Карта наследственности

Давайте поставим еще несколько опытов с дрозофилой. Поскольку у нас нет возможности работать с живыми мухами, проведем опыты на бумаге.

Возьмем мух, отличающихся от нормального, дикого типа двумя признаками: черная окраска тела и сильно редуцированные крылья. Скрестим их с нормальными. После того как я скажу, что оба признака рецессивны и что соответствующие гены локализованы во второй хромосоме, вы без труда предскажете результат: все потомки должны выглядеть нормально, и в скрытой форме (в гетерозиготном состоянии) они содержат оба рецессивных признака. И будете совершенно правы.

Перейдем ко второму поколению. Если мы скрестим гибридов друг с другом, то, поскольку гены сцеплены, опыт должен дать расщепление 3:1, или на три нормальные мухи одна с обоими рецессивными признаками. Так и получается в действительности. Но можно поставить опыт и несколько иначе. Скрестить гибридов не друг с другом, а с одним из родителей, с тем из них, который имел рецессивные признаки. Это так называемое обратное, или аналитическое, скрещивание. Оно удобно тем, что на его фоне проявляются все рецессивные признаки родителя. Это скрещивание изображено на рисунке, и ясно видно, что расщепление должно быть 1:1, то есть таким же, каково соотношение разных типов половых клеток, даваемых гибридами.

Расщепление должно быть таким. И если мы возьмем для скрещивания гибридных самцов и скрестим их с черными короткокрылыми самками, оно и будет таким. Если же мы поставим реципрокное скрещивание, то есть возьмем гибридных самок и чернотелых короткокрылых самцов, то столкнемся с новым явлением. Вместо 50 процентов мух каждого сорта мы получим приблизительно следующий результат: нормальных мух - 41 процент (вместо 50), чернотелых, с редуцированными крыльями - 41 (вместо 50), чернотелых, с нормальными крыльями - 9, с нормальной окраской и редуцированными крыльями - 9 процентов.

Итак, наряду с тем, что ожидалось, наблюдается некоторое количество "исключительных" мух. В нашем опыте их не так уж мало - 18 процентов.

Такие результаты получаются не только в опыте с чернотелыми короткокрылыми мухами. Когда мы берем гибридных самок, "исключительные" особи наблюдаются всегда: иногда в большем, иногда в меньшем количестве. Если взять, например, признаки "желтое тело" и "белые глаза", то исключительных особей будет 1,5 процента. В некоторых случаях процент исключений оказывается ничтожно малым, а иногда достигает 50, Получается так, будто сцепление неполное: иногда более сильное, иногда более слабое.

Карта наследственности

Не опровергают ли эти результаты хромосомную теорию наследственности? Раз два гена локализованы в одной и, той же хромосоме, как же в таком случае они могут рекомбинировать? Оказывается, могут. И даже до открытия этого странного явления были обнаружены факты, дававшие основания предполагать возможность такой рекомбинации. А голландский ученый Де Фриз и русский Кольцов рассказывали об этом студентам еще до того, как Морган со своими сотрудниками стал обнаруживать в опытах "исключительных" мух.

Карта наследственности

Вспомним, что происходит с хромосомами при делениях созревания половых клеток. Две гомологичные хромосомы (одна из которых была получена от матери, а другая от отца) сближаются, приходят в тесный контакт и обмениваются частями. Поэтому нет ничего удивительного, что хромосома, несущая гены черного тела и укороченных крыльев, обменивается частями с нормальной хромосомой таким образом, что в одной оказывается один из этих генов, а во второй - другой. Это явление ученые назвали "перекрест хромосом". По-английски "перекрест" - "кроссинг овер". В большинство языков это слово перешло без перевода. По-русски так и говорят "кроссинговер", сливая два слова в одно, реже называют это явление русским словом "перекрест".

Карта наследственности

И в этом случае открытие нового явления принесло новое подтверждение хромосомной теории и углубило наши знания о передаче наследственных признаков.

Кроссинговер - явление очень широко распространенное. Но у некоторых видов бывают исключения. С одним из них мы уже знакомы. Это самцы дрозофил, у которых кроссинговер в нормальных условиях вообще не происходит. Но его можно вызвать искусственно, например с помощью облучения.

Кроссинговер происходит между разными генами с разной частотой. Между одними часто, между другими редко. Но каждая пара генов дает перекрест с вполне определенной частотой. Например, в рассмотренном нами случае с черным телом и редуцированными крыльями число "исключительных" мух достигает 18 процентов. От опыта к опыту эта цифра несколько колеблется, как и полагается по законам статистики, но если поставить достаточно большой опыт, мы получим более или менее постоянные цифры. Следовательно, кроссинговер здесь происходит только в 18 процентах хромосом.

