I. Грегор Мендель

Примерно сто лет назад в Брно (Чехословакия) преподавал физику и естественную историю монах Грегор Мендель (фото 1, см. вклейку), которому после смерти было суждено стать одним из самых известных биологов мира. В свободное время он выращивал горох в монастырском саду. Делал он это из научной любознательности, а не потому, что садоводство его увлекало. Его очень интересовали удивительные проявления наследственности, о которых, как он полагал, можно было что-то узнать, экспериментируя с горохом. Мендель выбрал обычный огородный горох потому, что, во-первых, его легко выращивать, и, во-вторых, он представлен многими разновидностями.

Фото 1. Грегор Мендель

Каждый эксперимент - это вопрос, обращенный к природе. Даст ли природа четкий ответ - зависит от постановки вопроса. Нечетко или сложно поставленный вопрос приведет к неясному ответу. И, наоборот, четкий, простой вопрос скорее приведет к ясному и простому ответу. Мендель задавал природе именно такие вопросы, и это в значительной степени определило его успех.

Если я скрещу между собой две разновидности гороха, которые различаются по определенному признаку, то каким окажется их потомство? Этот вопрос был первым вопросом Менделя.

Позвольте мне объяснить, что подразумевается под "потомством" двух разновидностей гороха. В цветке гороха вы найдете тычинки с пыльниками и пестик (рис. 1). Пыльники производят желтую пыльцу, состоящую из множества очень маленьких пыльцевых зерен. Пестик в своей нижней части несет завязь с семяпочками (ovules - маленькие яйца). Тонкий столбик связывает эту часть пестика с липким рыльцем. Когда пыльцевые зерна попадают на рыльце, они прорастают узкими трубками, которые прокладывают себе путь через столбик внутрь завязи. После слияния трубки с семяпочкой мы говорим, что семяпочка "оплодотворена". Позднее мы увидим, что именно при этом подразумевается. Оплодотворенная семяпочка развивается в семя, которое обычно называют горошиной. Боб содержит столько горошин, сколько было оплодотворено семяпочек в цветке. Горошины можно рассматривать как потомство растения. Они растут внутри боба, как дети в чреве матери. Когда семена освобождаются из боба и прорастают, они образуют растения следующего поколения, подобно младенцам, которые развиваются в мужчин и женщин следующего поколения.

Рис. 1. Цветок гороха, в разрезе

Горох - самооплодотворяющееся растение. Это означает, что пыльца из пыльников попадает на рыльце того же самого цветка, прежде чем он раскроется. Следовательно, одно растение является одновременно и отцовским, и материнским. Иное мы наблюдаем у растений с перекрестным оплодотворением, у таких, как роза или кукуруза. У них насекомые или ветер переносят пыльцу от одного растения к другому. У гороха, как и у всех самооплодотворяющихся растений, перекрестное оплодотворение может быть произведено только искусственно. Это делается следующим образом: в цветках одного растения (материнского) пыльники удаляют до того, как из них высыпается пыльца. Затем пыльцу из другого растения (отцовского) собирают и переносят кисточкой на рыльце материнского растения. Горошины, которые развиваются на материнском растении, являются потомством обоих растений.

Мендель скрещивал между собой несколько разновидностей гороха. Рассмотрим три эксперимента и полученные им результаты.

Сначала он скрещивал две разновидности гороха с гладкими и морщинистыми горошинами. Все горошины, выросшие на материнском растении (т. е. все потомство), оказались гладкими.

Затем он скрещивал разновидности гороха с высокими и карликовыми растениями. Все горошины, образовавшиеся в результате такого скрещивания, дали высокие растения.

Наконец, он скрещивал разновидности гороха с красными и белыми цветками. Все образовавшиеся горошины дали растения с красными цветками.

Ни в одном из этих скрещиваний не имело значения, какое растение было материнским, какое отцовским. Например, независимо от того, было ли материнское растение высоким, а отцовское - карликовым, или наоборот, результаты оставались теми же: потомство состояло из высоких растений.

