воздействуя которыми можно было бы получать мутации.

Примерно так рассуждали генетики, принимаясь за химический штурм гена. Штурм этот оказался нелегким. Хромосомы клеточных ядер погружены в протоплазму, и нужно было подобрать такие вещества, которые проникали бы через эту преграду. Но мало того — не все, что проникало, оказывало мутагенное действие.

Первому повезло В. В. Сахарову — в ту пору еще молодому научному работнику. В 1932 году он получил мутации при помощи химических воздействий. Вслед за ним, через два года, того же добился М. Е. Лобашов. Таковы имена первооткрывателей. Но от первых ласточек до подлинного прихода весны порою проходит немало времени. Лишь с 1938 года, когда ринулся в химическую атаку на ген И. А. Рапопорт, достижения стали нарастающими и устойчивыми. Я не случайно написал «ринулся в атаку». Это был доподлинный штурм, усиливавшийся со дня на день; число мутаций росло, мутагены (вещества, их вызывающие) становились все более действенными.

Немного позже (с начала сороковых годов) в эту работу включились Шарлотта Ауэрбах в Шотландии и Олкерс в Германии. Однако и по сей день Иосиф Абрамович Рапопорт уверенно лидирует в этой области. В его лаборатории открыто больше ста химических мутагенов, многими из которых пользуются генетики и селекционеры всего мира.

Первые мутагены давали мутации в долях процента, к 1947 году этот процент вырос до 10 — в ту пору Рапопорт действовал формальдегидом. А теперь есть мутагены, вызывающие... более 100% мутаций. Как это более 100? На первый взгляд это кажется странным. Однако вспомним методику CLB. Там мутабильность определяется по проценту летальных мутаций в половой хромосоме дрозофилы. В случаях, когда летали («смертоносные» гены) образуются в каждой из хромосом, процент будет равен 100. А некоторые так называемые супермутагены Рапопорта вызывают по нескольку мутаций в каждой из хромосом! Так и получается больше 100%.

Не надо думать, что все мутации вредны, все «портят» генотип. Так же как при рентгеновском воздействии, под влиянием химических мутагенов получают как вредные, так и хозяйственно полезные мутации. В задачу селекционера входит их отобрать. Лаборатория Рапопорта создала свыше 200 перспективных мутантных линий самых различных культурных растений. Можно быть уверенными, что некоторые из них станут сортами. Сейчас очень часто используется химический мутаген этиленимин. Генетики тщательно изучают его действие. Оказалось, что по сравнению с лучами Рентгена он вызывает в четыре раза больше жизнеспособных мутаций: при рентгеновском воздействии на ячмень их около 4—5%, при действии этнленимином — 20%. В микробиологической промышленности очень большое внимание уделяется селекции высокопродуктивных штаммов плесневых грибков и актиномнцетов, производящих антибиотики. Оказалось, что наибольшее число полезных мутантов у этих микроорганизмов вызывает комбинированное воздействие ультрафиолетовых лучей и этиленнмппа. С участием этого мутагена в лаборатории С. И. Алиханяна получено много новых чудодейственных производителей антибиотиков — штаммов различных грибков.

Полиплоидный ряд у пшениц.

«Человечество питается полиплоидами»

Эти слова принадлежат крупному советскому генетику академику П. М. Жуковскому. Ниже вы поймете, что выражение это не только образное, но и весьма точное.

Еще в главе о менделизме мы говорили, что гамета содержит один хромосомный набор, она гаплоидна (n). А зигота содержит два хромосомных набора (2n), она диплоидна. Мы рассматривали простейшие случаи: высшие растения (горох), высокоорганизованных животных. Если присмотреться к миру живого шире, то окажется, что не всегда дело обстоит так, как в наших случаях. У некоторых папоротников, например, гаплоидное состояние, гаплофаза, занимает в жизненном цикле куда большее место, чем состояние диплоидное, диплофаза. То, что в обиходе называется папоротником, в этом случае — гаплоид. А диплоидны у папоротника лишь заростки, образующиеся на недолгое время в процессе размножения. Было выяснено также, что гаплоидны, то есть содержат один хромосомный набор, а то и просто одну-единственную хромосому, многие микроорганизмы.

Сцепленное с полом наследование у пецилии.

Каким был кот — отец котят?

В природе были обнаружены и иные формы — с увеличенным, по сравнению с обычным, диплоидным, числом хромосомных наборов. Эти формы носят название полиплоидов. Они очень распространены.

Первый полиплоид был описан еще в начале века де Фризом. Это гигантская форма энотеры. Если у обычных форм число хромосом 14, то у гигантской их 28. Легко понять, что гаплоидное число (n) равно здесь 7. Отсюда нормальная форма будет 2n = 14, а полиплоид 4n = 28. У него четыре хромосомных набора. Такие формы называют тетраплоидными.

Далее была обнаружена полиплоидия у дурмана и у многих других растений. Было выяснено, например, что все культурные формы пшеницы — полиплоиды. Пшеница, содержащая в клетках по 14 хромосом (диплоидная), так называемая однозернянка, не имеет в настоящее время никакого практического значения. В культуре используются лишь полиплоиды: 4n = 28 и 6n = 42. Тетраплоидны овес, картофель, табак, белый клевер, люцерна, тимофеевка, многие из плодовых растений. Иначе говоря, большая часть растений, используемых человеком в пищу, является полиплоидами.

Удвоение числа хромосомных наборов обычно ведет к увеличению размеров, к гигантизму. Именно этот гигантизм и обуславливает ту огромную роль, которую полиплоиды играют в природе. Но, конечно, не нужно думать, что любое удвоение числа хромосом обязательно приведет к гигантизму. У тех же пшениц 4n и 6n формы лучше обычных диплоидных (2n). Однако дальнейшее увеличение числа хромосомных наборов уже не ведет к увеличению размеров растений: 84-хромосомные формы — растения слаборазвитые. А если у ржи, обычное число хромосом которой 14, произойдет удвоение, полиплоид получается мощным.

Тайну, подсмотренную в природе, было заманчиво взять на вооружение, применить в селекции. Есть сложное химическое вещество — алкалоид колхицин. Стоит в его раствор поместить делящиеся клетки, как начинаются чудеса. Вспомним, что при делении образуется веретено из белковых нитей; сокращаясь, эти нити растаскивают хромосомы к полюсам клетки. Но в растворе колхицина веретено не образуется и разделившиеся хромосомы не расходятся к полюсам. В результате число их удваивается, а если не отмыть ткани от колхицина до следующего целения, то и учетверяется.

В. В. Сахарову и А. Р. Жебраку первым удалось получить полиплоиды под действием колхицина у хозяйственно важной культуры. Это была гречиха. Тетраплоиды оказались очень крупными, с большими семенами. Далее с ними пришлось повозиться: поначалу они были не очень плодовитыми. Но длительный отбор привел к созданию превосходных тетраплоидных сортов.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЗНАКОМЬТЕСЬ: ЕЕ ВЕЛИЧЕСТВО ДНК

Мендель и первые его последователи работали на уровне организма: изучали передачу признаков в поколениях. Вслед за тем вместе с цитологами генетики «пробрались» внутрь клетки, занялись ее хромосомами. А далее генетиков заинтересовали бактериофаги и вирусы... Не путь ли это от сложного к простому, не деградация ли в исследованиях? Изучали наследственность высших растений, животных и человека, и вдруг занялись бактериями... Не шаг ли это назад? Нет. Это шаг вглубь. Только изучение бактерий и вирусов, молекулярный уровень подводят нас к познанию: что такое ген? Как он устроен? Не зная этого, не овладеть процессом управления генами, не заглянуть под темную вуаль, прячущую от нас лик ее величества ДНК.

Поиски бактериальных пап и мам

К сожалению, между пишущим и читающим в момент, когда ведется работа над книгой, нет еще обратной связи. Она появляется позже, когда читатели получают книгу в руки. Однако уже сейчас я все же осмеливаюсь предположить, что внимательный читатель из предыдущих глав понял: чтобы изучать, как же родители передают свои признаки потомкам, нужно иметь хотя бы... родителей. А вот у бактерий их долгое время найти не могли. Было известно: бактерии размножаются бесполым путем. Попробуй тут изучить менделирование, составить хромосомные карты!

Однако совсем недавно у бактерий нашлись родители. Работа велась, прежде всего, на кишечной палочке — бактерии, паразитирующей в кишечнике человека. Превосходно живет эта бактерия также в пробирках на искусственных средах. С помощью электронного микроскопа было выяснено, что у нее имеются две формы F+ и F-. Между ними происходит половой процесс, так называемая конъюгация. Конечно, этого оказалось достаточно, чтобы генетики далее уже разобрались. Дело в том, что во время конъюгации хромосомный материал из F+-бактерии переходит постепенно в F--бактерию. Внедрение довольно продолжительно по времени. В опыте процесс можно по желанию прерывать. Таким путем удалось установить не только, в какой последовательности лежат в хромосоме гены, но и на каком расстоянии (в данном случае в единицах времени — минутах, потребных для проникновения) они друг от друга находятся.

Одного этого метода было бы недостаточно, чтобы создать точные хромосомные карты. Но выяснилось, что идет у бактерии и обмен хромосомными участками того же фипа, что и при кроссинговере у дрозофил. Это дало возможность проверить один метод другим. Хромосома у штамма К-12 кишечной палочки кольцевая и гены расположены по окружности.

Однако как же их удается «разглядеть», эти гены? Как практически ведется работа? Заглянем в лабораторию доктора биологических наук С. И. Алиханяна. Навстречу нам идет Виталий Суходолец, молодой исследователь, занимающийся именно этим вопросом. Обратимся-ка мы к нему:

— Будьте добры, расскажите, как вы ловите у кишечной палочки перекресты.

— Элементарно.— Суходолец пожимает плечами: только, мол, этого не хватало: рассказывать общеизвестные вещи.

А дальше он заговорит о тимин- и тимидиннедостаточности, про Hfr-штаммы или, например, так:

— Для определения порядка расположения мутаций проводим реципрокные трехфакторные скрещивания...

Вот тут-то и окажется, что то, что для Суходольца элементарно, для нас с вами, читатели, непостижимо. Однако все эти сложности, труднопроизносимые термины — частности. В принципе же перекресты у кишечной палочки ловят так же, как у дрозофилы.

Бактерию разводят на средах, состоящих из набора различных веществ. Формы, несущие мутантный ген, отличаются от немутантных в большинстве случаев тем, что не могут синтезировать то или иное вещество. И тогда для успешной жизни мутантного штамма это вещество приходится дополнительно вводить в среду. Среды подбирают с таким расчетом, чтобы на них развивались бактерии-перекрестники, т. е. те, у которых прошел кроссинговер.

В генетических лабораториях всегда работают в белых халатах. Однако если для дрозофилиста белый халат всего лишь форма, то для генетика-микробиолога это обязательная одежда. Тут почти всегда нужно соблюдать абсолютную стерильность.

Крутятся центрифуги, сутками качаются культуры в специальных качалках, в лабораториях микробиологов множество термостатов, автоклавов и различных, подчас очень хитрых приборов.

Трансформация

Сейчас уже широко известно: бактерии приспосабливаются к лечебным препаратам. Как бы ни было могущественно лекарство, со временем оно или совсем перестает действовать на бактерии или действует на них слабее. Раньше полагали, что бактерии попросту привыкают к лекарству. Позже точными опытами выяснили, что это не так. Среди миллионов бактерий находятся единицы, а может быть, и единица, где возникла мутация, обуславливающая стойкость к препарату. Легко понять, что немутатные бактерии гибнут, а мутатные выживают и начинают размножаться. Именно так возникли пневмококи, устойчивые к стрептомицину.

В опыт взяли бактерии, устойчивые и неустойчивые к стрептомицину. Бактерии стрептомициноустойчивые убивали и размельчали. Затем в среду, содержащую убитые и размельченные бактерии, пускали бактерии неустойчивые. И тогда с ними происходили странные изменения: от своего мертвого предшественника они воспринимали нехватающее им свойство, делались стрептомициноустойчивыми!

