БСЭ. Большая Советская Энциклопедия (ГЕ)

Андрогенез ).

  Закономерности дискретного наследования.Один из фундаментальных принципов Г. - дискретность наследственных факторов, определяющих развитие признаков и свойств. Признаки родительских особей при скрещивании не уничтожаются и не смешиваются. Развиваясь у гибридных особей первого поколения либо в форме, характерной для одного из родителей, либо в промежуточной форме, они вновь проявляются в определённых соотношениях в последующих поколениях, как это было впервые показано Г. Менделем. Скрещивая расы садового гороха, различающиеся по окраске семядолей (жёлтые и зелёные), Мендель наблюдал, что все гибридные семена первого поколения имели жёлтые семядоли; семена второго поколения, получаемые при самоопылении растений первого поколения, имели и жёлтые и зелёные семядоли; отношение между количествами таких семян равнялось 3:1. Это явление называется расщеплением. Признак, подавляющий у гибридов первого поколения развитие контрастирующего признака (жёлтая окраска семядолей), называется доминантным, подавляемый признак (зелёная окраска семядолей) - рецессивным. Семена второго поколения, имеющие жёлтую окраску семядолей, генетически неоднородны. Треть этих семян константна в отношении признака жёлтой окраски семядолей, растения же, развивающиеся из остальных ²/ ₃жёлтых семян, при самоопылении вновь расщепляются по окраске семян в отношении 3:1. Зелёные семена генетически однородны: при самоопылении растений, развивающихся из таких семян, расщепление отсутствует и все они дают только зелёные семена.

  Для удобства анализа явлений наследования признаков Мендель ввёл буквенную символику. Гены доминантных признаков обозначаются заглавными буквами алфавита, рецессивных - строчными. Наследственную основу организма, константного в отношении какого-либо доминантного признака, можно обозначить формулой АА, генетическая формула организма с рецессивным признаком - аа. При скрещивании организмов ААґ аавозникает гибридная форма, наследственную основу которой можно выразить формулой Аа. Буквы Аи аобозначают соответственно гены, влияющие на развитие одного и того же признака, в данном примере - окраску семядолей. Организмы, несущие только гены, обусловливающие развитие доминантного ( АА) или рецессивного ( aa) признака, называются гомозиготными; организмы, несущие и те и другие гены ( Aa), - гетерозиготными. Гены, занимающие одно и то же положение в гомологичных xpoмоcoмax и влияющие на развитие одних и тех же признаков, называют аллельными генами (см. Аллели ). Явление расщепления признаков гибридных (гетерозиготных) организмов основано на том, что половые клетки (гаметы) гибридов несут только один из двух полученных ими от родителей аллельных генов (либо А, либо а). В этом состоит принцип чистоты гамет, отражающий дискретность структуры наследственного материала. Чистота гамет объясняется расхождением в мейозе гомологичных хромосом и локализованных в них аллельных генов в дочерние клетки, а числовые соотношения типов в потомстве от скрещивания гетерозиготных особей - равной вероятностью встречи гамет и заключённых в них генов при оплодотворении.