Прошло совсем немного времени, и кроссинговер стал мощным исследовательским средством в руках генетиков. Когда "четыре разбойника" размышляли над закономерностями кроссинговера, им пришла в голову счастливая мысль. Видимо, перекрест происходит случайным образом. В пользу этого говорят и колебание наблюдаемой величины и некоторые другие факты. Очевидно, что чем дальше расположены гены друг от друга, тем чаще их будет разделять кроссинговер, чем ближе, тем реже. А если это правда, то можно с помощью опытов по кроссинговеру определять относительное расстояние между генами. Мысль фантастическая, но уж больно заманчивая. Проверить ее, во всяком случае, стоило.

Опыты подтвердили гипотезу. Цифры очень хорошо согласовывались друг с другом. Если, например, гены А и Б давали кроссинговер в 2 процентах, а Б и В - в 3 процентах случаев, то между А и В перекрест наблюдался в 5 процентах хромосом. А когда поставили большое количество экспериментов, то внутри каждой группы сцепления (то есть внутри каждой хромосомы) гены выстроились в одну цепочку. Напрашивалось представление о хромосомах как о нити, на которую, словно бусины, нанизаны гены. Сравнение хромосомы с нитью надолго удержалось в популярной литературе. И хотя сейчас строение хромосом изучено гораздо более подробно, но в первом приближении это сравнение остается правильным. Потому что гены в хромосоме действительно расположены линейно.

Эти работы положили начало составлению "генетических карт", на которых схематически указано взаимное расположение генов и относительное расстояние между ними. Особенно быстро дело шло, конечно, с дрозофилой, являвшейся идеальным объектом для этой цели. Уже с 1915 года начали появляться труды, где описывались подробно карты отдельных хромосом этой мушки. Аналогичные исследования велись и с другими видами, менее удобными для опытов, но хозяйственно важными: с кукурузой, горохом, курами, рогатым скотом. Собирался, но, конечно, очень медленно, материал и по генетическим картам у человека.

Ген по-прежнему оставался абстрактным понятием. И тем более удивительно, что еще в то время, когда никто "не видел" гена, не знал, что он собой представляет химически, ученые научились точно определять расположение генов.

"Увидеть ген", что может быть более заманчивым для генетика! Вначале это казалось мечтой. Но благодаря счастливой случайности стало возможным собственными глазами увидеть если не гены, то места, где они расположены.

В конце прошлого века итальянский цитолог Бальбиани исследовал под микроскопом личинок садовой мошки - мелкой мухи из семейства толстоножек. Когда он стал рассматривать слюнные железы, то увидел совершенно необычную картину. Железы состояли из огромных клеток, во много раз превышавших размеры обычных. В клетках было что-то похожее на ядра, но тоже очень больших размеров и совершенно необычной структуры. Под микроскопом эти структуры выглядели, как комок толстого каната с поперечными полосками. Бальбиани удивился, описал наблюдаемую картину и этим ограничился. И долго никто не обращал внимания на странные образования.

Обратили на них внимание только в 1933 году, когда, наконец, выяснили природу структур, описанных некогда наблюдательным Бальбиани. Сделали это одновременно и независимо друг от друга Хейц и Бауер в Германии и Пайнтер в США. Помогла новая методика изготовления препаратов.

Если клетки слюнных желез по старинке заливать в парафин и резать на микротоме, разобраться в непонятных структурах невозможно. Исследователи поступили по-другому. Они взяли слюнные железы у личинки дрозофилы (а нужно сказать, что картины, описанные Бальбиани, наблюдаются и у других мух и комаров) и покрасили кармином, растворенным в уксусной кислоте. Положили всю железу целиком на предметное стекло, накрыли покровным и надавили. У разных авторов методика несколько отличалась. Американец давил большим пальцем правой руки, а немцы карандашом № 2 фирмы "Фабер". Но результат получился один и тот же.

Ядерные оболочки лопнули, и загадочные структуры расправились. Перед исследователями открылась удивительная картина. От рыхлого, слабо окрашенного центра тянулись длинные ленты. Каждая состояла из ярко окрашенных поперечных полос разной ширины, чередующихся с неокрашенными участками.

Но что представляют собой эти ленты? На хромосомы они похожи не были. Достаточно сказать, что они были примерно в сто раз длиннее и гораздо толще. Кроме того, лент было пять. А хромосом у дрозофилы восемь: шесть больших и две очень мелкие. Когда присмотрелись лучше, увидели совсем маленькую шестую ленточку. Она была такой же ширины, что и остальные, но очень короткой, так что она сливалась с центром. Причем она была одна, не две. Может быть, ленты соответствуют парам хромосом? Но у дрозофилы четыре пары хромосом.

