05. СОЗДАНИЕ ГЕНЕТИКИ ГРЕГОРОМ МЕНДЕЛЕМ. (Лекции по генетике)

ЛЕКЦИЯ 5. СОЗДАНИЕ ГЕНЕТИКИ ГРЕГОРОМ МЕНДЕЛЕМ.

О.Э. Костерин, ИЦиГ СО РАН и ФЕН НГУ, Новосибирск, 2012 г.

Иоганн Мендель родился 22 июля 1822 г. в маленьком городке Хейнцендорф (теперь Гинчице, часть села Вражне) – это историческая область Моравия, тогда принадлежавшая Австро-Венгерской империи в составе провинции Силезия, ныне в Чехии. Он родился в этнически немецкой семье, которая к тому времени в течение 130 лет владела небольшим участком земли и занималась на нем сельским хозяйством. В семье было еще двое детей (сестра Менделя впоследствии была самой толстой женщиной в городке) В детстве Иоганн работал садовником, учился пчеловодству. В 1840 г. он окончил 6 классов гимназии в Тропау, в 1841 г. поступил на философские классы института Ольмюца (ныне Оломоуц), где проучился два года, однако материальное положение семьи было недостаточным для продолжения учебы и в 1843 г., в 21 год (то есть будучи на год старше, чем вы сейчас), Мендель поступил послушником в августинский монастырь Св. Томаса (Томаша, Фомы) в Брюнне (ныне Брно), взяв имя Грегор, а через 4 года принял сан священника. С 1844 по 1848 г. он учился в Брюннском богословском институте, в остальном занимался самообразованием. Сдав аттестацию на звание преподавателя, получил, как ни странно, неудовлетворительные оценки по биологии и геологии. В 1849-1851 гг. преподавал в гимназии в Цнайме математику, латинский и греческий языки. В 1851-53 гг. он обучался зоологии, ботанике, химии и физике в качестве вольнослушателя Венского университета, в том числе у Унгера (одного из первых цитологов мира) и Допплера (физика, именем которого назван известный акустический эффект). Но он покинул университет, формально его не закончив, возможно, в связи с проблемами со здоровьем. В 1854 г. он получил место преподавателя физики и естественной истории в Высшей реальной школе в Брюнне, не имея университетского диплома. Ещё две попытки сдать экзамен по биологии в Вене в 1856 г., чтобы получить диплом Венского университета, окончились провалом, и Мендель оставался без диплома, то есть без ученой степени доктора философии, благодаря чему получал на 40% меньше и в любой момент мог быть заменен.

В 1853 г. Мендель сделал доклад на заседании Зоологического общества в Вене о совке, вредителе крестоцветных. В 1854 г. писал своему преподавателю зоологии о гороховой зерновке, которая тогда свирепствовала в Моравии – что она зимует в горошинах, а не в почве, как полагали, а жук откладывает яйца не в цветок, а позже, на молодой боб, так как в горошинах хорошо виден вход личинки. Таким образом, он уже тогда внимательно интересовался биологией размножения гороха.

Будучи монахом, Мендель по собственной инициативе занимался разными областями естественной истории. Утверждается, что он устроил у себя в жилище «живой уголок», скрещивал там белых и серых мышей, а также горох. В обоих случаях он столкнулся с таким бросавшимся в глаза феноменом, как генетическое расщепление. Кроме того, он, по преданию, нашел какое-то аномальное растение, посадил рядом с нормальным и убедился, что условия существования не изменили их признаков, как того требовала эволюционная теория Ламарка. Такого рода наблюдения должны были натолкнуть его на основные идеи, связанные с константностью и комбинаторикой наследственных признаков. Все это осталось за кадром его знаменитой статьи, которая дает нам уже готовый результат, к которому он пришел за 8 лет упорной работы. Вот портрет Менделя, сделанный в разгар этой работы, 1862 г.

Благодаря содействию аббата Кирилла Франца Наппа, с 1856 по 1863 гг. Мендель проводил в монастырском саду размером 7 х 35 м (примерно 2,5 сотки) опыты на горохе, а также на фасоли. Вот этот садик:

на следующей фотографии он виден в тени слева:

В ходе этих опытов он вырастил и проанализировал 12 980 гибридных растений гороха – но это только то, что упомянуто в статье. Получается примерно полторы тысячи растений в год, что хорошо соответствует площади садика и плотности 60 растений на м².