  Если вести анализ только по одному признаку, то обнаруживаются два типа потомков: один - с доминантным, другой - с рецессивным признаком (в отношении 3:1); если же учесть генетическую структуру организмов, то можно различить уже три типа потомков: 1 AA(гомозиготные по доминантному признаку), 1 Aa(гетерозиготные), 1 aa(гомозиготные по рецессивному признаку). Проведённый Менделем анализ наследования двух разных признаков (например, окраски семядолей и формы семян гороха) показал, что в потомстве гибридных (гетерозиготных) особей имеет место расщепление по обоим этим признакам, причём оба они комбинируются во втором поколении потомков независимо один от другого. Поскольку при расщеплении по каждому признаку возникают два типа потомков в отношении 3:1, то для случая двух независимо наследуемых признаков во втором поколении - четыре типа потомков в отношении: (3+ 1)ґ(3 +1)=9+3+3+1, т. е. ⁹/ ₁₆потомков с обоими доминантными признаками, ³/ ₁₆- с первым доминантным, вторым рецессивным, ³/ ₁₆- с первым рецессивным, вторым доминантным, ¹/ ₁₆- с обоими рецессивными признаками. В случаях полного доминирования можно рассчитать соотношение типов потомков от скрещивания особей, различающихся по любому числу признаков, по формуле разложения бинома (3+1) ⁿ, где n- число пар генов, по которым различаются скрещиваемые родительские формы. Независимость наследования, т. е. свободное комбинирование, присуща тем признакам, за развитие которых отвечают гены, лежащие в разных (негомологичных) хромосомах. Т. о., причина независимого наследования - в независимом расхождении негомологичных хромосом в мейозе. Последующий детальный анализ закономерностей наследования показал, что совокупность признаков организма ( фенотип ) далеко не всегда соответствует комплексу его наследственных задатков генотипу ), т. к. даже на одинаковой наследственной основе признаки могут развиваться по-разному под влиянием различных внешних условий. Наследственно-обусловленные признаки могут не проявиться в фенотипе либо в силу их рецессивности, либо под влиянием тех или др. факторов внешней среды. Если фенотип особи доступен непосредственному наблюдению, то о её генотипе с наибольшей полнотой можно судить на основе изучения потомков, полученных в определенных скрещиваниях. Индивидуальное развитие организмов и формирование их признаков осуществляются на основе генотипа в зависимости от условий окружающей внешней среды, одна из основополагающих теорий Г. - хромосомная теория наследственности . Краеугольное положение этой теории состоит в том, что за развитие определённых свойств и признаков организма ответственны строго локализованные участки - гены , расположенные в хромосомах в линейном порядке. Процесс удвоения хромосом обеспечивает также удвоение генов и передачу их в каждую вновь возникшую клетку. Гены, локализованные в пределах одной хромосомы, составляют одну группу сцепления и передаются совместно; число групп сцепления равно числу пар хромосом, постоянному для каждого вида организмов (см. Кариотип ). Признаки, зависящие от сцепленных (т. е. расположенных в одной хромосоме) генов, также наследуются совместно. Сцепленное наследование признаков может нарушаться в результате кроссинговера , ведущего к перераспределению во время мейоза генетического материала между гомологичными хромосомами (см. Рекомбинация ). Чем ближе друг к другу расположены гены, тем меньше вероятность их рекомбинации. На частоту рекомбинации влияют также пол особей, их физиологическое состояние, а также внешние условия (температура и др.). Частота рекомбинации может служить мерилом расстояния между генами. На этой основе разработаны методы определения положения генов в хромосоме и для ряда растений и животных составлены т. н. генетические карты хромосом . Для дрозофилы и кукурузы составлены также цитологические карты хромосом, на которых гены локализованы в определённых, видимых под микроскопом участках хромосом. Генетические и цитологические карты дополняют и подтверждают друг друга.

  Доказано, что один ген может влиять не на один, а на многие признаки организма ( плейотропия ), вместе с тем развитие каждого признака зависит не от одного, а от многих генов ( полимерия ). Доказано также, что функции гена и его влияние на фенотип зависят от физического положения гена в генетической системе (эффект положения), от совокупности остальных генов (генотипической среды) и от внешних условий. Фенотипическое выражение гена - экспрессивность , так же как и его проявление - пенетрантность , т. е. наличие или отсутствие контролируемого данным геном признака, могут варьировать в зависимости как от внешних условий, так и от генотипа. Под влиянием различных внешних воздействий гены могут изменяться - мутировать. К независимому мутированию способны также элементарные единицы, входящие в состав гена. Все эти факты свидетельствуют о сложности материальной структуры гена, эволюционировавшей в процессе развития жизни на Земле, после того как были вскрыты молекулярные основы организации наследственных структур и процессов, которые лежат в основе передачи наследственной информации в клетке (и в организме) и в поколениях клеток (и организмов), выяснилось, что гены контролируют процессы синтеза белков в клетках и что генные мутации (изменения химической структуры генов) ведут к изменению химической структуры белков (что в ряде случаев сводится к замене одной аминокислоты другой). Материальным носителем генетической информации служит гигантский полимер - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), входящая в качестве важнейшего компонента в структуру хромосом всех организмов, за исключением некоторых вирусов, содержащих puбонуклеuновую кислоту (РНК).