Откуда загадочная цифра шесть? Постойте, да ведь это число хромосомных "плечей" в гаплоидном наборе! У каждой хромосомы есть определенная точка, к которой прикрепляются нити веретена во время деления. Если точка находится посередине хромосомы, то делит ее на два плеча, если на конце, то хромосома состоит из одного плеча. У дрозофилы х-хромосома (она же первая) состоит из одного плеча, вторая и третья - двуплечие и четвертая - точкообразная.

Карта наследственности

Происхождение странных структур начало проясняться. Припомнили разные случаи неполного деления клеток. Бывает, что хромосомы делятся, ядра делятся, а клетки не делятся - получаются двуядерные или многоядерные клетки. А бывает, хромосомы делятся, а ядро нет. Получаются клетки с удвоенным числом хромосом. А почему нельзя себе представить, что хромосомы разделились, но так и остались лежать вместе? Именно этим и объясняется происхождение гигантских хромосом в слюнных железах двукрылых. Гомологичные хромосомы (отцовская и материнская) пришли в контакт, так же как это происходит при делениях созревания половых клеток, и многократно разделились. И все это произошло на стадии, когда хромосомы были полностью деспирализованы, - отсюда и огромная длина этих хромосом.

А что представляют собой поперечные полосы? Это тоже легко объяснилось. Еще раньше на некоторых особенно удобных объектах удавалось наблюдать хромосомы в деспирализованном состоянии. При этом обнаружили, что они представляют собой тончайшие нити (так называемые хромонемы), на которых сидят комочки вещества, хорошо красящегося ядерными красками (их назвали хромомеры). Поперечные полосы на гигантских хромосомах - не что иное, как большое число хромомер, лежащих бок о бок.

Казалось, все говорит в пользу этой гипотезы и происхождение гигантских хромосом иначе не объяснишь. Но ученые народ дотошный: они всегда ищут новых доказательств. Таковые не заставили себя ждать.

Карта наследственности

Уже довольно давно были открыты хромосомные мутации. Этим термином обозначают наследственные изменения, при которых нарушен линейный порядок генов в хромосомах. Один из распространенных типов хромосомных мутаций - так называемые инверсии. Если мы обозначим порядок генов в хромосоме буквами алфавита, то АБВГДЕЖЗИКЛМН будет соответствовать нормальному порядку генов, в инверсии же он будет, например, такой: АБВКИЗЖЕДГЛМН. Средний участок - от Г до К - перевернут на 180 градусов по сравнению с порядком, принятым за нормальный.

Карта наследственности

Что будет, если скрестить нормальных мух с мухами, имеющими инверсию? Ведь мы считаем, что поперечные диски - это ряд одинаковых хромомер, тесно прилегающих друг к другу. Но при таком скрещивании друг против друга окажутся разные хромомеры. Если гипотеза верна, следует ожидать какого-то нового явления. Значит, нужно поставить опыты по скрещиванию мух, имеющих хромосомные мутации, с нормальными.

Сказано - сделано. И хотя для получения личинок нужно лишь несколько дней, "четыре разбойника" с нетерпением ждут момента, когда смогут распотрошить белых "червячков" и нажать большим пальцем правой руки на покровное стеклышко. Наконец, они смотрят в микроскоп, и - о, чудо! - на препаратах появились новые, дотоле не наблюдавшиеся картины. В случае небольших инверсий в определенном месте хромосомы (именно в той, в которой по генетическим данным должна быть инверсия) ясно видна продольная щель. В том участке, где друг против друга лежат разные хромомеры, они не слились. Вернее, слияние произошло отдельно среди "материнских" хромомер и отдельно среди "отцовских", а объединиться они не смогли. Очень хорошо!

Однако при скрещивании мух, имеющих большие инверсии, с нормальными никаких щелей нет: всюду произошло полное слияние хромомер. Как же это могло случиться? Но и здесь хромосомы тоже выглядят ненормально. На них видны большие петли. Так вот оно что! Хромосомы изогнулись таким причудливым образом, что напротив каждой точки одной хромосомы оказалась точно соответствующая точка другой. Рассказать, как все получилось, - сложно. Но это очень ясно видно на рисунке.

Выходит, что действительно каждая "лента" в ядрах слюнных желез состоит из тесно слившихся "отцовских" и "материнских" хромосом и что соединяются друг с другом они строго гомологичными местами. И опять, как уже не раз бывало, получение новых результатов не только подтвердило высказанные предположения, но, кроме того, дало возможность сделать существенный шаг вперед.

Поперечные диски (полосы) на гигантских хромосомах неодинаковы. Одни широкие, другие узкие, некоторые двойные. Кое-где участки хромосомы утолщены. Поэтому на препаратах, о которых мы только что говорили, можно установить, где начинается и где кончается каждая инверсия. Опытный цитогенетик может сделать это с точностью до одного диска.