Мендель провел всего семь скрещиваний между растениями, отличающимися друг от друга одной характерной особенностью, или, как говорят генетики, по одному признаку. В каждом случае потомство напоминало одного из родителей и не имело признака другого родителя. Мендель ввел два новых слова для описания этого явления. Он использовал термин доминантный для признака, который выявлялся в потомстве, и термин рецессивный (от глагола удаляться, отступать) для признака, который казался исчезнувшим. Таким образом, гладкие горошины, высокие стебли и красные цветки являются доминантными признаками, а морщинистые горошины, карликовые стебли и белые цветки - рецессивными.

Мендель считал, что оба признака - и доминантный, и рецессивный - каким-то образом присутствовали у потомства, но доминантный признак подавлял рецессивный. Если это правильно, то естественно предположить, что рецессивный признак может вновь появиться в следующем поколении. Это и было вторым вопросом Менделя. Воспользовавшись общепринятыми сокращениями: Р₁ - родители, F₁ - дети (первое дочернее поколение), F₂ - внуки (второе дочернее поколение), сформулируем второй вопрос Менделя проще: появится ли вновь в F₂ рецессивный признак, который исчез в F₁.

Эксперимент для ответа на этот вопрос был проще, чем первый, так как не требовал трудоемкого скрещивания между растениями. Растения F₁ (дети) - самооплодотворяющиеся, поэтому Мендель должен был лишь дождаться, когда у них в свою очередь образуются бобы с горошинами. Эти горошины и выросшие из них растения и были внуками (F₂).

Полученные результаты подтвердили правильность предположения Менделя (рис. 2). В каждом из семи скрещиваний горошины или растения с рецессивным признаком появлялись в F₂. Более того, была выявлена четкая закономерность в соотношениях растений F₂ с доминантными и рецессивными признаками. Если мы используем знак × для обозначения слов "скрещенный с", то результаты первых трех скрещиваний сможем записать так, как показано в табл. 1

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая один из экспериментов Менделя

Таблица 1

Из табл. 1 видно, что растений с доминантными признаками примерно в 3 раза больше, чем с рецессивными Мендель был очень удивлен этим обстоятельством. Обладая необходимой математической подготовкой, он попытался найти объяснение такому соотношению (3:1) и нашел его. Теперь мы знаем, что объяснение Менделя было правильным, но он слишком опередил свое время, чтобы ему поверили и тем более поняли его. Поэтому работа Менделя не была признана при его жизни, и ее забыли. В 1900 г., однако, три ботаника, работая в разных странах (Австрия, Германия, Голландия), вновь открыли работу Менделя. К тому времени цитологи - ученые, которые исследуют клетку под микроскопом, - сделали открытия, позволившие понять полученные Менделем результаты. Биологи были готовы принять его идеи и проверить их в дальнейших экспериментах. 1900-й год поэтому считается годом рождения современной генетики (в 1950 г. генетики праздновали полувековой юбилей своей науки).

Теперь забудем на время Менделя и его горох и подойдем к генетике совсем с другой стороны, а именно - со стороны цитологии. Это в конечном счете приведет нас опять к Менделю.

Выводы

1. Признак в генетическом смысле - это любая особенность, которую можно использовать при описании организма. Примерами признаков являются высота, вес, умственные способности, цвет глаз, форма листьев.

2. Мендель изучал наследственность, экспериментируя с горохом. Он скрещивал разновидности гороха, которые различались по одному признаку, например по окраске цветков. При всех скрещиваниях в F₁ (дети) проявлялся только один из двух признаков; другой признак, казалось бы, исчезал. Мендель использовал термины доминантный - для признака, который проявлялся у детей, и рецессивный - для признака, который не проявлялся.

3. Затем путем самооплодотворения он получал F₂ (внучатое поколение). При всех скрещиваниях рецессивный признак вновь появлялся в F₂, но внуков с доминантным признаком было примерно в 3 раза больше, чем внуков с рецессивным признаком.

4. Мендель объяснил результаты своих опытов правильно, но это объяснение в то время не оценили, так как оно слишком опередило его время. В 1900 г. работа Менделя была вновь открыта. К этому времени достижения в области цитологии позволили понять идеи Менделя.