Результаты заинтересовали ученых, и поэтому они продолжили опыты, но уже в других вариантах. При помощи фильтрации и прочих приемов обработки из убитых, устойчивых к стрептомицину бактерий извлекали чистую ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту). И оказалось, что при воздействии ею, как и при воздействии размельченными бактериями, неустойчивые по отношению к стрептомицину бактерии становятся устойчивыми.

Через ДНК они воспринимают от мертвого предшественника свойственный ему ген и включают его в свой генотип.

Это явление получило название трансформации. Оно показало: носителем наследственной информации является ДНК.

На грани живого и неживого

Написал заголовок и сразу же усомнился в его правильности. Очень уж исторически неустойчива она, эта грань. Некогда простейшими из живых существ люди считали сложно устроенных губок и кишечнополостных.

Потом благодаря изобретению микроскопа открылось человеческому глазу чудо микробного мира. Сколько с тех пор прошло времени? Не так уж много. А мы уже знаем вирусов и бактериофагов и именно их принимаем сейчас за простейшие проявления жизни. И, конечно, не можем быть уверены в том, что через сто или двадцать лет наука не обнаружит что-то еще более простое и более загадочное.

По поводу вирусов до сих пор идут споры: что это — живое или неживое?

Микроскопически малые размеры (чтобы рассмотреть их, требуется увеличение в 100000 раз), загадочное свойство переходить в кристаллическое состояние и пребывать в нем неограниченно долго — право же есть в вирусах немало удивительного!

Для генетики вирусы интересны чрезвычайно. Особенно бактериофаги.

Ни один из вирусов не в состоянии существовать самостоятельно, вне клетки того или иного хозяина. При этом вирусы поступают с хозяином безжалостно: изменяют ход обычных реакций, вынуждая производить не новые клетки собственного тела, а новые частички вирусов. Проследить это можно на бактериофагах — вирусах, «нападающих» на бактерии, вступающих с ними в сложнейшие взаимоотношения.

Фотография фага под электронным микроскопом показывает, что частица его состоит из сравнительно округлой головки и вытянутого в трубку хвостика. Однако при более тщательном изучении выясняется, что сравнение с головастиком крайне неубедительно. Это скорее шприц, где «хвостик» — игла. Протыкая в онределенном месте тело бактерии, фаг «впрыскивает» в нее свое содержимое. А содержимое — это не что иное, как нуклеиновая кислота — вещество, ответственное за генетическую информацию. Этот «заряд» ДНК заключен в белковую капсулу. Интересно, что для заражения бактерии нужна лишь ДНК. Белок не входит в бактериальную клетку. Специальными опытами показано, что его можно полностью удалить и заражение произойдет без него.

Попав в клетку, ДНК фага подавляет синтез нуклеиновой кислоты бактерии и превращает бактериальную ДНК в фаговую.

Схема бактериофага.

Не всегда, напав на бактерию, фаг уничтожает ее, воссоздавая собственные частицы. Иногда процесс происходит иначе, и вот эти-то случаи особенно интересны. Нуклеиновая кислота фага, попав в клетку, не начинает тотчас же свою разбойничью деятельность. Напротив, она прикрепляется к бактериальной хромосоме, образуя так называемый профаг. Он ведет себя скромно, уподобляясь новому гену бактерии: делится вместе с бактериальной хромосомой. Его даже можно нанести на бактериальную хромосомную карту. При постоянных внешних условиях такого рода бактерии могут существовать практически бесконечное числе поколений: они, попросту говоря, включили в свой генотип дополнительно еще генотип фага. Но в то же время такая бактерия несет в себе как бы заряд взрывчатки. При изменении условий происходит «взрыв», фаг становится хозяином положения, и бактерия распадается, образуя фаговые частицы. При этом совершаются очень интересные вещи. Не только формируются в большом числе генотипы бактериофага, но отдельные фаговые частицы захватывают, включают в себя, в состав своей оболочки и генотипа куски хромосомы бактерии. Понятно, что когда такие фаги заражают новые клетки, они приносят туда не только свой собственный, но дополнительно и бактериальный генетический материал. Далее между профагом и бактериальной хромосомой может произойти перекрест, и бактерия получит новые гены. Это явление называют трансдукцией. Отсюда уже нетрудно сделать заключение, что взаимоотношение фага с бактерией не только взаимоотношение жертвы и хищника. Нет, они много сложнее: этим способом переносится информация, осуществляются генетические перекомбинации. В меняющихся условиях жизни это для бактериального вида оказывается очень важным.

Ее величество ДНК

В то время как генетики-микробиологи ставили свои поистине сенсационные опыты с бактериями и бактериофагами, показавшие, что хромосома есть не что иное, как очень длинная полимерная молекула ДНК, биохимики штурмовали ту же проблему с другой стороны. Изучали химическое строение хромосомы.

Полимерная цепочка — молекула ДНК— всегда имеет форму нити, слагающейся из очень большого числа отдельных элементов — нуклеотидов. Последние, в свою очередь, тоже сложно устроены, однако каждый из них состоит из трех составных частей: основания, углеводного компонента (сахара) и фосфорной кислоты. Соединены они между собой всегда следующим образом:

Основание ............. Сахар ............. Фосфорная кислота

Разные нуклеотиды соединены между собой в ДНК путем чередования углевода и фосфорной кислоты, а основания всегда лежат сбоку. При этом сахар и фосфорная кислота по всей длине цепочки одинаковы, в то время как основания здесь четырех типов: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Для простоты их обозначают буквами А, Ц, Г и Т. В разных ДНК эти основания расположены в различной последовательности, а поскольку длина полимерной цепочки очень велика, образуется практически бесконечное число различных типов ДНК, несущих разную генетическую информацию. Ее величество многолика! Через нее осуществляется передача наследственной информации у всего живого: от вирусов до человека.

На рисунке изображена модель химического строения ДНК, созданная Уотсоном и Криком. Молекула ДНК состоит из двух нитей, которые соединены между собой через основания. И если в каждой из нитей комбинации четырех оснований могут быть самыми различными, то соединения между нитями возможны лишь парные. «Перекладины» могут быть образованы только так: аденин (А) соединяется всегда с тимином (Т), а гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Подобная упорядоченность очень важна. Так, например, если участок одной из нитей будет содержать основания в последовательности: ГГАТЦТТА, то противолежащий ему участок второй нити обязательно будет ЦЦТАГААТ. Только таким образом могут соединиться пары.

Модель строения ДНК (по Уотсону и Крику).

А вот теперь разберемся в генетическом смысле модели Уотсона — Крика. Мы уже знаем, что для передачи генетической информации из поколения в поколение совершенно необходимо, чтобы ее величество в точности воспроизводила себе подобную нуклеиновую кислоту. Модель Уотсона — Крика вполне соответствует этой задаче, объясняет, каким же путем происходит удвоение хромосом перед клеточным делением. Забудем на минуту о сахаре и фосфорной кислоте, благо, по всей длине молекулы (значит, и хромосомы) они одинаковы. Изобразим модель ДНК упрощенно, в виде цепочки из оснований.

Теперь допустим, что обе нити разделились и между основаниями образовались свободные связи. В то же время предположим, что в окружающей молекулу ДНК среде имеются свободные нуклеотиды. По химическим законам свободные связи будут стремиться к замещению. Около каждой из разделившихся нитей образуется связанная с ней нить-антипод.

Схема синтеза белков.

В результате молекула ДНК удвоится, причем первоначальная последовательность в ней нуклеотидов будет в точности соблюдена. Каждая из нитей по отношению к другой представляет собой как бы негатив по отношению к позитиву. С каждого из негативов может быть напечатан позитив — нить в результате удвоится. И уж совсем просто можно представить молекулу ДНК в виде короны ее величества, только разрезанной и распрямленной в пластинку. Зазубрины короны — это форма, шаблон. А по шаблону отливается его антипод — такая же пластина, только иначе направленная.

Ученые считают, что сходная картина имеет место при синтезе белков. Белки отличаются один от другого последовательностью и составом входящих в них аминокислот. Синтез белков наглядно изображен на схеме. Происходит он в цитоплазме клетки, в так называемых рибосомах. Информация от ДНК поступает сюда в виде длинных молекул рибонуклеиновой кислоты РНК. Эти молекулы образуются на ДНК, как на матрице, и отличаются от соответствующих участков ДНК тем, что в состав РНК входит другой сахар. Но кроме этой, так называемой информационной РНК, есть еще другая РНК, растворимая, низкомолекулярная — ее молекулярный вес 25000—30000. «Ничего себе низкомолекулярная», — скажет читатель. Однако сравните: молекулярный вес информационной РНК 250000—500000, то есть в десять и более раз больше. Растворимая РНК как бы подтаскивает в рибосому нужные кислоты, а там уже, на информационной РНК, происходит в соответствии с наследственным заданием синтез белка.

Ученые создавали в пробирке модель этой схемы. В ее состав входил полный набор аминокислот, рибосомы, растворимая РНК, а также искусственно полученные фрагменты информационной РНК. В таких условиях удавалось добиться синтеза простейших белков.

Ген. Что это такое?

Бывают моменты, когда полезно оглянуться назад, на пройденный путь. Именно такой момент настал для нас с тобой, читатель, — нам нужно вспомнить Менделя.

Он не мог заглянуть в глубь клетки, не было тогда еще самого термина — ген, но Мендель проследил путь генов, ориентируясь на их проявление, на признаки, которые они вызывают. И Мендель четко себе представлял, что наследственные задатки в зиготе парные, однако не смешиваются, а при образовании гамет разделяются, и парность их восстанавливается при оплодотворении.

Как же представлял себе Мендель наследственный задаток — ген? Прежде всего как частицу. Он не позволял себе теоретизировать. Это был экспериментатор, теории которого лишь обобщали эксперимент. Итак, наследственный задаток, по Менделю, — частица, нечто изначальное, неделимое, подобное атому, каким представляли его в те времена.

Вслед за Менделем пришли в науку новые люди и новые мысли. Моргану и его соратникам дело представлялось уже иначе. Теоретический взор ученого — он проникает через любые преграды — проник и сквозь клеточную оболочку. Гены для Моргана тоже частицы — именно он окончательно формулирует корпускулярную теорию наследственности. Но эти частицы уже объединены, они составляют группы сцепления — хромосомы. «Бусы на нитке» — вот, образно говоря, представления Моргана о расположении генов. Они ни в чем не нарушают менделевское теоретическое видение, а дополняют и развивают его. Теория становится стройной, однако все еще грешит недостатками — в ней нет места взаимосвязям и взаимодействиям внутри генотипа. Недостаток понятный и даже простительный: и Мендель и Морган — экспериментаторы, а главная заповедь любого экспериментатора — делать выводы, только непосредственно вытекающие из эксперимента.

Жизнь не стоит на месте, наука развивается, пополняется новыми данными, и вот уже экспериментаторы нового времени, сперва американец А. Стертевант, а затем молодые в ту пору советские исследователи Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров, переместив ген из одной хромосомы в другую, обнаруживают, что меняется его проявление. Эффект положения! Открытие, сразу же внесшее в науку представления о связях и взаимных воздействиях. Теперь уже ген — все еще «висящая на нитке бусина» — не независим от генотипа. Напротив, выступает на первый план роль генотипа как целого.

Дубинин работал с линией дрозофилы, у которой хорошо была изучена мутабильность в первой хромосоме. И вдруг мухи устроили «сюрприз»: исследователи ввели во вторую хромосому инверсию — изменение, при котором часть хромосомы как бы переворачивается, порядок расположения генов в ней меняется на обратный. Из-за этой перестройки, легко осуществляемой путем скрещиваний, сильно изменилась мутабильность первой хромосомы.

Следовательно, мутабильность, то есть частота, с которой происходят генные перестройки, возникают мутации, зависит от всего генотипа в целом. Но мутации, в конечном итоге, — результат воздействия того или иного фактора среды, и значит, внешнее и внутреннее объединяется в единый взаимосвязанный комплекс.

