Біологія 11 клас

РОЗДІЛ І РОЗМНОЖЕННЯ


ТЕМА 2. ЗАКОНОМІРНОСТІ СПАДКОВОСТІ


§ 5. СТАНОВЛЕННЯ ГЕНЕТИКИ ЯК НАУКИ, її ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ


Терміни і поняття: генетика; дискретні ознаки; гіпотеза пангенезису; мутація; ген; хромосомна теорія спадковості.

Що вивчає наука генетика. Дивно, але наука про одну з головних властивостей живого: здатність успадковувати і зберігати в ряді поколінь свої ознаки — одна з наймолодших біологічних наук. Предметом її вивчення є не тільки спадковість — здатність зберігати ознаки своїх батьків, а й мінливість — у той самий час відрізнятися від них. Отже, генетика (від грец. генезіс) — наука про закони та механізми спадковості та мінливості.

Люди завжди розуміли, що всі організми передають свої особливі ознаки потомству: у кішки народжуються тільки кошенята, з яєць курки завжди вилуплюються курчата, з насіння рису ніколи не виростає, скажімо, пшениця. Проте наукове розуміння цих, здавалося б, очевидних істин почало формуватися лише близько 100 років тому.

Люди ще у давнину займалися, власне кажучи, прикладною генетикою — селекцією. Приручаючи диких тварин, вони відбирали серед них тих, яких вважали корисними: найрозумніших і найвідданіших собак, найбільш багатих молоком корів, найвитриваліших, жвавих і слухняних коней. Саме від тварин, які мали найбільш бажані людині властивості, одержували потомство, яке успадковувало ознаки батьків. У результаті багатовікової роботи були виведені породи свійських тварин і сорти культурних рослин.

Уявлення про механізми успадкування до виникнення генетики. Почувши слова «чистокровний» або «напівкровка», сучасна людина навіть не замислюється, свідченням чого вони є, як діють механізми спадковості, яка матеріальна субстанція здатна передавати ознаки від батьків нащадкам. Ще близько 150 років тому вчені вважали, що такою субстанцією є речовина, що міститься в крові: змішуючись, як дві рідини, ці «спадкоємні фактори крові» передаються нащадкам.


Мал. 17. Ф. Гальтон.


Ця помилкова гіпотеза про успадкування ознак була названа пангенезисом (від грец. пан — усе і генезіс).Згідно з цією концепцією кожна клітина організму з током крові передає статевій клітині дрібний зародок — гемулу, з якої в майбутньому організмі розвивається така сама клітина. Гіпотезу пангенезису висунув у 1868 р. Ч. Дарвін. Йому просто необхідно було підвести якусь матеріальну основу під явище успадковування ознак. Його двоюрідний брат Френсис Гальтон (1822—1911) дослідним шляхом перевіряв правильність теорії пангенезису. Для цього він переливав кров від темних кроликів світлим, очікуючи, що наявні в крові гемули темнозабарвлених клітин перетворяться в темні плями на шкірках світлих кроликів. Однак гіпотеза не підтвердилася: переливання крові не справило жодного впливу на забарвлення шерсті потомства. Вона була настільки штучною й умоглядною, що навіть сам Ч. Дарвін, який із самого початку вважав гіпотезу пангенезису «тимчасовою», пізніше визнав її хибною у цілому.

Гіпотеза пангенезису нагадувала гіпотезу про успадкування ознак, запропоновану ще античним лікарем Гіппократом. На думку великого еллінського вченого, «насіння» чоловіка й «насіння» жінки створюють усі частини людського тіла, тому воно несе інформацію про всі ці частини. Під час злиття материнського і батьківського «насіння» ознаки батьків вступають у боротьбу, і в дитини проявляється ознака-переможець.