Были составлены цитологические карты гигантских хромосом дрозофилы. На них изображены, разбиты на отдельные участки и занумерованы все поперечные диски. Таким образом, каждая точка имеет свое условное название, состоящее из букв и цифр. Пользуясь этими картами, ученые четко локализовали точки, в которых произошли инверсии. А потом началось самое интересное: сопоставление генетических карт (построенных, исходя из результатов опытов по кроссинговеру) с цитологическими (полученными путем непосредственного изучения хромосом под микроскопом). Генетические опыты показывали, какие именно гены "перевернуты" в хромосомах соответствующих линий дрозофилы. Цитогенетические опыты говорили, какие диски расположены в обратной последовательности. Сравнивая, можно было сказать, в каких участках хромосомы, видимых в микроскоп, расположены те или иные гены. А в некоторых случаях даже указать вполне определенный диск, в котором локализован данный ген.

Что такое ген - было по-прежнему неизвестно. Один поперечный диск, или к нему относятся прилегающие неокрашенные участки, или в каждом диске запрятаны несколько генов - вопрос оставался открытым. Но можно было совершенно точно говорить о том, что данный ген связан с данной точкой хромосомы. Это было огромной победой.

Сказанное - основы хромосомной теории наследственности, ее "азы". То, с чем мы успели познакомиться, было сделано за очень короткий срок "четырьмя разбойниками" из Колумбийского университета.

На этом можно было бы и закончить главу. Но напрашивается вопрос: а зачем дрозофиле (и другим двукрылым) гигантские хромосомы? Не для того же, чтобы помочь генетикам в разгадке законов наследственности?

Назначение их объясняется довольно просто. Гены, находящиеся в клетках, непрерывно "работают". Они вырабатывают вещества, управляющие всей деятельностью клетки. В разных клетках и в разных условиях разные гены работают то более, то менее интенсивно, а то вообще выключаются. Но как быть, если на клетки ложится повышенная нагрузка? Ведь в нормальных клетках лишь по два гена каждого сорта: Иногда они могут и не справляться с работой.

Природа находит при этом разные выходы из положения: увеличивается число клеток, которые сообща делают большую работу, возникают многоядерные клетки, клетки с увеличенным числом хромосомных наборов... При эволюции двукрылых (мухи и комары) развитие шло по несколько иному пути - образованию "политенных" (многониточных) хромосом. Нужно заметить, что гигантские хромосомы встречаются у этих насекомых не только в слюнных железах, но и в других органах, однако там степень политении меньше, хромосомы далеко не такие гигантские.

Почему особенно велики хромосомы именно в слюнных железах личинок последней стадии, догадаться нетрудно. Ведь основная работа, которой заняты в это время личинки, - изготовление кокона для будущей куколки. Делается этот кокон в течение очень короткого времени, а вещество для его постройки вырабатывается в слюнных железах. На препаратах слюнных желез бросаются в глаза отдельные участки, где хромосомы очень сильно утолщены. Можно думать, что именно здесь и расположены гены, контролирующие образование веществ, из которых плетется кокон.

Можно думать, а можно и не думать. Наука верит только фактам. Но несколько лет тому назад были получены факты, говорящие, что дело обстоит именно так. Первые факты такого рода получены не на дрозофиле, а на мелкой мушке из семейства грибных комариков (Сциара). Исследуя личинок на разных стадиях развития, удалось проследить время появления, развития и исчезновения отдельных вздутий на гигантских хромосомах. Оказалось, что некоторые из этих вздутий начинают развиваться как раз, когда личинка приступает к плетению кокона. А потом исчезают. Убедительно, не правда ли?

Сейчас ведется много работ подобного рода на дрозофиле и на других двукрылых. Особенно на личинках комара-дергуна (латинское название Хирономус). Эти личинки кровавого цвета хорошо известны под названием "мотыль" любому рыболову или аквариумисту. У них гигантские хромосомы слюнных желез еще крупнее, чем у дрозофилы.

Хромосомная теория наследственности ("морганизм", как ее иногда называют) была создана на дрозофиле - объекте, с хозяйственной точки зрения совершенно неинтересном. Даже для превращения виноградного сока в вино она при современной технологии не нужна. Но открытые с ее помощью законы наследственности справедливы не только для дрозофилы (если бы это были лишь "дрозофильные" законы, вряд ли они кого-либо заинтересовали). Они справедливы для всех живых организмов - и для пшеницы, и для крупного рогатого скота, и для человека. Конечно, не всегда то, что справедливо для одного вида организмов, справедливо и для всех. Но что касается хромосомной теории наследственности, то основные ее положения проверены на огромном числе видов. И теперь можно смело утверждать: одни и те же законы управляют наследственностью и у мух и у слонов.