Дубинину не было еще двадцати лет, когда скрупулезные эксперименты привели его к мысли поистине дерзкой — о делимости гена! Частица Менделя, корпускул Моргана, единица, представлявшаяся первичной и изначальной, как представлялся исследователям прошлого первичным и изначальным атом, оказывается довольно сложной, ее даже можно разделить кроссинговером! Целая серия превосходных экспериментов, подтверждающих эту мысль, была проведена сорок лет назад Дубининым и другими молодыми исследователями под руководством А. С. Серебровского. Вот мы и приблизились к современному понятию о гене — ген как участок ДНК. Если эксперименты прошлого лишь наводили на мысль о взаимосвязях между генами одной хромосомы и в генотипе в целом, то теперь эти связи стали настолько ясны, что даже... утратилось строгое представление о границах, разделяющих гены! Можно ли теперь сказать, что ген — корпускул, частица? И да и нет! Да, потому что он ведет себя как отдельность, частица в скрещиваниях. Нет, потому что не обнаружишь, где, собственно, проходит грань между «бусинами». Таким образом, современные представления, не отвергая, усложняют представления прошлого.

Проблема тонкой структуры гена сейчас одна из основных и главных проблем генетики. Мы в нее не будем вникать, однако кое-что, быть может, и не самое главное, но зато понятное, я расскажу.

Как происходит химическая мутация? Вопрос спорный и сложный, но вот один из возможных путей: для этого достаточно заменить в нуклеотидной цепочке лишь одну пару оснований. На практике возможен такой путь. 5-бромурацил, сокращенно называемый БУ, — это тимин, у которого метильная группа замещена бромом. По мнению Фриза, мутация под его воздействием происходит так: БУ в паре оснований А — Т замещает тимин. Однако при последующих делениях БУ не может сохраниться, так как у него нет сродства с аденином, он не составляет с ним пары. В результате из пары А — БУ может возникнуть пара БУ — Г. Гуанин, таким образом, уже заместил аденин. Но и с гуанином БУ не составит пары, поэтому при последующем удвоении нити ДНК БУ неизбежно будет заменен на Ц, и в нуклеотидной цепочке вместо первоначальной пары А — Т окажется новая пара: Г — Ц. А это уже мутация.

Но если замена одной пары нуклеотидов означает мутацию, то не следует ли считать, что каждая из пар в цепочке — обособленный ген? К сожалению, эту заманчивую возможность приходится, попросту говоря, отбросить. Ген — несравненно более сложное образование, недаром его можно разделить кроссинговером. Верно, что замена одной пары оснований — мутация, но неверно, что пара оснований — ген. По всей видимости, большинство генов включает в себя сотни нуклеотидных пар.

Что же представляет собой ген с точки зрения современной генетики? Сейчас ученые атакуют ген с трех сторон. Так, по поведению в скрещиваниях, по внешнему проявлению в виде контролируемого геном признака мы должны вслед за Морганом считать ген за единицу наследственности и даже признавать его относительную неделимость. Это чисто генетический подход. Другие исследования, биохимические, обнаруживают в составе гена тысячи нуклеотид; изменения хотя бы в одной их паре уже мутация. И наконец ген с точки зрения цитологической. Не так давно я с удовольствием развернул перед недоверчивым читателем фотографию хромосом из слюнных желез дрозофилы: «Видишь исчерченность? Смотри и удивляйся: это и есть гены». Сейчас я не собираюсь отказываться от своих слов, однако должен признаться: для сегодняшней генетики этих фактов уже недостаточно. И цитологи подбираются к гену новым путем: через электронную микроскопию.

Изучение тонкой структуры гена привело к выделению некоторых единиц. Так наименьший участок, который может быть выделен при помощи кроссинговера, называют реконом. Опыты на вирусах показали, что величина рекона 0,02% перекрестов. Следующая из выделенных единиц — мутон. Это наименьшее число нуклеотидных пар, изменение которых может вызвать мутацию. Исходя из описанной теории Фриза, мутоном может быть одна пара нуклеотид. Однако мутон, выделенный за счет генетической комбинаторики, составляет 0,05% перекреста. Третьей генетической единицей, которую выделили в последнее время, является цистрон. Очень трудно охарактеризовать его, не прибегая к изложению большого дополнительного материала. Однако по своему действию, по функциям цистрон соответствует старому доброму понятию «ген». По своей протяженности на ДНК цистрон больше рекона и мутона, так как внутри гена возможен перекрест, а изменение одной нуклеотидной пары внутри гена уже мутация.

Итак, каково сейчас состояние проблемы гена? Она в пути. Большие открытия и свершения и позади, и происходят сегодня, н впереди.

ГЛАВА ПЯТАЯ. ГЕНЕТИКА И СЕЛЕКЦИЯ,

в которой с высот теоретических придется нам перебраться на высоты практические. Тут автор заранее просит у читателя извинения: не сможет он вместе с ним совершить траверс хребта, именуемого селекцией; он поведет читателя лишь на некоторые вершины, с которых, впрочем, не так уж сложно обозреть весь горный хребет.

Н. И. Вавилов о селекции

Не было в нашей биологии фигуры крупнее, чем академик Николай Иванович Вавилов. «Мы только потому не говорим про Вавилова «гений», что он наш современник» — так сказал о Николае Ивановиче в конце тридцатых годов один крупный биолог.

В XX веке науки усложнились, специализировались. Теперь даже две смежные области нельзя уже знать в совершенстве.

Однако сказанное относится к людям, способным, даже талантливым, для гениев же законы не писаны. Вавилов был не только крупнейшим генетиком, но и крупнейшим ботаником-систематиком, географом и организатором биологической науки. Человек высочайшей культуры, Вавилов владел многими языками и во время бесчисленных своих экспедиций разговаривал с жителями на их родных наречиях.

Ни в царской России, ни в Советской республике первых лет не существовало научно организованной системы селекции. И если теперь эта система существует, то во многом тут заслуга Вавилова. Он создал ВИР — Всесоюзный институт растениеводства. Поставить на службу советскому народу флористическое богатство всего мира — грандиозная задача, истинно вавиловская по масштабу! Под его руководством и во многом его руками создан был при ВИРе фонд сортов культурных растений, собранных со всего света. Эта «копилка» и по сей день верно служит селекционерам. Лучшая из наших пшениц, Безостая-1, создана академиком Лукьяненко в результате гибридизации, одним из компонентов которой был сорт, вывезенный Вавиловым из Аргентины. Сотни селекционеров и по сей день пользуются накопленными Вавиловым богатствами.

Вавилов был первым президентом Всесоюзной сельскохозяйственной академии. Под его руководством в академии велась большая плодотворная работа. По инициативе Вавилова была создана разветвленная по всему СССР сеть селекционных и опытных станций. И наконец, именно Вавилов создал при Академии наук СССР Институт генетики и был первым его директором.

Н. И. Вавилов.

Энергичный, наделенный колоссальнейшим обаянием, Вавилов умел группировать вокруг себя лучшие силы. Это был деятель не только нашей, но и мировой науки. И не случайно съехались в ту пору к нам генетики со всего света, чтобы работать в вавиловском институте, в том числе такие крупнейшие, как Меллер и Бриджес: в СССР перемещался в ту пору центр мировой генетической науки.

Противники генетики еще недавно противопоставляли Вавилова Ивану Владимировичу Мичурину, изображали этих двух ученых, как непримиримых врагов. На самом деле именно Вавилов поддержал Мичурина, обратил внимание на его работы. И Мичурин помнил об этой поддержке, ценил Вавилова.

Жизнь Вавилова отдана науке и людям. Добрые дела не забываются, не гибнут, не умирают. Ему еще но поставлен памятник, но есть памятники другие: сотни статей и книг, целая литература о Вавилове. И не только литература. Академик П. М. Жуковский подсчитал: за счет селекции, в результате работы созданной Вавиловым селекционной системы, мы получаем ежегодно приблизительно 25% урожая. Четверть каравая страны — памятник, достойный Вавилова!

В переводе на русский слово «селекция» означает «отбор». Но селекция в современном значении этого слова — понятие очень широкое. Вавилов насчитывал в ней семь разделов: это учение об исходном материале, о наследственной изменчивости, о роли среды, теория гибридизации, теория селекционного процесса, учение о направлениях селекционной работы, частная селекция (учение о селекции отдельных видов). Мы не можем даже вкратце остановиться на этих разделах. Лишь на отдельных примерах покажем, как генетика осуществляет свою роль теоретической базы для селекции.

Мода и пушистое золото

Рояль-пастель, паламино, алеутская, пастель «дыхание весны»... Не правда ли, пышные названия? А относятся они все к норкам — пушным зверькам, разводимым во многих совхозах. Мех норок моден на западе, идет на экспорт, вот и приходится генетикам-звероводам, в частности члену-корреспонденту АН СССР Д. К. Беляеву, называть своих норок звонкими, часто иностранными словами.

Замечательные породы норок выведены с учетом законов Менделя. Окраска шкурки! Этот признак наследуется обычно просто. Так, порода рояль-пастель отличается от норок дикого типа лишь тем, что один из генов, обуславливающий окраску, заменен у нее на рецессив. Нетрудно себе представить, что достаточно появиться хотя бы одной норке такого типа, чтобы во втором поколении их оказалось уже несколько, если исходная норка самка, или же много — если самец.

Норки совхозные. Вверху — белая и серебристо-голубая; внизу — стюарт-пастель, паламино.

Первое поколение от скрещивания рояль-пастеля с диким типом окажется по шкурке дикого типа. Но при скрещивании гибридов между собой выщепится рецессив в количестве около 25% потомков, при возвратном же скрещивании норок типа рояль-пастель будет 50%.

Часто скрещивания бывают сложные. Так, при скрещивании платиновой и алеутской все потомство первого поколения окажется дикого типа, однако при спаривании гибридов между собой произойдет расщепление по формуле 9:3:3:1, или 56% «диких», 19% платиновых, 19% алеутских пастель и 6% новой, сапфировой окраски.

Менделевские моно- и дигибридные скрещивания в звероводстве применяются не только для выведения зверьков новых окрасок. Мода изменчива. Часто случается, что, например, ныне модные платиновые норки через год-другой цену теряют: модницы хотят паламино! В этом случае селекционер, работающий в совхозе, пользуясь законами Менделя, может и даже обязан молниеносно перестроить маточное стадо на производство паламино.

Считая, что роскошный хвост, воротник и штанишки — рецессивные признаки, составьте схему, позволяющую все эти признаки объединить.

Менделевская комбинаторика применяется в селекции очень широко. Безусловно, большинство скрещиваний, особенно при межсортовых и межпородных гибридизациях, оказываются сложными, вовсе не легко поддающимися учету. Зачастую в формировании признака принимает участие много генов. В этих случаях расщепления не обнаруживаются столь ясно, как, например, у норки или при скрещивании рыжих и черно-бурых лис. Однако и здесь они происходят, и селекционеры пользуются их результатами.

Когда дети урожайней родителей

Это было в XVIII веке. Молодая в ту пору Российская академия привлекала к работе иностранных ученых. Среди них был немец Кёльрейтер — ботаник-гибридизатор, о котором помнит наука и по сей день. В какой-то мере он был предшественником Менделя, хотя не об этом пойдет сейчас речь.

Кёльрейтер работал в Ботаническом саду в Петербурге. Он получал много различных гибридов, в том числе между видами табака. Вот эти-то гибриды и оказались удивительными: превосходили по размерам, по мощи родителей.

Это явление было названо гибридной мощностью или гетерозисом.

С гетерозисом люди встречались задолго до опытов Кёльрейтера, только не обращали на него того внимания, которое это явление заслуживает. Издавна люди скрещивали осла и лошадь для получения мулов и лошаков. Тут тоже был гетерозис, однако не по размерам, а по выносливости, по неприхотливости.

В наши дни не перечислишь случаев, когда гибриды оказываются мощнее, урожайней родителей, — так много их обнаружено.

