Как говорилось ранее, клеточное строение растений и живых организмов уже давно ни для кого не было секретом. К 1838 г. немецкие ученые Маттиас Шлейден (1804–1881 гг.) и Теодор Шванн (1810–1882 гг.) сформулировали основы так называемой клеточной теории. Она не просто подтвердила клеточное строение животных и растений. Шлейден и Шванн констатировали: рост и развитие немыслимы без возникновения новых клеток, причем строение клеток растений, бактерий, животных весьма схоже. За несколько лет до этого британский ботаник Роберт Броун (1773–1858 гг.), рассматривая клетки орхидеи, углядел в каждой из них ядро в виде маленькой темной точки и предположил, что оно является постоянной частью любой растительной клетки.
На самом деле фамилия ученого – Браун, но в русском языке утвердилось именно такое написание. Он же – первооткрыватель броуновского движения.
Рудольф Вирхов (1821–1902 гг.), немецкий биолог, патологоанатом и физиолог, обратил внимание на связь клеток с патологическими болезненными состояниями организма и стал основателем нового направления – целлюлярной (клеточной] патологии. Согласно результатам исследований Вирхова, любой сбой в работе организма, любая болезненная патология объясняются нарушениями жизнедеятельности клеток. По сути клетка – это отдельный организм, имеющий все необходимое для своего жизнеобеспечения. Вирхова критиковали за чрезмерное выпячивание значимости отдельной клетки – мол, он низвел целый организм до простой совокупности «кирпичиков», не уделив внимания согласованности всех его систем. Но его заслуги перед наукой (он подробно описал физиологические основы нескольких десятков серьезных заболеваний) многократно перевесили критику.
Начиная с 1840-х гг. цитология (от греч. κύτος – клетка; λόγος – наука; учение о клетке) бурно развивалась и была выделена в отдельную отрасль биологии. Благодаря совершенствованию лабораторной техники стали возможны все более и более тонкие наблюдения, и постепенно клетка начала открывать исследователям свои тайны. Выяснилось, что новые клетки образуются путем деления уже имеющихся, а самыми главными их частями следует считать цитоплазму (содержимое клеточной оболочки) и ядро, а не оболочку, как предполагали многие ученые ранее. Именно цитоплазма объединяет в сложнейшую систему все элементы клетки и обеспечивает бесперебойное протекание всех биохимических процессов.
Что касается ядра, то результаты его исследований были поистине революционными. Немецкий ученый Вальтер Флемминг (1843–1905 гг.) в 1870-х гг. при помощи анилиновых красителей обнаружил, что в ядрах клеток имеется некая субстанция, способная интенсивно впитывать эти красители. Он дал ей название «хроматин». Объектом интереса Флемминга также был процесс клеточного деления, который он подробнейшим образом изучил и представил в своей работе «Клеточная материя, ядро и деление клетки». Исследователь обратил внимание, что в хроматине содержатся структуры, напоминающие короткие нити или низки бус – впоследствии их назовут хромосомами. Первоначально же их именовали сегментами, или хроматиновыми элементами. Кстати, многие историки науки оспаривают тот факт, что именно Флемминг был первооткрывателем хромосом. Дело в том, что практически одновременно эти элементы обнаружили и описали Эдуард Страсбургер, Отто Бючли и Иван Чистяков, а термин «хромосома» появился только в 1888 г. благодаря Генриху Вальдейеру.
В общем, к концу XIX в. биологи накопили внушительный научный багаж. Но вернемся к исследованиям Августа Вейсмана.
В 1892 г. вышел его «Очерк о наследственности и связанных с ней биологических вопросах». В этой работе ученый использует термин «зародышевая плазма» – так он обозначил субстанцию, которая, по его мнению, отвечает за хранение и передачу наследственной информации. Зародышевая плазма постоянна, неизменна и не подвержена никакому внешнему воздействию. Ее назначение – сохранять наследственные зачатки, из которых потом будет развиваться плазма телесная, которая составит все остальные части нового организма. Но где конкретно содержится зародышевая плазма? Вейсман предполагал, что в хроматине ядра, точнее в хромосомах. Так как еще Флемминг и Страсбургер достаточно подробно описали деление хромосом в процессе деления клетки, Август Вейсман сделал вывод, что, вероятнее всего, эти элементы играют ключевую роль в наследственности. Обратите внимание: Вейсман не писал ни о генах (это понятие тогда еще не существовало), ни об особых закономерностях проявления отдельных наследственных признаков. Он создал сложную и громоздкую структуру описания зародышевой плазмы, которая, по его мнению, состояла из биофор, детерминант, идант (их он отождествлял с хромосомами) и так далее. Но его умозрительные предположения предвосхитили хромосомную теорию наследственности, которую уже в XX в. будут разрабатывать Теодор Бовери, Уолтер Саттон, Томас Морган. Вейсман практически на блюдечке преподнес исследователям будущего «образ» некой единицы наследственности, которой впоследствии будет суждено именоваться геном.