Як формувалася сучасна генетика. 8 березня 1865 р. на засіданні Брюннського (нині місто Брно) товариства натуралістів і лікарів виступив з доповіддю про результати схрещування гороху чеський чернець августинського ордена Грегор Мендель (1822—1884). Чернець розповів про одержані ним дивні кількісні співвідношення жовтих і зелених, зморшкуватих і гладеньких горошин. Виступ доповідача не справив ніякого враження на слухачів. Ніхто з присутніх навіть не підозрював, що став свідком зародження нової науки — цариці біології — генетики, а ім’я доповідача увійде в історію як ім’я її основоположника і його портрети будуть надруковані в усіх підручниках біології. Результати дослідів Менделя спростовували уявлення про те, щоспадкові фактори змішуються, як два розчини, і демонстрували, що ознаки батьків успадковуються окремо, як дискретні (від лат. дискретус — такий, що переривається) ознаки.

Мендель з дитинства захоплювався садівництвом, цікавився рослинами й мріяв викладати природничі науки. Однак, здаючи іспити на звання викладача, одержав незадовільні оцінки з біології і геології. Ще двічі Мендель намагався скласти іспити з біології й щоразу «провалювався». (Цікаво, що б подумали його екзаменатори, зумій заглянути в майбутнє?) Однак Мендель не розчарувався в біології і з захватом займався гібридизацією рослин, вивчав статистичні закономірності розподілу ознак у гібридів. Особливо цікавими виявилися досліди з рослинами гороху, які відрізнялися такими якісними ознаками: насіння гладеньке або зморшкувате, жовте або зелене, форма насінини опукла чи з перетяжками. Потомство, отримане від схрещування рослин різних форм, Мендель підраховував. До нього такого математичного аналізу ніхто не робив. Він опублікував результати своїх досліджень і розіслав їх 40 найвідомішим на той час ботанікам, проте ніхто не знайшов нічого цікавого в роботі чеського ченця. Мендель спробував повторити свої досліди з іншою рослиною — нечуйвітром і з тваринами — бджолами. На жаль,



Мал. 18. Г. Мендель.



Мал. 19. А. Вейсман.

бажаних результатів вони не дали. А причиною було те, що Мендель випадково обрав для дослідів об’єкти, розмноження яких відбувається за допомогою партеногенезу. Як нині зрозуміло, спадковість ознак організмів цих видів не може бути такою, як у гороху. В результаті і сам учений перестав вірити у своє відкриття. Через три роки після історичної доповіді Менделя обрали настоятелем монастиря, і він припинив біологічні дослідження. Вчений так ніколи й не довідався, що опубліковані в матеріалах того самого засідання Брюннського товариства натуралістів і лікарів результати його наукового пошуку через 35 років підтвердилися.

Категоричну незгоду з гіпотезою пангенезису висловив видатний біолог Август Вейсман (1834—1914). Тривалі заняття з мікроскопом сильно ушкодили його зір. Змушений припинити улюблені мікробіологічні дослідження, він присвятив себе теоретичним питанням біології і зробив на той час зухвалі припущення, які згодом виявилися просто геніальними передбаченнями майбутніх відкриттів. Зокрема, саме він висловив гіпотезу, що кількість хромосом у статевих клітинах повинна бути вдвічі меншою, ніж у соматичних. На противагу гіпотезі пангенезису вчений припустив, що зачаткові клітини й клітини тіла — принципово різні. Також він висловив думку, що невідомий тоді спадковий фактор повинен мати дискретну природу. Цю гіпотезу пізніше підтвердило відкриття носіїв спадкової інформації — генів. Вейсман запропонував гіпотезу «безсмертної зародкової плазми», згідно з якою існує «безсмертна часточка життя», яка, на відміну від смертних соматичних клітин, ніколи не вмирає і передається від батьків потомству в низці поколінь.