А не хочется ли вам самим получить гибриды, которые будут по весу в несколько раз превосходить родителей? Сделать ото можно в аквариуме. Нужно запустить туда десяток мальков пецилий и столько же мальков меченосцев. Когда рыбешки подрастут, всех самцов пецилий нужно высадить (у самцов, в отличие от самок, анальный плавник свернут в трубочку). Также нужно высадить почти всех меченосцев, оставив лишь одного узкого, стройного самца с длинным мечом на хвостовом плавнике. После этого хотя бы от одной из самок (а может быть, и от многих) удастся получить гибриды. Сперва они будут похожи на мальков пецилий, однако вскоре наступит время, когда станут они похожи на самих себя — на гибридов.

Это широкие, мощные рыбы, они крупнее по размерам обоих родительских видов, а по весу превосходят их в несколько раз, порою в десять и больше.

На практике гетерозис начал широко применяться с 30-х годов нашего века. А пришли люди к его использованию, изучая явление, противоположное гибридной мощности, — угнетение, которое наступает у растений-перекрестноопылителей в результате длительного самоопыления. Однажды две хилые линии[1] кукурузы, угнетенные длительным близкородственным спариванием (инцухтом), скрестили между собой. Тут-то и произошло чудо: потомство оказалось на редкость мощным — сильно превосходило по урожайности даже лучшие из сортов.

Открытие это было сделано одновременно в СССР и США. А в 1950 году в Соединенных Штатах уже 80% посевных площадей кукурузы засевались гибридными семенами. Но гибридные семена использовали и раньше. Во время войны, в 1943 году, президент Рузвельт говорил: США не испытывает в эти трудные годы недостатка в продовольствии благодаря тому, что генетики открыли гетерозис у кукурузы. И это понятно: кукуруза в условиях США не только заменитель хлеба, не только источник для получения пищевых круп, но и превосходный корм, на котором развивается животноводство и птицеводство.

Развернуты работы по получению гетерозисной кукурузы и в СССР. Как они ведутся на практике? Первоначально линии кукурузы разводят с применением принудительного самоопыления. При этом устраняют гетерозиготность, материал становится генетически чистым. До чего же чахлые получаются таким путем инцухт-линии! Однако это селекционеров отнюдь не пугает. Важно получить таких линий побольше, чтобы потом, скрещивая их между собой, отобрать наилучшие пары, дающие наибольший взлет урожайности. В 1963 году М. И. Хаджинов, Г. С. Галеев и другие получили за эту работу Ленинскую премию. Гетерозисные семена дают прибавку к урожаю в 25-30%!

Селекционная работа весьма трудоемка: приходится изолировать растения, початки помещать в полиэтиленовые пакеты. Но на первых этапах масштабы посевов невелики — маленькие деляночки,— и селекционер с помощниками справляется. Но вот линии размножены. Теперь надо получать семена с промышленными целями. Тут уже применение ручного труда для обрезания метелок, скрещивания просто недопустимо: его стоимость съест стоимость прибавки к урожаю. И вот здесь-то и пригодилось открытие М. И. Хаджинова, сделанное им в тридцатых годах под руководством Вавилова: открытие так называемой цитоплазматической мужской стерильности. Суть его в том, что у линии специально сконструированного генотипа самоопыление становится невозможным. А это значит, что не нужно обрывать метелки. Скрещиваемые линии достаточно посадить в соседних рядах, и между ними произойдет переопыление. Природа, таким образом, берет на себя наиболее трудоемкую часть работы.

Однако то, что полезно для получения гетерозисных семян, может оказаться вредным в дальнейшем. При посевах на тысячах гектаров кукуруза должна быть плодовитой при любом осеменении. Но генетики и тут нашли выход. На последнем этапе семеноводства в гибридное семя вводят гены — восстановители плодовитости.

Открытие цитоплазматической мужской стерильности и генов восстановителей плодовитости позволило использовать гетерозис у многих растений, где раньше о нем не имело смысла даже мечтать. Так, межлинейные гибриды сорго дают прибавку к урожаю в 40—80%, у лука — 30—45%. Сейчас в Японии все сорта репчатого лука, идущие в посев, — гетерозисные гибриды, а из 33 сортов капусты гибридны 26. А кто не знает знаменитых болгарских томатов? С середины лета до поздней осени, ровнехонькие, плод к плоду, идут они на экспорт во все страны Европы. И эти томаты получены из гетерозисных гибридных семян.

Гетерозисные формы имеют большое значение не только в сельском хозяйстве, но и в лесоводстве. Известны гетерознсные гибриды у лиственниц, елей, берез, ведутся работы по получению таких гибридов и у сосны. При отборе среди гибридов нередко находят удивительно стойкие и быстророслые формы, так называемые «плюс-деревья», и если речь идет о породе, которую можно размножать вегетативно, каждое такое «плюс-дерево» — сокровище для лесного хозяйства. Но и для семеноводства «плюс-деревья» играют немалую роль.

Очень перспективно применение гетерозиса при семеноводстве пшениц. Эта главная хлебная культура человечества, наш основной кормилец, еще на глазах нынешнего поколения начнет давать гетерозисные сверхурожаи по 70—100 центнеров с гектара!

Гетерозис находит применение не только в растениеводстве, но и в птицеводстве, в свиноводстве, в прудовом рыбоводстве и во многих других отраслях животноводства.

От чистой теории до чистой практики

В мальчишеском возрасте жил я в Сибири и приохотился там к рыбной ловле. Рядом было озеро, битком набитое серебряными карасями. Клевали они замечательно, за вечер случалось порой выловить сотню. Одна только беда: караси были малы и бабушка наотрез отказывалась их чистить. Приходилось возиться с рыбешками самому, и вот тут-то я сделал любопытное наблюдение. Сколько бы я рыб ни поймал, все они оказывались не карасями, а... карасихами! Сплошь самки, ни одного самца! «До чего же самцы у них хитрые!» —подумал я. А в том же озере мои приятели ловили карасей не на удочку, а вентирями — прутяными корзинами с узкими входами. Я ловлю такого рода не любил, да и сейчас не люблю, это уже не спорт, а промысел, однако... Не попадаются ли хитрюги-самцы хотя в вентирп: из них вытряхивали карасей сотнями! Я не мог этого не проверить и искренне удивил приятеля, когда вызвался чистить карасей вместе с ним... И что же? Ни одного самца не попалось и в вентирь!

В ту пору я не мог разгадать эту тайну, лишь много позже узнал: так и должно быть. Во многих водоемах, заселенных серебряными карасями, нет ни единого самца, однако караси превосходно в них множатся. Это явление носит название гиногенеза. Здесь происходит мнимое оплодотворение спермой самцов других видов. Чужое ядро, проникая в икринку, лишь толкает ее к развитию, само же рассасывается. Легко понять, что наследственность тут чисто материнская, иначе и быть не может.

Интересный случай гиногенеза описан для американской рыбки моллиенизия формоза. Там вовсе не существует самцов, однако размножение происходит. Самки «оплодотворяются» самцами одного из двух близких видов: моллиенизия велифера или моллиенизия латиппина. Но спермий, проникая в яйцо, лишь дает толчок для начала развития. Так что гибридизации нет: все мальки оказываются самками моллиенизия формоза.

Гиногенез многократно получали искусственно. Так у многих лягушек и жаб достаточно укола иглой или температурного воздействия, чтобы неоплодотворенная икринка начала развиваться.

Зная все эти факты, академик Б. Л. Астауров еще в молодости задумал и провел ставшие ныне классическими эксперименты. Астауров рассуждал так: природа показала нам, что материнского ядра в ряде случаев достаточно для развития. Но из данных генетики мы знаем, что отцовское ядро равноправно с материнским в передаче признаков по наследству. А нельзя ли получить организмы, в которых сказалась бы только отцовская наследственность?

Объектом исследования Борис Львович избрал тутового шелкопряда — бабочку, у которой он и другие генетику изучили наследование многих признаков. Линии были подобраны с таким расчетом, чтобы хромосомы самца были, как говорят генетики, замаркированы. Иначе говоря, по признакам, проявившимся у потомства, можно было бы легко определить, за счет какого генотипа оно развилось: материнского, отцовского или, как обычно, материнско-отцовского. После этого начался энергичный штурм материнского ядра: его нужно было удалить, убить или хотя бы нейтрализовать, не убивая при этом яйцеклетки. Это удалось сделать, применив нагревание или рентгеновские лучи. Если после воздействия ими яйцеклетка оплодотворялась, то убитое женское ядро, естественно, не принимало участия в развитии эмбриона и генотип его полностью повторял генотип отцовский. Так в удивительных по наглядности опытах был воспроизведен экспериментальный андрогенез — развитие под влиянием чисто отцовской наследственности. Это имело большое теоретическое значение. А через тридцать лет выяснилось, что созданные в этих и других опытах гены-маркеры могут играть большую практическую роль.

У тутового шелкопряда самцы «старательнее» самок: наматывают на кокон больше шелка. А что, если использовать для выкормки только самцов? Мысль естественная, однако осуществить ее было но просто. Бабочка-самка откладывает грену — множество мельчайших яичек. Прежде всего задача состояла в том, чтобы научиться определять, из какого яичка разовьется самец, из какого самка. Генетики тут помогли: сконструировали генотипы, у которых это возможно. Для этой цели действовали рентгеном и получили транслокацию, при которой на половую хромосому пересадили кусочек другой хромосомы, несущий ген темной окраски — ген-маркер. У тутового шелкопряда самки гетерогаметны — их формула ZW, тогда как формула самцов ZZ. Именно на W-хромосому и была произведена пересадки «темного» гена. Нетрудно понять, что все яички, из которых получатся самки, оказались темноокрашенными, а те, которые разовьются в самцов,— светлыми. Следующей задачей было разработать способ сортировки грены по цвету. Тут на помощь пришла умная машина, основа которой — искусственный глаз: фотоэлемент. Сортировка грены производится на этой машине быстро и дешево. А выход шелка, в случаях когда выкармливаются только самцы, увеличивается на 30%.

В получении пород шелкопряда, меченых по полу, велики заслуги японских исследователей. Много здесь сделал работающий в Ташкентском университете генетик А. В. Струнников.

Капризный каракуль

Серый каракуль ширази — старая, можно сказать, даже древняя порода овец. Она дает смушек высокого качества и высокой цоны. Поэтому в колхозах и совхозах Средней Азии и Казахстана имеются стада, состоящие из многих тысяч голов. Взглянешь на такое стадо — душа радуется: овцы веселы и здоровы, все, кажется, замечательно. Но замечательно только для непосвященных. На деле же при чистопородном разведении, то есть при скрещивании серых с серыми, получается лишь 50% здоровых серых ягнят, а еще 25% черных, что не такая уж большая беда, потому что черный каракуль тоже дорог; но остальные двадцать пять процентов приходятся на долю серых мертворожденных или погибающих сразу после рождения — это уже неприятность большая. Четверть потомства, ежегодно гибнущая, — можно ли придумать большую печаль для специалиста-овцевода!

Скрещивание у ширази.

Разобрался в этом вопросе наш известный генетик, ныне доктор наук Я. Л. Глембоцкий. И на помощь ему пришла... дрозофила. Мы уже говорили о летальных рецессивных генах, приводящих к гибели часть потомства этого излюбленного модельного объекта генетиков. Оказалось, что ген, вызывающий у овец серую окраску ширази, именно таков. Как и рецессивные летали у дрозофил, в гетерозиготном состоянии он не сказывается на жизнеспособности; мало того: он оказывается доминантой по отношению к гену черной окраски. Однако стоит ему «огомозиготиться», и он приводит ягненка к гибели на ранней стадии.

Глембоцкий предлагает овцеводам такой выход: скрещивать черных с серыми! В этом случае сохранятся все те же 50% нормальных серых потомков, но зато остальные 50% будут хоть и черными, но живехонькими, вполне здоровыми. Понятно, что выгоднее иметь черного живого ягненка, чем серого мертвого.