Ну а как же, по теории Вейсмана, у представителей того или иного вида возникают новые признаки? Ведь опыт с мышиными хвостами вроде бы доказал малозначимость внешнего воздействия? Август Вейсман считал, что наследственность можно изменить, если воздействовать непосредственно на зародышевую плазму.
Часть II. Век генетики: становление и развитие науки
2.1. Начало генетики. Грегор Мендель: открытия великие, но незамеченные
Итак, к концу XIX в. ученые были как никогда близки к тому чтобы открыть все тайны наследственности: были выделены и описаны практически все элементы клетки, предположена связь хромосом с передачей признаков от родителей потомству Но закономерности в проявлении тех или иных признаков по-прежнему не просматривались. По крайней мере, официально. Интересный исторический казус: когда Август Вейсман, Вальтер Флемминг и Генрих Вальдейер проводили свои исследования и пытались найти ответы на вопросы, связанные с наследственностью, августинский монах Грегор Мендель в городе Брюнне (в то время Австрийская империя; в настоящее время – город Брно, Чехия) давно уже вывел главные правила наследования разнообразных признаков, применив для установления закономерностей математические методы. Но его открытия, ставшие мостиком от гипотез XIX в. к современной генетике, при жизни исследователя рассмотрены и оценены не были… Впрочем, обо всем по порядку.
Грегор Мендель родился в 1822 г. в Моравии, происходил из бедной крестьянской семьи и при крещении получил имя Иоганн. С раннего детства мальчик проявлял способности к обучению и интерес к наукам, но из-за тяжелого материального положения семейства не смог в юности завершить образование и в 1843 г. постригся в монахи Августинского монастыря святого Фомы, взяв монашеское имя Грегор. Здесь он получил возможность изучать биологию, которую страстно любил. Казалось бы, странное занятие для монаха. Ничего удивительного: августинцы уделяли особое внимание образованию и просвещению – в первую очередь, конечно, религиозному, но монастырь в Брюнне шел в ногу со временем. Там была великолепная библиотека, лаборатории, обширные коллекции научных приборов и главное – прекрасные сады и оранжереи, в которых Мендель проводил большую часть времени. Заинтересовавшись вопросами наследственности, он обратился к работам своих предшественников. Отдавая должное их трудам, Грегор Мендель справедливо замечал, что каких-либо закономерностей в скрещивании и проявлении у гибридов тех или иных признаков они так и не нашли.
Есть ли вообще какой-либо общий закон, устанавливающий, какими именно будут цветы у гибридных роз или душистого горошка? Можно ли спрогнозировать, какой масти будут котята от кота и кошки, различающихся по цвету и структуре шерсти? Наконец, можно ли математически просчитать, в каком поколении и с какой частотой проявится тот или иной признак?
Для опытов Грегор Мендель по примеру Томаса Эндрю Найта избрал самый обычный садовый, или посевной горох (Pisum sativum). Это самоопыляемое растение: в обычных условиях пыльца с тычинок цветка переносится на пестик того же цветка (в отличие от перекрестного опыления, при котором пыльца должна переноситься с одного растения на другое).
В генетике к самоопыляемым относят растения, у которых опыление происходит между разными цветками одного и того же экземпляра.
Исследователь счел, что такая особенность обеспечит чистоту опыта, ведь при самоопылении семена и плоды получают определенные признаки только от одного растения. Следовательно, опыляя горох искусственно, перенося пыльцу с одного экземпляра на другой, можно сократить число непредвиденных случайностей и целенаправленно использовать только те растения, которые интересуют нас как подопытные. Кроме того, горох обладает набором разнообразных и хорошо узнаваемых признаков: цвет семян, форма стручка, высота стебля. Взаимно опыляя горох с резко отличающимися признаками, Мендель намеревался, получив гибридные образцы, вывести закономерности наследования. Он начал с того, что распределил выбранные им растения по следующим признакам:
• по длине (высоте) стебля: высокие либо низкорослые;
• по расположению цветков: вдоль стебля или в основном на его верхушке;
• по цвету стручков (желтые или зеленые);
• по форме семян (гладкая либо морщинистая);
• по цвету семян (желтый или зеленый) и так далее.
Затем были восемь лет опытов, несколько десятков тысяч исходных растений и гибридов, сложные вычисления и статистические таблицы. Грегор Мендель скрещивал растения с резко различающимися признаками: например, выбирал родителей, у одного из которых семена были гладкие, а у другого – морщинистые.
В первую очередь он обратил внимание на то, что в первом поколении гибриды проявляли в той или иной своей части признаки только одного родителя. При скрещивании растения с желтыми семенами и растения с зелеными семенами у гибрида не было желто-зеленых либо пестрых семян – их цвет полностью наследовался от одного родителя. Таким образом, Мендель обогатил лексикон будущих генетиков важными терминами: признаки, которые проявлялись в первом гибридном поколении, он назвал доминантными; а те, которые отошли на второй план и не отразились в первом поколении гибридов, – рецессивными.