Валерия Черепенчук - Генетика за 1 час
Уже во времена Аристотеля греческие ученые выяснили, что для разных видов растений предпочтительнее разные способы размножения: семенами, черенками, делением клубня. Семена во многих древних источниках названы «зачатками», то есть в общих чертах жизненный цикл большинства растений был понятен человечеству. Но при этом на протяжении еще многих столетий – не только в эпоху Древнего мира – существовало представление о том, что некоторые виды (причем не только растений, но и насекомых, и животных) могут самозарождаться – в земле, навозе, кучах мусора…
Эпоха Средневековья с ее отторжением языческих представлений, в том числе и наук Древней Греции и Древнего Востока, также не внесла большого вклада в систему знаний о наследственности в среде растений и животных.
Лишь на рубеже XVII–XVIII вв. было доказано: растения обладают подобием половых органов, а процесс опыления – не что иное, как аналог зачатия у животных и человека. В 1694 г. была издана книга De Sexu Plantarum Epistola («О поле у растений»), написанная немецким врачом и ботаником Рудольфом Камерариусом (1665–1721 гг.). Исследуя размножение растений, он изолировал в период цветения женские растения от мужских, а у тех, которые обладали «разнополыми» цветками, удалял мужские. В итоге плоды и семена не развивались. Именно Камерариус обозначил пестики цветков как мужские половые органы, а тычинки – как женские и во главу угла в вопросе размножения растений поставил опыление. Правда, он не особо продвинулся в изучении взаимного опыления как в рамках одного вида, так и межвидового. Развивать идеи немецкого биолога было суждено другим исследователям.
Многие открытия Нового времени в области наследственности были бы невозможны, если бы англичанин Роберт Гук в 1665 г. не ввел понятие «клетка» (именно он первым рассмотрел в микроскоп клетки пробкового дерева), а голландец Антоний ван Левенгук в 1674 г. не заявил о существовании одноклеточных микроорганизмов, а также не описал половые клетки – сперматозоиды. Интуитивная селекция доживала последние дни.
1.3. Зародыш – готовый организм или сгусток тканей? Борьба гипотез в XVII–XVIII веках
Достаточно ли признать наличие половых клеток у разнообразных организмов для того, чтобы раскрыть все тайны воспроизведения и наследственности? Конечно, нет. В любой сфере науки существует множество пересекающихся вопросов и проблем, и далеко не всегда решение одного из них способствует раскрытию всех остальных…
В XVII–XVIII вв. параллельно с изучением гибридизации и наследственности разгорался очередной спор о том, как, собственно, происходит развитие нового организма – не только у гибридов, но и при размножении в рамках одного вида или породы. На «поле боя» сошлись две теории – эпигенетическая и преформистская.
Термин «эпигенез» (от греч. epi – после, genesis – развитие, возникновение) появился благодаря англичанину Уильяму Гарвею (1578–1657 гг.), который известен, прежде всего, как автор исследований о работе сердца и движении крови. Гарвей является также основоположником эмбриологии. Согласно его теории, изложенной в труде Exercitationes de generatione animalium («Исследование о зарождении животных», 1651 г.), зародыш претерпевает ряд последовательных изменений, в ходе которых формируется новый организм – возникает из некоей «первоосновы» путем многих трансформаций.
Антоний ван Левенгук (художник Ян Верколье, ок. 1680 г.)
В отличие от эпигенетической, теория преформизма (от лат. ргае – перед, до; forma – вид; то есть заранее образованное, заранее сформированное) утверждает, что все структуры, характерные для полностью развитого организма, имеются в зародыше. То есть любое живое существо на всех стадиях развития обладает полным набором органов, характерных для взрослой сформированной особи. И процесс развития зародыша – человеческого, животного, растительного – это всего лишь увеличение его размеров. Не правда ли, можно сделать вывод, что отчасти идеи, схожие с теорией преформизма, имели место еще в античности? Вспомним хотя бы рассуждения Анаксагора.
С легкой руки Антония ван Левенгука, предположившего, что головка сперматозоида представляет собой уменьшенную копию исходного организма, спермин человека и животных в трудах того времени часто изображали в виде крошечных свернувшихся калачиком собачек, лошадок, человечков. Но не все ученые считали сперматозоид «местом преформирования» зародыша. Например, Ренье де Грааф (1641–1673 гг.), изучавший строение женских яичников, и Марчелло Мальпиги (1628–1694 гг.), основывавший свои выводы на препарировании куриных яиц, считали таковым женскую половую клетку.