Способ, предложенный Я. Л. Глембоцким, позволяет каракулеводу всегда быть на уровне моды. На каракуль,

как и на норок, мода изменчива. И вот представьте себе колхоз, где маточное стадо состоит из черных овец, а прогнозы всех знатоков моды сходятся на том, что предстоит год, когда спрос на черных смушек окажется невелик. Беда поправимая! Достаточно приобрести десяток-другой серых баранов. Искусственное осеменение, широко распространенное теперь в животноводстве, обеспечит получение половины серых ягнят от любого многотысячного стада черных маток.

Выход из «сахарного» тупика

До известного времени селекция у сахарной свеклы шла хорошо: увеличивая вес корней или сахаристость, селекционеры добивались увеличения выхода сахара с гектара посевов. Но потом селекция зашла в тупик — увеличение корня вело к уменьшению сахаристости, а возрастание сахаристости неуклонно приводило к уменьшению веса корня. Такое явление носит название обратной корреляции. На первых этапах селекции ее удавалось одолеть, так как урожай зависел от большого числа генов, и, несмотря на обратную корреляцию между весом корня и содержанием в нем сахара, удавалось найти генные комбинации, ведущие к увеличению продуктивности сорта. Но возможности комбинаторики были исчерпаны. Как вести селекцию дальше?

Ученые обратились к полиплоидам. Киевляне В. П. Зосимович и В. А. Панин скрестили тетраплоидные сорта с диплоидными. В результате получили триплоиды: свеклу, имеющую в клетках три хромосомных набора. Оказалось, что у триплоидов особенно велика сахаристость. Но из-за нарушений в ходе редукционных делений у них образуется мало семян. Однако это не имеет значения: семеноводство можно вести, вновь и вновь скрещивая диплоидов и тетраплоидов. Зато сахаристость, выход сахара с гектара посевов, у триплоидов возрастает в среднем на 15%.

Сейчас уже есть триплоидные сорта, районированные для Кубани.

Получение триплоидов у свеклы.

Скрещивание диплоида и тетраплоида.

По тому же пути получения триплоидов пошли лесоводы. Обычная осина, как известно, дает плохую древесину, страдающую к тому же от сердцевинной гнили. Иная осина — триплоид. Здесь и древесина хороша, и гниль не приносит большого вреда, и темп роста ускорен. А вот несколько цифр, касающихся триплоидных арбузов, нашедших применение в Японии. Диплоидный сорт Син-Ямато давал с единицы площади урожай 352 кг. Тетраплоидный вариант того же сорта — 155 кг. А в результате скрещивания этого малоурожайного тетраплоида со сравнительно малоурожайным (254 кг) диплоидным сортом Отоме возник триплоид, дающий 596 кг с той же единицы площади. Триплоидные арбузы практически бесплодны. Но это и хорошо: арбуз без косточек! А семена каждый раз можно получать от нового межсортового скрещивания.

Чудесное удвоение

Сорта табака Дюбек-7, Дюбек-287 настолько хороши, что даже в лучшие из сигарет их добавляют, как правило, не более 5%. Между тем еще недавно замечательные дюбеки сильно страдали, поражаемые заболеваниями. «Оздоровил» их селекционер М. Ф. Терновский. Однако, чтобы понять, как он работал, нужно вернуться назад, к 1927 году, к трудам генетика Г. Д. Карпетченко, по стопам которого шел Терновский. Карпетченко получил отдаленный гибрид между капустой и редькой. По всем законам, он должен быть бесплодным, потому что у родительских видов хромосомы разные, с разными генами. Но Карпетченко заставил свой гибрид плодоносить. Он удвоил число хромосом. В этом случае каждая из хромосом имела в генотипе своего гомолога, и препятствия для плодовитости устранялись.

То, что было трудно во времена, когда работал Карпетченко, в наши дни упростилось. Если у Карпетченко удвоение числа хромосом было в значительной мере счастливой случайностью, то сейчас генетик добивается этого у растений уже довольно легко: действует на семена колхицином. Все это и имел в виду Терновский, когда приступал к скрещиванию культурных сортов табака с дикими, обладающими иммунитетом. Удвоение числа хромосом привело к образованию плодовитых табаков, а дальнейшая работа по отбору и скрещиванию дала сорта, обладающие качествами лучших табаков мира и в то же время иммунитетом к двум важнейшим болезням: мучнистой росе и табачной мозаике.

Что такое наша культурная слива?

Получение амфидиплоидов. Исходные формы отличаются по числу хромосом. Поэтому у гибрида некоторые из хромосом не имеют партнера. После удвоения хромосом под действием колхицина каждая из них оказывается парной.

В диком виде она не встречается. Ученые предположили, что культурная слива возникла от скрещивания терна и алычи.

В. А. Рыбин проверил это теоретическое предположение. Оно подтвердилось: полученный им гибрид оказался культурной сливой. Это интересно не только с теоретической точки зрения: ведь в селекцию сливы можно включить, например, многие формы алычи, зимостойкие растения.

«Урожайность», увеличенная стократно

1948 год. Маленькая группка генетиков берется за пенициллин, который в то время был дефицитен, потому что на заводах использовались на редкость неурожайные штаммы[2] грибков. На ходу осваивают люди микробиологические методики и создают новые; без этого не обойтись: то, за что они взялись, новая отрасль науки — микробиологическая генетика. И вот тут-то сказывается одна из особенностей дарования руководителя этой группы С. И. Алнханяна: умение находить, поддерживать способных людей, выращивать из них высококвалифицированных специалистов. Небольшая группа довольно быстро превращается в крупнейшую в СССР лабораторию, и не просто в лабораторию — в кузницу кадров генетиков-микробиологов. В условиях, когда ни один из вузов не готовил генетиков, Алиханян сумел вырастить четырнадцать кандидатов наук!

А вместе с кадрами росли и успехи. Под действием лучей пенициллиум давал мутации, а скрупулезный и хитроумный отбор подхватывал их. Новый штамм — подлинный богатырь: он накапливает в своем теле в сто раз больше пенициллина, чем штамм исходный! А это значит, что в сто раз можно сократить потребную для него производственную площадь, во множество раз — расходы на получение лекарства. И еще это означает сотни тысяч, быть может миллионы, спасенных жизней. Этот штамм в течение многих лет применялся на всех наших заводах, да и не только на наших: он приобрел всемирную известность и сейчас «трудится» на заводах многих стран.

Но не один пенициллин был «властителем дум» лаборатории Алиханяна. Благодаря комплексному действию этиленимина, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей здесь выведены штаммы биомицина, производительность которых увеличена на 600%, террамицина — на 800%, эритромицина и олеандомицина — на 800—1000%.

Радиация и химия в сельском хозяйстве

Скороспелость, устойчивость к полеганию, крупнозерность, увеличение содержания белка, сахара, крахмала, масла в плодах и семенах — самые различные полезные признаки могут возникнуть у сельскохозяйственных растений под действием ионизирующей радиации и химических мутагенов. За рубежом уже вошли в производство и поступили в продажу многие радиационные сорта. К сожалению, наша селекция лишь недавно включилась в эту работу и только еще начинает использовать практически неограниченные возможности, которые дает радиация и химия. Однако успехи есть уже сейчас. В 1964 году на ВДНХ были продемонстрированы сотни выдающихся мутантов по самым различным культурам. Пять из них после тщательной проверки были переданы в Государственное сортоиспытание. Это два радиационных сорта томатов, высокопродуктивный сорт фасоли, люпин, хлопчатник с крупными коробочками.

У этого метода еще все впереди и порукой тому успехи, достигнутые генетиками-микробиологами.

Любительская селекция

Селекцией, совершенствованием живого, занимаются не только специалисты, но и любители. Создать своими руками новый сорт или породу разве не увлекательно?

Граф Орлов-Чесменский, вельможа XVIII века, был когда-то известен как полководец. Ныне его победы — достояние истории. Но вряд ли есть хоть один человек, который не слыхал бы об орловском рысаке, гордости

русского коневодства. А создал этого рысака Орлов-Чесменский вместе со своим крепостным Шишкиным, сперва конюхом, а в дальнейшем секретарем графа. Специальностью графа была война, а селекция была его страстным увлечением. Графа интересовали не только лошади — всеобщее увлечение тех лет. С не меньшим азартом занимался он селекцией голубей и бойцовых кур. Всякий, кто знаком с голубями, знает чистых. Но до недавнего времени почти ничего не было известно о происхождении этой породы. Разобрался в этом вопросе любитель-селекционер наших дней Н. А. Васильев. Он опубликовал несколько статей, из которых видна большая роль Орлова в создании чистых.

Как Орлов пробует своих голубей в полете, описал И. С. Тургенев. На середину просторного двора выносится кресло, граф садится в него, а на всех крышах окрест сидят уже егеря с ружьями: а ну как вынырнет откуда-то сокол, а ну как унесет любимого голубя графа? Голуби же были великолепные — не жалея денег, скупал их граф у любителей из простонародья. Рядом с креслом ставят серебряный таз с водой — не задирая головы, граф видит небо. ..

А вот еще эпизод, когда-то описанный Пальцевым. Один из голубей графа залетел однажды на мельницу, и мельник поймал его. Цену этой птице он знал и недолго думая сунул ее в мешок, запряг лошадь и понесся галопом в город. А между тем голубя искали, уже во все стороны были отправлены пешие, конные. И вот уже за мельником началась погоня, и вот уже он понимает, что не удастся ему убежать. Берет мешок с голубем и кидает его в высокую рожь. Обыск не дает результатов, а поздней ночью городские голубеводы этот мешок разыскивают...

Методы, которыми работали Орлов и его подручные, до сих пор не забыты. Мало того: они изучаются, их преподают студентам на лекциях. Дело в том, что рысак даже по сегодняшним нашим понятиям был создан за рекордный срок. Но мало кто знает, что при создании методов селекции Орлов в качестве модели использовал голубя.

Даже клички рысаков и голубей были одинаковы.

А кроме голубей, Орлов интересовался бойцовыми курами. И голуби, и куры — объекты народные, даже мало того — простонародные. Заниматься селекцией лошадей могли лишь люди богатые, а куры и голуби много дешевле. На Руси же, особенно в городах, любительская селекция была распространена издавна. Почему особенно в городах? Да потому, что сельский житель живет в постоянном общении с природой, а горожанин заменяет эти отношения тем или иным любительством.

О том, как неодолима страсть селекционера, можно судить по рассказу Н. А. Васильева. Он ее пронес с мальчишеских лет и до старости, а молодость его пришлась на начало двадцатых годов. В ту пору он был уже известным селекционером-куроводом. А жил он на Манежной улице, в самом центре Москвы. Охота пуще неволи, а селекционеры тех лет так и называли себя охотниками. Рано утром, до работы, Николай Арафьевич выносил в Александровский сад лукошко с лучшими своими цыплятами: чтобы попаслись на травке...

Но жизнь течет, ныне уже не только у стен Кремля — нигде в городе не осталось места для курицы. Да и голубятня не улучшает городской пейзаж. Что ж селекционеры-любители? Число их отнюдь не уменьшилось. Напротив, если в двадцатых годах «охотники» знали друг друга, потому что были наперечет, теперь их в одной только Москве многие тысячи. Но занимаются они не селекцией кур или голубей, а комнатными объектами — канарейками, а чаще аквариумными рыбками гуппи.

Почему именно эту рыбку предпочитают любители? Гуппи очень красива и очень изменчива, обладает множеством форм, легко разводится и выращивается, требуя минимум места. Кроме того, гуппи дешевы. Успехи селекционеров здесь велики: члены кружка при Обществе охраны природы чуть ли не на каждом из ежегодных конкурсов показывают москвичам новые породы. А теперь я хочу дать вам селекционную задачу. Вести селекцию у гуппи можно и в самых маленьких сосудах, однако желательно иметь два-три вырастовых аквариума, объемом по 40 или 60 литров. А к ним вдобавок десяток банок, можно и трехлитровых, из-под кош сервированных овощей.