Его работу отличала строго продуманная, как это сейчас принято называть, методология. Он приобрел семена 34 сортов гороха, высевал их все в течение двух лет и убедился, что эти сорта «константны», то есть их признаки не изменяются, и имеют ненарушенную фертильность. В одном из них он обнаружил примесь другого сорта, полученного от того же торговца. Для опытов Мендель выбрал 22 сорта. Из признаков, которые он называл «типы развития» (вполне глубокомысленно указывая на то, что признаки организма являются результатом особенностей их онтогенеза), он выбрал 7 и сфокусировал свое внимание на наследовании именно этих признаков, а не в целом всего растения.

В ходе своей работы Мендель выяснил, что эти признаки наследуются независимо друг от друга. Сейчас мы можем сказать, что ему очень повезло в его выборе, так как он не столкнулся с феноменом генетического сцепления (который и мы пока еще не разбирали); но равно можем сказать и то, что не повезло - ведь он не стал первооткрывателем еще одного важного феномена. Гаплоидный хромосомный набор гороха включает как раз 7 хромосом, однако совпадение с числом Менделевых признаков чисто случайно – два из Менделевых генов находятся в одной и той же хромосоме, но далеко друг от друга, остальные пять – каждая на своей хромосоме. В учебниках вы можете найти противоречивые утверждения о том, в каких хромосомах лежат эти гены. Дело в том, что, хотя горох и является старейшим генетическим объектом, до 90х годов ХХ столетия для него не существовало надежной генетической карты, покрывающей все группы сцепления (и даже мне самому довелось поучаствовать в пересмотре существовавшей карты), а в настоящее время для гороха сохранилось нелепое положение, при котором имеется разная нумерация хромосом (как различимых под микроскопом объектов) и групп сцепления (как связных отрезков генетической карты), хотя между ними существует взаимооднозначное соответствие. Ниже перечисляются локусы, с которыми работал Мендель: приведены их современные символы (введенные много позже Менделя), номер группы сцепления в скобках, аллели и соответствующие им признаки:

локус i (1): аллели: I – семядоли желтые, i – семядоли зеленые.

локус a (2): аллели: A – оболочка семени (testa) грязно-серая, часто с фиолетовыми крапинками, цветки пурпурные; a – семенная кожура зеленовато-белая, цветки белые.

локус le (3): аллели: Le – растения нормальные; le – междоузлия резко укороченные, за счет чего растения низкорослые (карликовые);

локус fa (4): аллели Fa – растения нормальные, fa – растения с фасциированным стеблем – цветоносы не отходят на каждом узле, а в составе стебля доходят до верхушки растения, где образуют нечто вроде соцветия-метелки;

локус r (5): аллели: R – семена круглые, r – семена морщинистые;

локус gp (5): аллели Gp – стебли и молодые бобы зеленые, gp – стебли и молодые бобы желтые, с возрастом зеленеют.

локус p (7): аллели P – бобы с пергаментным слоем, p – бобы без пергаментного слоя.

Мендель проделал следующее – он получил и изучил гибриды первого поколения, полученные в обоих направлениях гибридизации, в отношении многих отдельных признаков. Затем он давал им самоопылиться и получил гибриды второго поколения, причем не ограничился описанием их признаков, а классифицировал их на генотипы, которые называл «комбинационными сериями», путем выращивание десяти растений из семян, полученных от их самоопыления - то есть гибридов третьего поколения. Для обозначения он пользовался почти современной системой – доминантные аллели он обозначал большой буквой, рецессивные – маленькой. Он пользовался именно терминами «доминантный» и «рецессивный», причем введены они были до него, так как наблюдения о преобладании у некоторых помесей признаков одного из родителей к тому времени уже были известны. Постоянных обозначений признаков он не вводил, обозначая их буквами А, В и С, в зависимости от того, сколько их фигурировало в опыте. Генотип гетерозиготы он записывал, как и мы сейчас, двумя буквами: A a, но генотип гомозиготы записывал одной буквой, что с нашей точки зрения несколько затрудняло понимание. Согласитесь, что современная система, когда мы записываем его также двумя буквами – для понимания легче.

Такой же опыт он проделал для пары признаков «цвет семядолей» и «форма семян», то есть в данном случае он изучил дигибридное скрещивание. Наконец, он добавил к предыдущим признакам еще и признак окраски семян и изучил одновременное наследование трех признаков. При этом от 24 гибридов первого поколения он получил 687 семян и вырастил из них 639 растений второго поколения. Наконец, для таких пар признаков, как цвет семядолей и форма семян и окраска семян и рост растения он скрещивал гибриды первого поколения с каждым из родителей. В работе он также упоминает, что провел в меньшем масштабе такие же эксперименты с признаками «форма бобов», «цвет бобов» и «расположение цветков» и получил аналогичные результаты.

