Становление и развитие генетики

    Удивительно, что все белки (в клетках микробов, растений, животных, человека) состоят  в основном из 20 аминокислот. У всех их молекул есть общая часть. Она содержит по две реакционно-способные группы: аминогруппу NH₂ и карбоксильную группу СООН. Обе они достаточно легко вступают в реакции. Путем отщепления одной молекулы воды от двух аминокислот получается более сложное соединение с характерной группировкой атомов: - СО - NH -, называемой амидной или пептидной.

    В полученном соединении (дипептиде) тоже есть свободная аминогруппа и  свободный карбоксид. При взаимодействии дипептида с аминокислотами и  другими пептидами могут образовываются полипептиды - полимеры. Их характерная особенность состоит в том, что они построены из остатков аминокислот и содержат амидные (пептидные) связи.

    Как обнаруженных в природе, так и  синтезированных пептидов известно достаточно много. В их состав входят десятки аминокислот. Например, гормон, регулирующий деятельность надпочечников, содержит 39 остатков аминокислот [2, стр. 185].

     Интересен вопрос о том, как получаются именно разные белки и клетки. Французскими учеными Ф. Жакобом и Ж, Моно предложена следующая гипотеза. Ген-регулятор производит молекулу-репрессор. Она выключает, когда нужно, оператор, который размещается на одном конце оперона - группы генов, и в результате данные ферменты не производятся [1, стр. 103].

1.3. Генетика как наука, ее основные понятия

    Генетика - наука о наследственности, способах передачи признаков от родителей к детям, о механизмах индивидуальной изменчивости организмов и способах управления ею.

    Важнейшим в генетике является понятие «ген». Ген вначале представляли чисто  формально, вроде счетной единицы. Потом установили, что ген - участок цепочки ДНК и он имеет сложную структуру. Ген - это «атом генетики». Структура макромолекул ДНК дает основу для практически бесконечного количества комбинаций, контролирующих включение аминокислот в белковую молекулу. Число возможных различных сочетаний четырех органических оснований по длине цепочки ДНК составляет гигантскую величину 4¹⁰⁰⁰⁰, которая превышает число атомов в Солнечной системе. На основе такого разнообразия действительно может возникнуть практически бесконечное число наследственных изменений, обеспечивающих эволюцию и разнообразие органического мира. Наследственность обеспечивает преемственность живого на Земле, a изменчивость -многообразие форм жизни. И то, и другое связаны неразрывно.

    Генетика  различает основные формы изменчивости: генотипическую, передаваемую по наследству, и фенотипическую не передаваемую по наследству. Наиболее ярко наследственная изменчивость проявляется в мутациях - перестройках наследственного основания, генотипа организма. Крупная мутация всегда выражается в форме более или менее резкого наследственного морфофизиологического уклонения единственной особи среди многих других, остающихся неизменными.  Но в большинстве случаев мутации имеют вид небольших уклонений.

    Важно понять, что мутации сами по себе не являются приспособительными изменениями, непосредственно направленными на выживание организмов в данных определенных условиях. Они возникают случайно, хотя и под воздействием внутренней и внешней среды, т.е. не беспричинно. Они зависят от условий среды и могут быть получены специальным  воздействием  ионизирующей радиации, химических реагентов и т д.

    Но  экспериментально получаемые мутации  тоже не носят характера адаптивных изменений. Адаптации, приспособления создаются лишь в результате отбора.

    Сначала под генотипом понимали систему  всех генов, входящих в состав клеток, сейчас объем этого понятия сужен до совокупности хромосомных ДНК организма, а совокупность всех генов называют геномом.

    Под генотипом следует понимать только наследственную структуру организма. Понятие же фенотипа обозначает совокупность доступных наблюдений индивидуальных признаков особи. Один из создателей современной генетики академик Н.П.Дубинин сравнивает соотношение генотипа и фенотипа с соотношением сущности и явления, подчеркивая большую устойчивость генотипа и подвижность, текучесть фенотипа. Фенотип является результатом взаимодействия генотипа и среды, поэтому он может быть сложнее и многообразнее генотипа.