На дно водоемов кладут хорошо промытый песок, в него сажают водяные растения. Вода для гуппи хороша водопроводная, отстоявшаяся перед посадкой рыб в течение хотя бы двух дней, а лучше — недели. Корма вы найдете в зоологических магазинах. Нельзя кормить рыб одним лишь сухим кормом. Резаные трубочники и мотыли, циклопы и дафнии, скобленое мясо и рыба обязательно должны входить в рацион. Основное правило содержания: лучше недокормить, чем перекормить. Это не значит, что рыб можно держать впроголодь. Просто нужно следить, чтобы весь корм съедался, не гнил, не портил воду. Менять ее следует пореже, да и то частично, желательно не больше трети. Лучшая температура — 22— 24 градуса; однако гуппи не гибнут и при 18, выдерживают и 32. Аквариумы полезно подсвечивать, особенно зимой. Если у вас растет папоротник цератоптерис — освещенность да и вообще все условия можете считать хорошими.

Вот и задача. У гуппи известно несколько пород с расширенными и удлиненными хвостами (вуалевые, шлейфовые, веерохвостые). Есть и так называемые шарфовые породы: у них сильно удлинен и расширен спинной плавник. А хорошо выраженных вуалево-шарфовых, объединяющих оба признака, сравнительно мало. Почему бы не вывести такую породу? Наследование обоих признаков хорошо изучено. Шарф наследуется как доминант, вуалевый хвост — рецессии. Значит, объединить оба признака можно уже в два поколения.

Выведение вуалево-шарфовых гуппи. Один из возможных путей селекции.

Вот скрещивания, которые лучше всего поставить. Важно подобрать исходный материал так, чтобы рыбки отличались лишь по интересующим нас признакам, по окраске же были одинаковы. В случае разных окрасок задача усложнится, так как тут уже будет скрещивание полигибридное (в перекомбинацию вступят многие гены). Проще всего взять самку из породы, которая называется московской шарфовой, а самца московского вуалевого. Самки у гуппи не окрашены, но удлиненный спинной плавник (шарф) у них есть. Самец хорошо окрашен, тут практически весь генотип отражается в фенотипе.

В первом поколении, если самка была гомозиготной по шарфу, все рыбки окажутся шарфовыми. И в то же время все они будут с короткими округлыми хвостами: большой хвост — рецессив.

Для получения второго поколения нет нужды скрещивать гибридов между собой. Гораздо рациональнее поставить возвратное скрещивание: самку из первого поколения скрестить с хорошим самцом московской вуалевой породы. В ее потомстве следует выбрать наилучшего из вуалево-шарфовых самцов. Его нужно снова скрестить с вуалевой чистопородной самкой. Таким образом на этих этапах мы ведем селекцию по хвосту, шарф же у нас всюду в гетерозиготе. Почему мы поступаем так? Да потому лишь, что у самок гуппи большие хвосты не проявляются, и, чтобы найти такую самку, нам пришлось бы ставить множество скрещиваний для проверки самок по потомству. Обходясь же на первых порах гетерозиготным шарфом, мы минуем эту сложность.

А в следующем поколении можно уже перейти к скрещиванию вуалево-шарфовых между собой. Рыбки, гомозиготные по шарфу, хоть с трудом, но отличимы: у них особенно велик спинной плавник. Однако и теперь селекцию вряд ли можно будет считать законченной. Дело з том, что, скрестив две породы, мы разбили, пересортировали сложившиеся в ходе длительного отбора генотипы. У наших рыбок будут и шарфы, и вуали, и окраска, свойственная породе, однако... однако все это будет не высшего качества. А чтобы этого качества добиться, придется «пошлифовать» наших рыбок в течение нескольких поколений путем строгого индивидуального отбора. Важно, чтобы каждое пятно заблестело и засверкало, шарф стал огромным, а хвосты широкими, длинными, с ровными, «обрезными» краями. Приложите старание — и вы этого добьетесь.

Еще указание. У гуппи одного оплодотворения хватает для получения неоднократных потомств. Поэтому для всех скрещиваний нужно подбирать самок, специально выращенных без самцов.

Можно ли на гуппи продемонстрировать успехи селекции, связанные с новыми генетическими методами? Во многих случаях да.

Если скрестить между собой несколько инбредных, близкородственных линий гуппи, нередко удается натолкнуться на ярко выраженный гетерозис. Мне довелось быть членом экспертной комиссии на московских конкурсах гуппи. Нередко случалось так, что любитель, занимающийся селекцией буквально без году неделю, получал высокие оценки и даже дипломы. И почти всегда из бесед с таким любителем выяснялось, что именно за счет скрещивания разных инбредных линий (а гуппи практически всегда разводятся в близком родстве) он и получил своих красавцев.

ГЛАВА ШЕСТАЯ. ИМЯ ТВОЕ — ЧЕЛОВЕК РАЗУМНЫЙ

Относятся ли к нам, людям, законы генетики, а если относятся, то что они нам сулят? Попробуем разобраться.

Идентичные близнецы

Взгляните на фотографию. На ней две девушки, Герда и Моника. Не правда ли, они удивительно похожи друг на друга? Герда и Моника идентичные близнецы, развились из одного разделившегося оплодотворенного яйца. Легко понять, что наследственность у них до мельчайших деталей одинакова и удивлять здесь должно не сходство, а мелкие различия. Откуда они? Ну, например, в прическах... Скорее всего, специально одна из них делает пробор слева, другая справа, а не то, как в старом анекдоте: не только родители, сами они перепутали бы, где Герда, где Моника. Но причина может быть и иная. В ходе развития у зародыша рано закладываются основы двусторонней симметрии. Если разделение произойдет после этого, один из близнецов будет зеркальным отражением другого. В этом случае одному из них свойственна леворукость, то есть привычка причесываться левой рукой, другому — праворукость.

Изучение идентичных близнецов — один из методов генетики человека. Взгляните па другую фотографию, где изображены двое молодых людей. Это тоже идентичные близнецы, но в раннем возрасте они были разлучены, воспитывались в разных условиях: один в городе, другой в деревне. И даже внимательного рассмотрения фотографии достаточно, чтобы понять: один решительнее, сосредоточеннее, быть может жестче. И правда: характеры у них, несмотря на одинаковую наследственность, оказались разными.

Изучение идентичных близнецов позволяет сделать заключения об относительной роли наследственности и среды в формировании организма. Роль среды велика. Образование, условия жизни, увлечения, работа — все это накладывает на человека несомненнейший отпечаток. В течение жизни одни способности развиваются, другие, не найдя нужных условий, наоборот, затухают.

Моника и Герда, идентичные близнецы.

То же относится и к развитию физическому, и все же изучение идентичных близнецов показывает могущество, исключительную значимость наследственности. Вспомните знаменитых наших хоккеистов братьев Майоровых. Право же, в их спортивных способностях, наклонностях и повадках куда больше общего, чем различий. А если и есть различия, то вызваны они в основном тем, что на долю одного выпало больше травм, чем на долю другого.

Об исключительном сходстве идентичных близнецов говорит и тот любопытный факт, что даже собаки-ищейки путают их следы.

Очень интересные опыты на тысячах близнецов были проведены в тридцатых годах в Москве во Всесоюзном институте экспериментальной биологии и медицины. Вот один из них, ставший классическим, вошедший в книги по генетике всего мира. Идентичных близнецов-ребятишек помещали в разные комнаты и давали им кубики. Они должны были строить замки и башни, причем у одного из них был рисунок, на котором обозначался каждый кубик, у другого же — только контур здания. Поначалу преуспевал первый близнец. Но на каком-то этапе оказывалось, что второй перегнал его: его задача была сложнее и он приобрел больше строительных навыков, мало того — способностей конструктора. Так, при одинаковой наследственности способности второго близнеца за счет упражнений развились сильнее.

Эти идентичные близнецы воспитывались в разных условиях.

Изучение родословных

Приветствую тебя, мой родовитый читатель! Ты — потомок Владимира Мономаха и Юлия Цезаря, Александра Македонского, а может быть, и Чингис-хана. Думаешь, я шучу? Ни в коем случае! Каждое поколение — это около тридцати лет, так в генетике принято. За тысячу лет сменилось приблизительно 33 поколения. У каждого из нас двое родителей, четверо дедов, восемь прадедов, прапрадедов уже шестнадцать. Ну-ка подсчитай сам, сколько предков у тебя в тридцать третьем колене! Их окажется во много раз больше, чем было в ту пору — 1000 лет назад — людей на земле. Это доказывает, что все мы в конечном итоге родственники и все баснословно знатны! В прошлом веке жил Томас Гексли, друг и сподвижник Дарвина, «цепной пес дарвинизма», как он сам называл себя. Это был великолепный спорщик, он непрерывно вел диспуты с противниками Дарвина, и на одном диспуте он бросил в лицо своему оппоненту, епископу, такие слова: «Я горжусь своей бабушкой обезьяной!» Это была полушутка, однако в ней зерно истины — все люди Земли уже потому знатны и равны, что ведут начало от общих предков.

Человек — вершина эволюционной лестницы на Земле. Однако в генетическом отношении он подчинен большинству законов, которым подчинено живое.

Как и у всех других организмов, у человека есть рецессивные, полудоминантные и доминантные признаки. Так, черные и карие глаза доминируют над голубыми, а рыжие волосы всегда рецессив. Но вот курчавость известна как доминантная, так и рецессивная.

Большое значение для генетики человека имеет изучение родословных. В качестве примера возьмем совсем простенькую родословную. Кружками на ней обозначены женщины, квадратиками мужчины. Зачерненный кружок или квадрат означает носителя интересующего исследователя признака, в данном случае доминантного. Обратите внимание на потомков 4 и 5 в третьем ряду. Это идентичные близнецы, что обозначено общей черточкой, ведущей к ним от основного ствола. Потомки 6 и 7 в том же ряду тоже близнецы, однако разнояйцевые, неидентичные.

Родословная (три поколения)

Родословная семьи с признаком «шерстистые волосы».

А на следующей родословной, уже широко разветвленной, изображена семья, наделенная признаком «шерстистые волосы». Такие волосы не растут длинными — они секутся. Эту родословную я привожу для любителей самостоятельных задач. Тут есть что посчитать и над чем подумать. Ответьте на следующие вопросы: 1) доминантен или рецессивен признак? 2) каковы соотношения в потомстве гетерозиготы? 3) сцеплен пли не сцеплен с полом признак? 4) есть ли различия в наследовании признака женщинами и мужчинами? А помимо этих вопросов, на примере родословной можно решать и другие. Какие — подумайте, пролистав эту книгу.

В виде ромбиков изображены потомки, погибшие в раннем детстве или такие, характер волос у которых установить почему-либо не удалось.

Генетиков интересуют любые родословные, независимо от класса и социального положения семьи. Однако по понятным причинам часто наиболее подробны, детальны княжеские, императорские, царские родословные. Вглядываясь в них, генетик удивляется не родовитости того или иного царя: с генетической точки зрения любой ген любого человека блистательно родовит, ведь за ним история развития, насчитывающая много миллионов лет. В императорских родословных генетик ищет уклоняющиеся от нормы признаки, наследование которых легко проследить. Такова, например, габсбургская нижняя губа — выпяченная вперед и сильно раздутая, на вид уродливая. Первый, у кого ее удалось обнаружить, был император Максимилиан (XVII — XVIII вв.), последним же оказался эрцгерцог Альберт (XIX в.). А царская фамилия Романовых интересовала генетиков из-за гемофилии, которой болел наследник Николая II — Алексей. Гемофилия — наследственное заболевание, вызванное рецессивным геном, локализованным в половой хромосоме. Женщина, больная гемофилией, выявлена за всю историю только одна. Это понятно: у женщин две Х-хромосомы, и чтобы гены, несущие гемофилию, оказались в гомозиготе, нужен исключительно редкий брак больного гемофилией с женщиной, гетерозиготной по этому гену. Но зато половина сыновей гетерозиготной женщины обязательно будут гемофиликами: у мужчин Х-хромосома одна и рецессив проявляется. Откуда взялась гемофилия у Романовых, удалось проследить. Начало ей положила английская королева Виктория. Будучи гетерозиготной, она была совершенно здорова и дожила до преклонного возраста. Однако у нее был сын гемофилик и две дочери — носительницы этого гена. Выдав дочерей замуж, Виктория «осчастливила» этими генами царствующие в те времена в Испании и России фамилии.

Увеличенная нижняя губа Габсбургов — признак, сохранившийся в династии с XVII по XIX век.

Родословная гемофилии в семье Романовых.

Жена Николая II была внучкой Виктории. Она-то и передала гемофилию наследнику. А болезнь эта страшная: кровь лишается способности свертываться и малейшая царапина может привести к невосполнимым кровопотерям.

Альбинизм. Частота встречаемости. Формула

Альбинизм — наследственный признак, обусловленный рецессивным геном. Он очень удобен для изучения, так как распространен по всему миру, хоть и встречается в гомозиготе довольно редко. Действие гена сводится к следующему. У человека в коже образуется темный пигмент меланин. Люди, гомозиготные по гену альбинизма, этого пигмента лишены полностью — у них выпадает одна из реакций, ведущих к его образованию. Альбинизм — вредный признак. Альбиносы, сравнительно с людьми, наделенными меланином, более подвержены ряду заболеваний, в том числе очень обычных, «простудных».

Количество альбиносов в различных странах различно. Так, в странах, населенных белокожими народами, один альбинос, согласно статистике, приходится на 20000 жителей. Казалось бы, это ничтожно мало, Но если эту оценку применить к США, при пересчете получится приблизительно 9000 альбиносов. В других странах альбиносы встречаются чаще. Так, среди 14 298 детей Нигерии оказалось 5 альбиносов, а у индейцев Панамы соотношение было 1 : 132. Это гомозиготы. Они обнаруживаются на глаз, и их легко сосчитать. А можно ли учесть число гетерозигот? Сейчас мы это проделаем.

Если формула альбиноса аа, а наделенного меланином человека АА, то гетерозигота будет Аа. Встречаемость того и другого фенотипа теоретически колеблется от 100% А до 100% а. А в общей форме А + а = 1. В формуле Харди-Вайнберга, построенной для любого рецессивного гена, это выражается как p + q = 1. Однако нас интересуют не фенотипы, а генотипы, то есть относительная встречаемость АА, Аа и аа форм. Формула для этой встречаемости легко запоминается, так как левая часть выражения повторяет общеизвестную формулу квадрата суммы двух чисел, правая — единица: p2 + 2pq + q2 = 1. Если для нашего случая q2, то есть встречаемость альбиносов в европейских странах равна 1/20000, то легко вычислить, что q = 1/141. Поскольку р + q = 1, получится, что р = 1 - 1/141 = 140/141. Частота встречаемости гетерозигот 2pq. Следовательно, в данном случае она равна 2 · (140 · 1)/(141 · 141), то есть приблизительно 1/70. Не правда ли, довольно неожиданный результат? Один альбинос приходится на 20 000 жителей, а гетерозигота — на каждых семьдесят! Но неожиданность только кажущаяся: наши расчеты точны. По понятным причинам они должны настораживать. Вредных рецессивных генов у человека множество, и если встречаемость гомозигот по такому гену равна 1 : 1000, то гетерозиготой — можете просчитать — будет каждый шестнадцатый.

Опасность выщепления вредных гомозигот резко возрастает при родственных браках, так как генотипы родителей здесь близки.

«Зловредная» серповидность и ее преимущества

Речь пойдет о сложном случае, когда наследственное заболевание в гомозиготе приводит к гибели, в гетерозиготе же — благоприятствует выживанию.

Началось с того, что молодой негр из Вест-Индии обратился к врачу — он жаловался на постоянное, сильное недомогание. Исследовали его кровь, и микроскоп обнаружил поразительную картину: эритроциты, красные кровяные тельца этого человека, были не круглыми, как обычно, а серповидными.

Конечно, эта болезнь встречалась и ранее, но не обращали внимания на кровь больных. После этого случая ее начали изучать, и вскоре выяснился наследственный характер заболевания. Его назвали серповидной аномией. Болезнь вызывает ген s, люди с серповидными эритроцитами по этому гену гомозиготны. Долгое время думали, что болеют серповидной анемией исключительно негры. Но далее выяснилось, что распространена она также в Италии, в Греции и в других местах Средиземноморского побережья. И странное дело: очаги болезни были строго ограниченными и совпадали с очагами распространения малярии. Начали тщательно изучать гетерозигот по гену s и выяснили, что эритроциты у них также изменены, они серповидны как бы наполовину. После этого было уже нетрудно обнаружить, что число геторозигот в малярийных очагах весьма велико. Впрочем, это следовало уже из расчетов по формуле Харди — Вайнберга.

Следующим этапом исследования был опыт, поставленный на 30 добровольцах, 15 из них были гетерозиготны по гену 5, у остальных он отсутствовал. Всех их заразили малярией. Из 15 гетерозигот заболели лишь двое, из 25, лишенных s гена, не заболел лишь один. Опыт подтвердил, что гетерозиготы обладают повышенной устойчивостью к малярии. Отсюда и распространение серповидной анемии в очагах малярии.

Врожденное и медицина

В мышином питомнике университета нежданно-негаданно родились карликовые мышата. Обычная мышь весит 20 граммов и более, эти же останавливались в росте при весе 6—8 граммов. Они оказались бесплодными, однако некоторые из их нормальных сестер и братьев стойко давали в потомстве четверть карликов. Соотношение 3:1, то есть были они по гену карликовости гетерозиготны.

Несомненно, ген карликовости нужно отнести к вызывающим наследственные болезни.

Но вот карликам начали подсаживать под кожу кусочки живого крысиного гипофиза — железы из головного мозга. Произошло «чудо»: карликовые мышата стали расти, достигли нормальных размеров и веса, самцы оказались плодовитыми, наступило практически полное выздоровление от врожденной болезни.

Точно так же, как в этом примере с мышами, вмешиваются медики в течение некоторых наследственных заболеваний у людей. Число недугов, которые удается вылечить, год от года растет. Так, при наследственном диабете помогает введение гормона инсулина, при некоторых нарушениях гипофиза — гипофизарных гормонов. Но самое большое достижение ученых — победа над резус-фактором.

Иногда случается так, что кровь матери несовместима по генотипу с кровью ребенка. В период беременности по сосудам младенца течет кровь матери, а собственное кровотворение еще не началось. Иное дело сразу же после родов. Связь с кровеносной системой матери прерывается, однако кровь ее все еще наполняет сосуды младенца. Но в это время начинается собственное кровотворение. И в случаях, когда мать и ребенок имели разные по резусу генотипы, младенцы гибли. А такие случаи были не так уж редки! К счастью, теперь они в прошлом. Предварительно делаются анализы крови, и когда это нужно — срочные переливания крови новорожденным. Много тысяч жизней спасено таким способом!

В 1948 году под руководством С. И. Алиханяна я проводил работу на дрозофиле.

У дрозофилы известно множество так называемых летальных генов — носители их не доживают до взрослого состояния. Было отобрано двадцать рецессивных леталей, действующих на стадии личинки или куколки. Гомозиготы по этим генам из мушиных яиц вылуплялись, однако не доживали до взрослого состояния. Им явно не хватало чего-то, чтобы нормально развиться. Нетрудно было сообразить, что это «что-то» есть у нормальных личинок и куколок, лишенных «зловредного» гена. А что, если попробовать ввести недостающее вещество через корм? Так и сделали: в кормовую среду, на которой развивались культуры с деталями, добавили кашицы из нормальных дрозофил.

Девятнадцати культурам из двадцати добавка к корму не принесла никакой пользы. Но зато в двадцатой гомозиготы по летали, замаркированные геном желтой окраски, выжили.

Выяснилось, что без добавок к корму гомозиготы по летали доживали до стадии крупной личинки, но и здесь вовсе не были склонны умирать. Они жили и жили, однако не могли окукливаться. При окукливании происходят сложнейшие перестройки во всем организме. Под контролем гена, видимо, находился важный процесс, дающий толчок к окукливанию. Надо думать, генопродукт в данном случае был гормоном. Стоило его ввести извне — и развитие происходило нормально, «смертоносного» изменения в генотипе как не бывало.

Мухи которые обязаны были умереть, жили и плодились, хотя их потомство тоже нуждалось в добавлении генопродукта извне.

Пример показывает (на дрозофиле, как на модели), что при помощи внешних воздействий можно вмешиваться в интимнейшие процессы развития, находящиеся под контролем генов.

Внимание: операции на головном мозге!

Наши медики все чаще осуществляют решительное врачебное вмешательство в ход наследственных болезней, связанных с расстройством двигательных центров головного мозга. Мне довелось наблюдать результаты таких операций в клинике Института невралгии Медицинской академии, где работает коллектив нейрохирургов под руководством профессора Э. И. Канделя. Дело это новое, неимоверно сложное, не обходится здесь пока что без поражений, однако удачи бывают чаще неудач, и порою блистательные.

Борис П., способный начинающий литератор, еще совсем молод. Рослый и ловкий, он увлекался спортом, был кандидатом в юношескую сборную РСФСР по баскетболу. Заболевание пришло к нему исподволь и нарастало медленно. В двадцать лет парень стал инвалидом.

Болезнь эта — торзионная дистопия — наследственна и имеет две формы: доминантную и рецессивную. Обе формы считались ранее неизлечимыми. Однако после двух операций, проведенных Канделем, Борис выглядел совершенно здоровым, отлично координировал все движения, собирался вновь играть в баскетбол.

Кандель и его ученики мало соответствуют обычным представлениям о хирургах. Ход операции здесь контролируют умные машины. По их расчетам, в мозг вводят тонюсенькую трубку — канюлю. Через нее поступает жидкий азот, который разрушает больной участок мозга.

Смит и Браун обращаются за советом

Представим себе такую картину.

Мистер Смит полюбил мисс Браун, она ответила ему взаимностью. Но вот беда: Браун девушка образованная, кое-что читала по генетике. А в семье у нее наблюдались заболевания эпилепсией. От жениха она узнала, что среди его родственников тоже был эпилептик. Любовь любовью, но надо же думать и о будущих детях! Браун и Смит пошли на консультацию к врачу-генетику. То и дело почесывая кончиком автоматической ручки висок, тот длительно вычерчивал родословные молодых людей, выспрашивая о троюродных дедушках и четвероюродных их племянниках. Потом что-то считал, журча арифмометром, и, наконец улыбнувшись, сказал:

— Правда, есть небольшая возможность того, что вы, мистер Смит, гетерозиготны по наследственной эпилепсии, однако мисс Браун, согласно родословной, носительницей зловредного гена быть не может. Будьте счастливы, не тревожьтесь, ваши дети родятся здоровыми!

Но могло случиться иначе.

— М-да, — в этом случае сказал бы генетик, — что тут поделаешь! Любовь есть любовь... Женитесь, но детей вам иметь не следует... Возьмите ребенка приемного...

Оставим Смита и Браун за тяжкими их раздумьями и подведем итоги: генетическая консультация для вступающих в брак желательна, так же как генетические знания для всего населения. Без этого не добиться победы над наследственными болезнями.

Трагедии, которых могло не быть

Однажды сказались последствия фронтовых невзгод, разболелись у меня ноги, пришлось лечь в больницу. Там я и познакомился с Анатолием К. В прошлом инженер, к моменту нашего знакомства он уже был инвалидом, обреченным на тяжелую, неотвратимую гибель. Это был человек среднего роста, широкоплечий, недавно еще отменно крепкий — при каждом движении чувствовался рельеф уже изрядно иссохших мышц. А движений он совершал множество, в сотни раз больше, чем требовалось. Он не мог стоять на месте, идти по прямой, смотреть в одну точку, сидеть или лежать без движений. Разумеется, непрерывные движения вызывали огромный, невосполнимый расход энергии, человек нетрудоспособный совершал ежедневно колоссальную, абсолютно ненужную работу. При этом истощалась но только мышечная, но и нервная системы — смерть у таких больных не за горами.

Эта болезнь называется хорея Гантингтона. Она наследственна, передается по доминантному типу, т. е. 50% потомков больного неотвратимо заболевают. Хорея развивается в возрасте 35—45 лет. Мать Анатолия заболела в сорок лет, у нее уже было два сына и дочь. Дочь жива и здорова, старший сын погиб на войне, Анатолий был младшим.

Отвлечемся ненадолго от этой тяжкой судьбы, обратимся к другому примеру — он позволит сделать некоторые статистические выкладки. Трое шведов, родных братьев, здоровяков и красавцев с виду, не нашли на родине приложения своим силам, не нашли и невест: местные девушки знали, что над их семьей довлеет рок наследственного заболевания. Братья сели на корабль, пересекли океан и высадились в Америке, наградив тем самым Новый Свет хореею Гантингтона. С тех пор прошло около 300 лет. За это время от хореи умерло более 1000 потомков этих первых трех больных переселенцев. А теперь на минуту допустим, что в последующие 300 лет темп размножения будет прежним. Число больных и погибших составит в этом случае... сотни тысяч! Но в США есть генетическое законодательство. В ряде штатов оно негуманное, права больных подвергаются дискриминации. Но возьмем для примера штаты другие, где жестоких законов нет, а просто хорошо поставлено дело генетических консультаций. Заболеваемость там из поколения в поколение снижается.

Теперь вернемся к несчастному Анатолию. Это мужественный человек, жалоб на собственную судьбу от него не услышишь. Иное — судьба детей. У Анатолия две дочери, он умрет раньше, чем они вырастут, но и умирая будет думать-гадать: заболеют они хореей или не заболеют?

— Почему меня не предупредили? — Это он говорил не раз.

И еще, узнав, что я пишу популярную книгу по генетике, просил:

— Напишите о моей болезни! Пусть знают многие!

Я выполняю его просьбу, тем более что не в одной хорее дело: наследственных болезней немало.

В Советском Союзе уже проводятся консультации врачей-генетиков, а в дальнейшем их сеть станет шире.

Группы крови

В результате автомобильной катастрофы, произошедшей на шоссе Нью-Йорк — Вашингтон, погиб мистер Н., миллионер. Прямых наследников у него не было, а завещания в архивах миллионера не обнаружили. Но претенденты на наследство тотчас нашлись. Разом три молодых человека объявили себя незаконными сыновьями миллионера.

Начали разбираться в этом вопросе юристы и пригласили... генетиков: кто из претендентов может быть сыном Н.? Генетики установили это, но чтобы понять как, нам нужно сначала познакомиться с фактами иного порядка.

Множественный аллеломорфизм. Эти окраски у кроликов обусловлены разными вариантами одного гена.

Когда раненый умирает от потери крови, причина его гибели настолько ясна, что противодействие приходит в голову само собой: нужно перелить кровь. Врачи догадывались об этом издавна и издавна делали переливания крови. Результаты были различными. Порою переливания приводили к чудеснейшим исцелениям, порою же, напротив, к быстрой гибели пациента. Почему это происходит, выяснить было не просто, однако, в конце концов удалось. У человека четыре группы крови, образование которых обусловлено комбинациями из трех вариантов одного гена. Раньше мы встречались с генами, существующими в двух сочетаниях: доминантном и рецессивном, здесь же встретились с геном, образующим серию вариантов. Это явление широко распространено и носит название множественного аллеломорфизма. Пример его — окраски у кроликов, изображенных на рисунке (стр. 150).

Ген, приводящий к формированию той или иной группы крови у человека, существует в виде аллеморфов О, А и В. Прежде всего напишем все теоретически возможные генотипы, их шесть: ОО, ОА, АА, ОВ, АВ, ВВ. В то же время групп крови только четыре — О, А, В и АВ. Нетрудно понять, что согласно принципу доминирования генотипы АА и АО однотипны по действию и дают группу крови А, так же как генотипы ВВ и ВО дают группу В. Генотип АВ имеет самостоятельное значение и дает четвертую группу крови.

Оказалось, что переливания возможны только при правильном подборе групп крови. Иначе содержащиеся в сыворотке антитела вступят в реакцию и приведут к свертыванию белков крови. Кровь первой группы можно переливать любому пациенту. Кровь А или В только пациентам той же группы, а также группы АВ.

Ну, а кровь четвертой группы пригодна лишь для переливания пациентам той же группы.

А теперь вернемся к сыновьям или же лжесыновьям злополучного миллионера. По счастью, удалось раздобыть все необходимые анализы крови: самого Н., трех претендентов и их матерей. Сам Н. имел кровь ОА, мать первого претендента — О, а молодой человек — АВ. Он сразу отпал: Н. не мог быть его отцом, поскольку мать О, фактор В он мог получить лишь от отца. То же самое случилось со вторым претендентом: мать его, как и Н., имела кровь АО, он же — ОВ... А вот третий претендент как будто удовлетворял на первый взгляд требованиям: мать имела формулу ОВ, сам он ОА.

«Подождите! — воскликнули тут генетики. — Посмотрим, как обстоит дело с резусом...»

Помогите девочке найти папу и маму.

А с резусом дело обстояло так: кровь мистера Н. и матери третьего претендента давала отрицательную реакцию на резус-фактор, кровь его самого — положительную. Этот тоже ушел ни с чем. Вакансии для претендентов на наследство остались открытыми...

Подобные истории имели место в жизни множество раз. И неважно, что эту я выдумал, чтобы дать читателю возможность поупражняться в генетике.

Взрывы атомных бомб и «багаж» вредных мутаций

Известно, что случайный удар или иное повреждение с меньшей вероятностью причинит ущерб будильнику или ходикам, чем хронометру высшего класса точности. Так же и мутация, вновь возникшая: реже непоправимо испортит организм растения или примитивного животного, чем организм человека. Мало того, мы видели у растений и животных примеры полезных мутаций. У человека же неизвестно ни единого случая новообразования такого рода.

Еще бы! Разве можно рассчитывать ненаправленным действием улучшить механизм хронометра!

И не ясно ли, что человека, человечество нужно защищать от действия радиации, химмутагенов — всего, что может вызвать мутацию!

Какой уровень облучения, то есть какая доза лучей для человека вредна? Нужно различать биологическое и генетическое действие лучистой энергии. Доза в 700 рентгенов для человека смертельна, это так называемая абсолютно летальная доза. Такова же она и для мыши — обычного объекта радиобиологических исследований. А доза в 500 рентгенов — это так называемая ЛД 50/30: летальная доза, ведущая к гибели от лучевой болезни 50% животных в течение 30 дней. В этих границах, то есть до дозы в 700, а чаще в 500 рентгенов, человек и животные могут быть защищены, а в ряде случаев на современном уровне знаний и излечены от лучевой болезни.

Имел ли судья генетические основания, чтобы объявить наследника самозванцем? Судя по рисунку, нет; наследник отличается от родителей лишь курчавостью, которая, как известно, может быть и доминантной, и рецессивной.

Иное дело генетический результат облучения. Ген даже под действием радиации мутирует крайне редко. Но поскольку с генотипе их тысячи, самая малая доза при удачном «попадании в цель» может вызвать мутацию.

Академик Н. П. Дубинин вычислил, а комиссия ООН с ним согласилась: для того чтобы удвоить число мутаций по сравнению с теперешним, человек за поколение (30 лет) должен получать дозу в 10 рентгенов. Сейчас в среднем люди получают значительно меньше, то есть радиационная обстановка на земле вовсе не угрожающая. Нужно только помнить: повышать радиационный фон в дальнейшем опасно!

Расы и гены

Для генетика не существует расовой проблемы. Различия между расами только в генах.

Вот схема наследования цвета кожи. Разница в двух генных парах. У людей белой расы эти два гена представлены «светлыми» вариантами, у негров — «темными». В результате расщеплений получаются белые, негры, а также мулаты трех категорий — светлые, средние и темные. Первое поколение — средние мулаты. Во втором поколении доминирование промежуточное, а так как обе пары генов вполне равноправны, то распределение по фенотипам здесь своеобразное, формула изменяется: 1 : 4 : 6 : 4 : 1. Меньше всего оказывается гомозигот: чисто белых и чисто черных (1 + 1). В четыре раза больше темных и светлых мулатов (4 + 4). А самая многочисленная группа — средние по цвету кожи мулаты (6) — повторяет фенотип первого поколения. Очень хорошее представление об этом дают рисунки. Возле них в квадратиках гены «темные» и «белые». Наличие трех «темных» и одного «светлого» гена даст темного мулата, два «темных» и два «светлых» — среднего, три «светлых» и один «темный» — светлого мулата.

Советую, чтобы было нагляднее, изобразить решетку Пеннета и в квадратах ее написать, какой фенотип получится при том или ином сочетании гамет. Гаметы же, учитывая равноправие каждой из пар генов, будут такими: ТТ, ТС, СТ, СС, где Т — любой из «темных» генов, С — любой из «светлых».

Всего двумя парами генов определяется различие в цвете кожи! Если учесть, что генов у человека сотни тысяч, быть может миллионы, станет ясным — различия невелики, непринципиальны, недостаточны для того, чтобы воздвигнуть между черными и белыми реальные границы!

Схема наследования цвета кожи.

Значит ли это, что нет других генных различий между расами? Вовсе не значит. Такие различия есть, быть может, наберется и сотня различающихся генов, однако сути дела это никак не меняет. Человечество едино, и ни одной из рас нельзя отдать предпочтение. Это касается не только облика, внешности, но и способностей.

Приглашаю в дальнейший путь

Начал я эту книгу с приглашения в путешествие, кончаю им же...

Я был твоим экскурсоводом, читатель, в проблеме наследственности. Мы задержались на Алгебре жизни, созданной Менделем, ибо это основа, без которой немыслимо понять остальное. Дальше мы ускорили шаг: книга так и задумана, это введение в генетику... И вот уже пора ставить точку, я же зову в новый путь!

Отдыхал я однажды на пароходе; за кратчайший промежуток времени побывал во многих портах Черноморья. «Вот замечательно! — думал я, уезжая.— Разом познакомлюсь с Украиной, Крымом, Кавказом!» А когда вернулся: «Теперь самое время побывать сперва на Кавказе, потом в Крыму, затем под Одессой...» Что поделаешь, человек ненасытен в отношении впечатлений.

Я буду счастлив, если это небольшое путешествие в генетику пробудит у кого-нибудь из юных читателей интерес: а как же все-таки с геном? Как научиться им управлять, переделывая по собственному желанию? Как добиться направленных мутаций? Это же путь к изобилию!

Если найдутся такие читатели, я с удовольствием укажу им дальнейший путь. К тому времени, когда выйдет из печати эта книга, появится немало популярных книг по генетике. Конечно, есть смысл их прочитать. Из опубликованных назову следующие: «Генетика» Шарлотты Ауэрбах, крупнейшего шотландского генетика, выпущенная «Атомиздатом» в 1966 году; она рассчитана на массового читателя, интересна и содержательна. Есть в ней и список литературы.

Интересную книгу Н. Лучника «Почему я похож на папу» выпустило в 1966 году издательство «Молодая гвардия».

А в «Советской России» в 1967 году вышла книга В. Полынина, посвященная генетике человека, — «Мама, папа и я».

И наконец, для читателей постарше и поопытнее с большим удовольствием рекомендую руководство И. Мюнцинга «Генетика». Это содержательная — на уровне вузовского учебника — и в то же время очень понятно написанная книга.

И наконец, опыты. Увидеть своими глазами, проделать собственными руками порою важнее, чем прочитать сотню книг. Я указал несколько объектов, простейшие опыты. Возможности в этом отношении неограниченны, знай только делай и наблюдай!