А. Вейсман справді вніс неабиякий вклад у генетику. Не випадково у Радянському Союзі в 40—50 роках XX ст., коли була заборонена справжня генетика, їй дали лайливу назву: «вейсманізм — менделізм — морганізм». Крім того, вчений зробив значний внесок в еволюційне вчення. Він довів неспадковість набутих за життя механічних ушкоджень; заперечував принцип розвитку під впливом суто внутрішніх причин; визнав головним фактором еволюції природний добір, на допомогу якому приходить, зокрема, і змішання «зародкових плазм» батьків.

На початку XX ст. ботаніки: німецький — Карл Еріх Корренс (1864— 1933), австрійський — Еріх Чермак (1871 —1962) і голландський — Хуго де Фріз (1845—1935) провели серію дослідів з гібридизації рослин, які підтвердили основні висновки Г. Менделя про незалежне спадкування батьківських ознак і про чисельні співвідношення цих ознак у потомстві.

У 1901 р. Фріз увів у біологічну термінологію поняття мутація (від лат. мутаціо — зміна). Сам термін був не новий: у XIX ст. його використовували в геології для позначення різких змін викопних решток тварин. Однак учений застосував цей термін у сучасному значенні: мутація — раптова стрибкоподібна зміна спадкової ознаки.


Мал. 20. X. де Фріз.



Мал. 21. Т. Морган.


Дальший розвиток генетики став лавиноподібним. Щороку вводилися нові поняття, які стали ключовими поняттями сучасної біології. У 1902-1903 pp. У. Саттон висловила думку про те, що «спадкові фактори» перебувають у хромосомах. У 1906 р. англійський натураліст В. Бетсон увів назву нової науки — генетика. У 1909 р. датський ботанік В. Йоханнсен запропонував термін ген (від грец. генос — рід) на позначення структурної та функціональної одиниці спадковості.

У становлення генетики як науки надзвичайно великий внесок зробив Томас Хант Морган (1866-1945). Як не дивно, багато наукових відкриттів ґрунтується не лише на міцних знаннях, талантові й завзятості. Часто для успіху необхідні інтуїція і талан. Наприклад, успіх дослідів Менделя багато в чому зобов’язаний тому, що вчений інтуїтивно обрав для своїх досліджень чудовий об’єкт — горох. А подальша невдача, що змусила Менделя відмовитися від дальших досліджень, стала результатом вибору невдалих піддослідних об’єктів. Морган же для своїх дослідів обрав не просто вдалий, а ідеальний об’єкт, що згодом став найвідомішою генетичною моделлю, — плодову мушку дрозофілу (мал. 22). Вона легко розводиться у неволі; її життєвий цикл становить 10—20 діб; за цей період одна самка дає близько 400 потомків. Плодових мушок легко вивчати протягом усього їхнього життя. Крім того, у клітинах слинних залоз личинок дрозофіл є гігантські хромосоми, дуже зручні для досліджень, оскільки не потребують мікроскопів з надто великим збільшенням.

Свої дослідження Морган розпочав у 1908 році. Спочатку він добував дрозофіл у бакалійних і фруктових крамницях: просто виловлював їх сачком, одержавши дозвіл господарів крамниць, які кепкували з дивака-мухолова. Тридцятип’ятиметрова кімната для дослідів, так звана «fly-room» (мушача кімната) у Колумбійському університеті, де Морган проводив свої дослідження, швидко стала широковідомою. Усе приміщення було заставлене пляшками, банками, плошками й колбами, де літали тисячі мух, копирсалися ненажерливі личинки. Усі ці посудини були обліплені лялечками дрозофіл. Пляшок увесь час не вистачало. Ширилися чутки, що рано-вранці дорогою до лабораторії Морган і його студенти викрадали пляшки для молока, які жителі Манхеттена виставляли ввечері за двері!

Вивчаючи вирощених мух, Морган виявив, що вони відрізняються зовні: крім звичайних червонооких мух, існують білоокі, жовтоокі й навіть мухи з рожевими очима. Бувають мухи з довгими і короткими крилами. Навіть є мухи зі скривленими зморщеними крильцями, не здатні літати. Дрозофіли



Мал. 22. Дрозофіла — найпопулярніший об’єкт генетичних досліджень: а — самець, б — самка.