    То, что на основе одного и того же генотипа в разных условиях развиваются разные фенотипы, означает, что по своим возможностям (потенциям) генотип богаче фенотипа. Наследственных молекул ДНК значительно больше, чем требуется для формирования нормального фенотипа. Новорожденный ребенок по своим возможностям богаче взрослого человека, хотя информационно он беднее. Все признаки развивающегося организма генотипически обусловлены, но не все наследственны. Наследуемость и генотипическая обусловленность - разные явления. Значение наследуемой информации не в том, что она до мельчайших подробностей определяет все детали строения и поведения развивающегося организма. Генотип определяет стратегию поведения. Хорошее пояснение этого дал классик кибернетики У.Р. Эшби: «Генотип передает часть своего контроля над организмом внешней среде. Например, он не определяет в деталях, как котенку следует ловить мышь, но дает ему механизм научения и склонность к игре, так что сама мышь учит котенка всем тонкостям ловли мышей».²

    Наследуются не признаки, а специфические типы реакций на различные внешние условия. Признаки развиваются на основе взаимодействия генотипа и среды. Наследуется только генотип - тот комплекс генов, который определяет норму реакции организма. Норма реакции каждого вида характеризуется определенным интервалом изменений признаков, соответствующим большему или меньшему спектру колебаний в условиях среды.

    Мутации как изменения генотипов приводят к изменению самой нормы реакции, отличающей данный вид организмов от других. Изменения же фенотипов (модификационные, флуктуационные изменения) осуществляются в рамках типичной для данного вида нормы реакции.

    Индивидуальное  развитие живого организма от зарождения до смерти осуществляется под влиянием как генетических программ и подпрограмм, так и внешних условий. Из-за этого одинаковая генетическая основа (генотип) не всегда приводит к формированию организмов с одинаковым фенотипом, одинаковым набором свойств. У организма складываются такие признаки, которые облегчают его существование именно в данных конкретных условиях. Удачные приспособительные изменения регулируются естественным отбором, обеспечивая выживание организмов с генотипами, способными оптимально реагировать на изменение внешней среды [3, стр. 133-136].

    Еще одним понятием генетики является вирус, который в тысячу раз больше обычных молекул белка, не питается и не растет, а воспроизводится только в клетке хозяина. Изучение вирусов как раз хорошо демонстрирует значение аппарата наследственности.

    Вирус имеет головку и спираль с  хвостом. Спиральная пружина  сжимается и, подобно игле, проталкивает хвост внутрь клетки. Затем через трубку вспрыскивается ДНК, и часто уже через несколько минут клетка разрывается, освобождая сотню и больше новых вирусных частиц, готовых к зарождению новых клеток. Процесс заражения сходен с государственным переворотом. Вирус совершает революцию в клетке. Бороться с ним можно с помощью интерферона - синтезируемого клетками вещества, которое специально предназначено для разрушения чужих ДНК [1, стр.105].

1.4. Этапы развития  генетики

    Генетика прошла в своем развитии семь этапов:

    1. Грегор Мендель (1822-1884) открыл законы наследственности. Скрещивая гладкий и морщинистый сорта гороха, он получил в первом поколении только гладкие семена, а во втором поколении - 1/4 морщинистых семян. И он догадался: в зародышевую клетку поступает два наследственных задатка - от каждого из родителей. Если они неодинаковые, то у гибрида проявляется один, доминантный (преобладающий), признак - гладкость. Рецессивный (уступающий) остается как бы в скрытом состоянии. В следующем поколении признаки распределятся в соотношении 3 : 1. «Когда австрийский монах Грегор Мендель развлекался наблюдением результатов скрещивания красно- и белоцветущегo гороха в монастырском саду, даже наиболее дальновидные его современники не могли вообразить себе всех последствий его находок», - справедливо пишет Г. Селье.³ Результаты исследований Менделя, опубликованные в 1865 году, не обратили на себя 
никакого внимания и были повторно открыты только после 1900 года.

     2. Август Вейсман (1834-1914) показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани. Несмотря на убедительные опыты Вейсмана, которые было легко проверить, победившие в советской биологии сторонники Лысенко долго отрицали генетику, называя ее вейсманизмом-морганизмом. В этом случае идеология победила науку, и многие ученые, 
как, например, Н. И. Вавилов, были репрессированы

    3. Гуго де Фриз (1848-1935) открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникали вследствие мутаций.

    4. Томас Морган (1866-1945) создал хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому биологическому виду присуще свое строго определенное число хромосом.

    5. Г. Меллер в 1927 году установил, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и то, что впоследствии было названо генетической инженерией с ее грандиозными возможностями и опасностями вмешательства в генетический механизм.

    6. Дж. Бидл  в 1941 году выявил генетическую основу процессов биосинтеза. 

    7. Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель молекулярной структуры ДНК и механизма ее репликации. То, что именно ДНК - носитель наследственной информации выяснилось в середине 40-х годов, когда после перенесения ДНК одного штамма бактерий в другой, в нем стали появляться бактерий штамма, чья ДНК была взята. 25-летний Уотсон, приехав из США в Кембридж в 1953 году подолгу беседовал с Криком о появившихся только что улучшенных рентгенограммах ДНК и правил спаривания ее оснований. В итоге, им удалось расшифровать ДНК за несколько недель.

    Чуть  позже был открыт триплетный перекрывающийся генетический код, универсальный для всех организмов, и ядро стало пониматься как орган управления, содержащий всю информацию о клетке [1, стр. 103-104].

1.5. Генетическая (генная) и клеточная инженерия

    В 70-е годы XX века создана техника выделения гена из ДНК, а также методика размножения нужного гена. В результате этого возникла генная инженерия.

      Внедрение в живой организм чужеродной генетической информации и приемы, заставляющие организм эту информацию реализовывать, составляют одно из самых перспективных направлений в развитии биотехнологии. Методами генетической инженерии удалось получить интерферон и инсулин. Объектом биотехнологии выступает сегодня не только отдельный ген, но и клетка в целом.

    Клеточная инженерия открывает широкие  возможности практического использования  биомассы культивируемых клеток и создания на их основе промышленных технологий, например, для быстрого клонального микроразмножения и оздоровления растений. Применение методов клеточной инженерии позволяет существенно интенсифицировать процесс создания новых форм организмов. Метод гибридизации соматических клеток - новый метод, дающий возможность получать межвидовые гибриды, т.е. преодолевать естественный барьер межвидовой нескрещиваемости, чего нельзя было достичь традиционными методами селекции. Для этого в искусственно созданных условиях выделяют и сливают протопласты - клетки, лишенные стенок, - обоих родительских растений и получают гибридные клетки, которые могут затем регенерировать целое гибридное растение с признаками обоих родителей. Это позволяет получать совершенно новые организмы, не существовавшие в природе. Но при этом возникает опасность, что искусственно созданные организмы могут вызвать непредсказуемые и необратимые последствия для всего живого на Земле, в том числе, и для человека [3, стр.138].

    Современные достижения в области исследования клеток и их функций связаны с так называемым клонированием - получением нового животного, но не обычным (половым) способом, а манипуляциями с одной единственной клеткой животного-«родителя».

    23 февраля 1997 года шотландский ученый Ян Вильмут и его коллеги получили из клеток взрослой овцы ее генетически идентичную копию - знаменитого ягненка Долли. Теперь это уже взрослая овца Долли. Фактически она не имеет отца - ей дала начало клетка, содержащая набор генов матери.

    Известно, что любая клетка взрослого организма несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только половину генов, и при зачатии эти половинки соединяются. В результате получается новый организм.

    Но  неполовые клетки взрослого организма отличаются от половых не только тем, что они содержат двойной набор генов: это - клетки, которые уже прошли специализацию, или дифференцировку. Каждая клетка взрослого организма имеет свойственную ей структуру и выполняет соответствующие функции. Например, клетка печени отличается от нервной клетки, а красная кровяная клетка - эритроцит - не имеет ядра, а значит, и наследственного вещества - ДНК. Вполне очевидно, что получить новое животное можно далеко не из каждой клетки организма-предшественника.

     Известно, что в дифференцированных клетках происходят изменения, причем и внешние, и внутренние. Например, у нервной клетки появляются отростки, по которым передается нервный импульс; у них же значительно изменяется ДНК - часть генов «выключается», другая часть продолжает выполнять свои функции. Такое «выключение» генов сопровождается химическими изменениями в ДНК. Наблюдаются и более глубокие, так называемые структурные изменения. Например, в неполовых клетках по мере их деления укорачиваются концы хромосом, в результате чего клетка бесконечно делиться не может и в какой-то момент погибает.