В своей работе Мендель рассмотрел результаты, полученные предшественниками, в свете своей модели. В частности, наблюдавшееся многими высокое разнообразие гибридов он объяснил огромной комбинаторной изменчивостью – даже по рассмотренным им 7 признакам при скрещивании контрастных родителей во втором поколении возникало бы 2 187 разных сочетаний. С другой стороны, имелись факты, когда гибриды некоторых видов растений имели промежуточные признаки, а в последующих поколениях воспроизводили себя, не расщепляясь. Для объяснения таких фактов, известных ему из литературы, Менделю пришлось допустить возможность «перманентного объединения» наследственных элементов, не предполагающего редукцию их количества (об этом несколько подробнее чуть позже). Далее, имелись опыты по «превращению одного вида в другой» путем получения гибридов и последующего скрещивания их с одной из родительских формам в ряду поколений. При этом одни гибриды быстро «превращались» в родительский вид, другие – медленно. Мендель справедливо объяснил разницу в «скорости превращения» количеством доминантных наследственных элементов в том или ином родительском виде.

В 1865 г. Мендель доложил результаты своих опытов Обществу естествоиспытателей Брюнна на двух его заседаниях, 8 февраля и 8 марта. Доклад приняли вежливо, но его значение, а скорее всего и смысл, не были поняты слушателями. Не исключено, что это связано с общепризнанной скромностью самого Менделя, который не подчеркнул это должным образом. Однако истинная причина была, очевидно, в другом. Мендель интересовался численными соотношениями, таким образом, то, чем он занимался, нельзя было назвать иначе как математическая ботаника. Это могло даже насторожить слушателей-биологов, поскольку в донаучные времена была в высшей степени распространена всевозможная нумерология, существовавшая в рамках всевозможной, в том числе и религиозной, мистики. Я встречал в литературе предположение, что в знаменитом соотношении 3:1 слушатели могли усмотреть намек на святую троицу, но дело в том, что в работе Менделя это соотношение фигурирует крайне редко и никак не акцентируется, поскольку он в основном обращал внимание на соотношение генотипов, а не фенотипов, так что домыслы об аллюзиях к троице сами по себе являются позднейшими домыслами.

(Вы не поверите, но с мистическим восприятием менделизма пришлось столкнуться даже лично мне. Мне пришлось рецензировать докторскую диссертацию одного сумасшедшего из нашего ботсада про горечавки, где автор, слыша звон да не зная где он, усматривал Менделево соотношение 3:1 в том, что в таксоне более высокого ранга оказывается чаще всего три таксона более низкого ранга (а если больше, то, по мнению автора, ботаники просто еще не выделили все таксоны необходимых рангов). Только в наше время в роли мистического числа выступает уже не 3, а e – которое очень близко к трем, поэтому автор полагал, что высшие таксоны «стремятся» иметь в своем составе e таксонов более низкого ранга. Вы опять-таки не поверите – диссертация со второго раза была защищена, но, к чести Высшей Аттестационной Комиссии, защита не была утверждена. Однако автор защитил ее уже не по биологии, а по философии. Став в нашей стране обязательной дисциплиной и поддерживая армию преподавателей, которым нужно получать ученые степени, философия, из образца строгости мышления, превратилась в собственную противоположность и в существующем виде способна вместить в себя любую гадость.)

Однако скорее всего, слушателям и читателям Менделя элементарно не хватило образования, чтобы понять этого недоучившегося горе-студента. Он подошел к проблеме наследования как классический физик – предложил стройную формальную модель, которая позволяла делать предсказания. В своем сообщении он сначала рассмотрел ее предсказания для самых простых случаев – моногибридного скрещивания – и продемонстрировал соответствие им полученных результатов. Потом он перешел к более сложным случаям – дигибридным скрещиваниям, и, наконец, к наиболее сложному случаю тригибридного скрещивания, и продемонстрировал соответствие экспериментальных данных и здесь. Теперь представьте себе чувства профессиональных ботаников, которым говорят, что наиболее убедительным свидетельством в пользу диковинной гипотезы является хорошее соответствие экспериментальных численностей такому вот комбинационному ряду (в действительности приведенному в статье Менделя), который при этом называют его очень простым (и он является простым для тех, кто понимает, как к нему пришли, добавляя к одному признаку второй, а затем и третий):

ABC + ABc + AbC + Abc + aBC + aBc + abC + abc + 2 ABCc + 2 AbCc + 2 aBCc +

2 abCc + 2 ABbC + 2 ABbc + 2aBbC + 2 aBbc + 2 AaBC + 2 AaBc + 2 AabC + 2 Aabc +