різняться формою і забарвленням черевця, ніг, антен і навіть щетинок, що вкривають тіло.

Морган схрещував дрозофіл, стежачи за успадкуванням величезної кількості всіх цих ознак. Аналізуючи результати спостережень, він дійшов висновку, що деякі ознаки передаються нащадкам разом. Виходячи з цього, вчений припустив, що гени, які визначають ці «зчеплені» ознаки, не розкидані по всій клітині, а зчеплені в якомусь «острівці». Він встановив: усі спадкові ознаки мушки поділяються на чотири «зчеплені» групи. Вже було відомо, що дрозофіла має чотири пари хромосом. Звідси Морган зробив висновок, що гени локалізуються у хромосомах — у ланцюгах із сотень генів у кожній хромосомі. Вчений висунув постулат: чим більша відстань між двома генами в хромосомі, тим більша ймовірність розриву ланцюга; розташовані близько гени розділяються дуже рідко. Виходячи зі своїх спостережень, Морган склав карти розташування генів у хромосомах мушки дрозофіли. І сталося це вже через рік після прийняття терміна гені.

Крім того, Морган виявив, що деякі ознаки передаються або тільки самцям або тільки самкам. Він зробив висновок, що ці гени локалізовані в хромосомах, які визначають розвиток статі. Так ним було відкрите існування статевих хромосом.

Результатом дослідження Морганом дрозофіл стала хромосомна теорія спадковості. Головний її постулат такий: матеріальною основою спадковості є хромосоми, в яких локалізовані гени.

У 1933 р. Томас Хант Морган був визнаний гідним Нобелівської премії з фізіології і медицини «За відкриття, пов’язані з роллю хромосом у спадковості». Він чи не єдиний з батьків генетики, хто удостоївся такої честі.

Таким чином, історію генетики започаткували два фундаментальних етапи. Перший — гібридологічні дослідження, що почалися з дослідів Менделя. Результатом їх стали докази існування спадкових факторів, які передаються від батьків нащадкам, підпорядковуючись певним математичним законам. Другий — цитологічні дослідження, які ґрунтувалися насамперед на дослідах Моргана і завершилися доведенням того, що носіями спадкових факторів є хромосоми.

Завдання сучасної генетики. Генетика — одна з наймолодших і найперспективніших біологічних дисциплін. Залежно від об’єкта дослідження виділяють генетику рослин, тварин, мікроорганізмів, людини; з огляду на використовувані методи — молекулярну, біохімічну, цитогенетику; відповідно до проблеми, яка стоїть перед окремим напрямом — еволюційну, фізіологічну генетику, генетику розвитку тощо. Генетичні дослідження широко застосовують у медицині, сільському господарстві, мікробіологічній промисловості. Існують галузі прикладної генетики — селекція і генетична інженерія.

Як це не дивно, але головні завдання сучасної генетики не відрізняються від тих, які ставили перед собою Мендель і Морган: 1) механізми зберігання і передачі генетичної інформації від батьків потомству; 2) способи і шляхи реалізації цієї інформації у вигляді ознак і властивостей організмів;

3)     різноманітність типів, причин і механізмів мінливості всіх живих істот;

4)     взаємозв’язки процесів спадковості і мінливості як рушійних факторів еволюції органічного світу.

Генетика є одним з найактуальніших напрямів сучасної біології. Вона виникла трохи менше століття тому. Причиною її стрімкого розвитку стали потреби людства у застосуванні здобутих у межах цієї науки знань як для розвитку інших напрямів біології, так і для розв’язання низки практичних завдань, зокрема виведення нових високопродуктивних порід тварин і високоврожайних сортів рослин, а також для потреб медицини.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити