Генетика

Генетика — это область биологии, изучающая закономерности наследственности и изменчивости живых организмов. Она исследует материальные носители наследственности — гены, причины и закономерности их изменчивости, способы реализации наследственной информации на молекулярном, клеточном и организменном уровнях и изменение наследственных структур в процессе эволюции.

Таким образом, основной задачей генетики является изучение проблем хранения, передачи, реализации и изменчивости наследственной информации.

Изучение генетических проблем осуществляется с применением большого числа методов. Основным их них является гибридологический, или метод скрещиваний, разработанный и примененный Г. Менделем.

Его дополняют следующие методы, имеющие важное самостоятельное значение: цитогенетический, изучающий поведение хромосом при делении; физиологический; биохимический; биофизический; онтогенетический (эмбриологический); молекулярно-генетический; метод культуры клеток и тканей; генеалогический, исследующий закономерности наследования по родословным; близнецовый и др.

Каждый из них действует на определенном уровне организации живой материи в зависимости от специфики исследуемого объекта.

Исследовать генетические проблемы можно практически на любом виде организмов, однако более целесообразно использовать специальные объекты, удовлетворяющие ряду критериев.

К ним относятся короткий период полового созревания, длительный репродуктивный цикл, большое количество половых клеток и, следовательно, потомков, небольшое число цитологически различимых хромосом, существование специальных видов хромосом, удобство культивирования в лабораторных условиях, наличие большого числа четко различимых признаков.

Конечно, далеко не всякий экспериментальный объект характеризуется набором этих свойств. Тем не менее, чем ближе он к идеалу, тем удобнее для изучения.

К числу таких объектов относятся животные (инфузории, дрозофила, мышь, крыса), растения (горох, пшеница), грибы (дрожжи, нейроспора), водоросли (хламидомонада), бактерии (кишечная палочка, сальмонеллы) и вирусы (бактериофаги).

Многие задачи генетики успешно решаются на клеточных культурах объектов разнообразного происхождения — от насекомых до человека.

Важным для генетики является понятие наследственного (генетического) признака. Под генетическим признаком понимают любое свойство объекта, по которому существуют качественные или количественные различия, четко передаваемые из поколения в поколение.

Признаки подразделяются на качественные — их проявления дискретны, четко отличаются одно от другого (например, признак окраски венчика у растений, имеющий проявления в виде красного и белого цветов; форма и расположение цветков (на побеге), а также количественные — проявления таких признаков могут быть измерены, четких различий между ними, как правило, не существует (например, рост, масса тела у млекопитающих; яйценоскость кур; удойность крупного рогатого скота).

Наиболее ярко закономерности наследования проявляются в случае качественных признаков.

Совокупность всех признаков и свойств организма образует фенотип, а все гены, их определяющие, составляют генотип.

Основным носителем наследственной информации является ДНК, которая в ассоциации с белками образует особые структуры, называемые хромосомами.

Генетика прошла в своем развитии семь основных этапов. Перечислим их (более подробно историческая часть рассмотрена в разделе “История биологических знаний”.

Г. Мендель 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. В результате он установил: в зародышевую клетку поступают два наследственных фактора — от каждого из родителей.

Если они не одинаковые, то у гибрида проявляется один, доминантный (преобладающий), признак — гладкость. Рецессивный (уступающий) остается какбы в скрытом состоянии. В последующем поколении признаки распределяются в соотношении 3 : 1. Результаты исследования Менделя, опубликованные в 1865 г., не обратили на себя никакого внимания, и законы наследственности были повторно открыты только после 1900 г.

А. Вейсман показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани.

Х. де Фриз открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникали вследствие мутаций. Мутация — это частичное изменение структуры гена. Конечный ее эффект — изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами.

Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайными.

Т. Морган создал хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому биологическому виду присуще свое строго определенное количество хромосом.

Г. Меллер установил, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации (генетическая инженерия) с их возможностями и опасностями вмешательства в генетический механизм.

Д. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. предложили модель молекулярной стуктуры ДНК и механизма ее репликации.

То, что именно ДНК — носитель наследственной информации, выяснилось в середине 1940-х гг., когда после перенесения ДНК одного штамма бактерий в другой в нем стали появляться бактерии штамма, чья ДНК была взята.

Чуть позже был открыт триплетный перекрывающийся генетический код, универсальный для всех организмов, и ядро стало пониматься как орган управления, содержащий всю информацию о клетке.

Законы Менделя

Основоположником генетики, как уже отмечалось, является Г. Мендель, который впервые применил исключительно эффективный метод исследования — гибридологический.

Сущность его заключается в скрещивании организмов, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признакам, и детальном анализе потомства. Такие исследования позволили Г. Менделю сформулировать законы наследования.

Первый закон, или закон единообразия: у гибридов первого поколения проявляются признаки только одного родителя (доминантный признак), не проявляющиеся при этом признаки Мендель назвал рецессивными.

Второй закон, или закон расщепления: в потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения, наблюдается явление расщепления (в соотношении 3 : 1); в случае полного доминирования четверть особей из гибридов второго поколения имеет рецессивный признак, три четверти — доминантный.

Третий закон, или закон независимого наследования: каждая пара признаков наследуется независимо от других пар; расщепление по каждой паре генов (в соотношении 3 : 1) идет независимо от других пар генов.

Законы генетики носят статистический характер, так как сочетание генов имеет случайный характер, а результат скрещивания будет тем ближе к ожидаемому, чем больше число потомков.

Признаки организма, как уже отмечалось, можно подразделить на качественные и количественные. Качественные признаки устанавливаются описательным путем (окраска, форма, масть, половые различия). Наследование качественных признаков происходит по законам Менделя.

В процессе эволюции происходит направленное изменение фенотипа и генотипа вследствие размножения организмов. Приспособленность к определенным условиям среды не означает прекращения естественного отбора в популяции. Существует форма отбора, которая постоянно исключает отклоняющихся от нормы особей, — так называемый стабилизирующий отбор.