Преформисты, правда, не могли объяснить, почему гибрид зачастую имеет сходство и с отцовским, и с материнским организмом, а также почему иногда на свет появляются слабые, нежизнеспособные или уродливые особи. Ведь если внешний вид и внутреннее строение предопределены заранее, чем объяснить подобные капризы природы? Наиболее популярным объяснением появления уродств тогда было травмирующее воздействие: например, повреждение растения во время формирования плодов или травма, перенесенная беременной женщиной.
Иногда все объясняли простой случайностью и, конечно же, происками нечистой силы!
Исследователей также сбивал с толку тот факт, что какой-либо признак, унаследованный потомством от одного из родителей, может в последующих поколениях то угасать, то проявляться более явно – закономерности таких явлений все еще оставались тайной.
Сложность заключалась и в том, что вплоть до 30-х гг. XVIII в., когда вышла в свет книга Линнея «Система природы», не существовало четкого разграничения понятий «род» и «вид», не были сформулированы основные их признаки и определения. Именно Карл Линней систематизировал доступные ему на тот момент знания о разнообразии животного и растительного мира, объединив сходные виды в роды, роды – в отряды, отряды – в классы и так далее. Но окончательно понятие «вид» сложилось лишь через два с лишним столетия.
Линней очень интересовался вопросами гибридизации. Проведя ряд опытов по скрещиванию растений и пронаблюдав за появлением гибридного потомства у животных, он пришел к выводу, что сочетание отцовских и материнских признаков подчиняется довольно простому правилу: внутреннее строение «помеси» наследуется от матери, а наружное – покровы, внешний вид, качество и цвет шерсти у животных – от отца. Конечно, такой взгляд сейчас представляется крайне упрощенным.
К концу XVII в. преобладало учение о преформации. Новые и, как тогда казалось, бесспорные подтверждения, оно получило после подробного изучения и описания живых существ, которым для размножения не требовался половой контакт между двумя особями, например, гидры или некоторых видов червей.
Новый виток в развитии теорий о формировании новых организмов произошел благодаря изысканиям французов Пьера Луи Моро де Мопертюи (1698–1759 гг.) и Жоржа-Луи де Бюффона (1707–1788 гг.). Первый, рассуждая о вопросах размножения и критикуя преформизм, утверждал, что в женском и мужском семени содержатся неисчислимые крошечные частицы, которые при оплодотворении перемешиваются и формируют эмбрион. Следовательно, он унаследует признаки обоих исходных организмов. Мопертюи предвосхитил многие вопросы будущей научной генетики: так, он писал о доминировании одних внешних признаков над другими, признавал возможными спонтанные изменения во внешнем или внутреннем строении растения либо организма – через много лет они будут называться мутациями.
Что же касается Бюффона, то он, подобно Мопертюи, был уверен в существовании «семенных жидкостей», имеющихся как у мужских, так и у женских организмов животных и человека. Сходство детей с родителями, по его мнению, объяснялось тем, что семенная жидкость содержит некие органические частицы, являющиеся как бы уменьшенными копиями органов и систем взрослого организма. При формировании плода они «взаимно притягиваются» и создают новое маленькое существо.
Как видим, выводы исследователей XVII–XVIII вв. были во многом интуитивны и умозрительны. Это не их вина, ответить на значительную часть вопросов попросту не позволял уровень развития лабораторной техники…
1.4. Йозеф Кёльрейтер: успехи искусственного скрещивания
Вернемся к истории изучения гибридизации растений. Как мы помним, еще в государствах древнего Востока для повышения урожая применяли дополнительное искусственное опыление, хотя научно это никак обосновано не было и получением гибридов, вероятнее всего, никто не занимался. Земледельцев интересовало лишь увеличение урожайности.
В более поздние времена, на рубеже XVII–XVIII вв., в странах с развитым земледелием и растениеводством естествоиспытатели описывали случаи появления гибридных растений. В частности, если на соседних полях выращивали кукурузу с цветами разных оттенков, то потом констатировали, что на поле с белой кукурузой появляются растения, например, с розовыми или голубыми бутонами. Но исчерпывающего объяснения этот факт тогда не получил. Высказывались предположения, что смешение окраски происходит через почву и корни.