  При удвоении молекул ДНК в процессе клеточного деления дочерние молекулы при участии специфических ферментов строятся, как на шаблоне, на материнских молекулах и точно комплементарно воспроизводят их. «Записанный» в молекулярных структурах (последовательности нуклеотидов) ДНК генетический код определяет порядок расположения аминокислот в белковой молекуле. Передача информации с ДНК на синтезируемые белки осуществляется при помощи РНК. Молекулы РНК строятся на основе ДНК и комплементарны ей; вследствие этого кодирующая структура ДНК воспроизводится в молекулах РНК (см. Комплементарность ). В клетке имеется несколько типов РНК: информационная (и-РНК), транспортная (т-РНК), рибосомная (р-РНК). Они различаются по величине молекул, структуре и функции. Порядок расположения аминокислот в белковых молекулах контролируется высокополимерной и-РНК; биосинтез белка происходит в цитоплазматических рибонуклеопротеидных (белок+р-РНК) структурах - рибосомах - при помощи ферментов - аминоацил-р-РНК-синтетаз и энергии аденозинтрифосфата (АТФ), запасаемой в митохондриях. Транспортировка аминокислот к рибосомам осуществляется с помощью сравнительно низкополимерной т-РНК. Структура и-РНК определяет место и порядок расположения аминокислот в молекулах белка - первичную структуру белковых молекул и их основные свойства. Ген, т. е. участок молекулы ДНК, контролирующий синтез полипептидных цепей того или иного белка, называется структурным геном. У ряда микроорганизмов (кишечная палочка, сальмонелла), а также у фагов хорошо изучены структура и функции многих структурных генов (цистронов): установлено, что структурные гены, контролирующие синтез ферментов определённой последовательности реакций, сцеплены в блоки (опероны). Имеются структуры (т. н. операторы), «включающие» синтез и-РНК структурными генами. Операторы, в свою очередь, находятся под контролем генов-регуляторов. Т. о., гены составляют сложную систему, обеспечивающую строгое согласование процессов биосинтеза в клетке и в организме в целом. В клетках в функционально активном состоянии находится лишь часть генов; активность остальных подавлена, репрессирована. В связи с закономерной сменой состояний активности генов и их депрессии меняется и спектр синтезируемых в клетке белков. Так, у человеческого плода синтезируется гемоглобин эмбрионального типа; лишь к 1 году у ребёнка гемоглобин эмбрионального типа постепенно замещается нормальным гемоглобином взрослого человека, Динамику активного и репрессированного состояний генетического аппарата удалось наблюдать и непосредственно - с помощью микроскопических и цитохимических методов - на гигантских хромосомах в клетках слюнных желёз личинок некоторых двукрылых (дрозофила, хирономус). Для каждой стадии развития организма характерна строго определённая картина синтетической активности хромосом: некоторые участки их находятся в состоянии сильной активности и синтезируют РНК, тогда как др. участки на этих стадиях развития функционально не активны, но становятся активными на др. стадиях. Оказалось, что в ряде случаев регуляторами функциональной активности генетическиого аппарата являются гормоны. Проблема генетических аспектов онтогенеза - одна из наиболее актуальных в современной биологии.

  Генетический аппарат функционирует в тесном взаимодействии с внехромосомными, или внеядерными, компонентами клетки. Многие факты свидетельствуют о важной роли цитоплазмы в осуществлении развития организма, а в ряде случаев - в наследовании (см. Наследственность цитоплазматическая ). Например, обусловленная гибелью пыльцы мужская стерильность у кукурузы и др. растений - результат взаимодействия определённых цитоплазматических и ядерных факторов. Давно известны факты пластидной наследственности. Свойства цитоплазмы играют большую роль при межвидовых скрещиваниях, в значительной мере определяя жизнеспособность и плодовитость гибридов. В свою очередь, свойства цитоплазмы находятся под контролем ядерного аппарата, изменение которого в ходе скрещиваний ведёт к изменению свойств цитоплазмы.

  Закономерности мутационного процесса.Наследственное разнообразие особей создаётся, с одной стороны, за счёт рекомбинации генов при скрещивании, с другой - в результате изменения самих генов, т. е. за счёт мутаций. Различают след. основные типы мутаций: геномные, хромосомные и точковые. К геномным мутациям относится полиплоидия [увеличение числа хромосом, кратное основному, или гаплоидному ( n), их числу], в результате которой возникают триплоиды, тетраплоиды и т. д., т. е. организмы с утроенным ( 3n), учетверённым ( 4n) и т. д. числом хромосом в соматических клетках. Особенно большое эволюционное значение имеет амфидиплоидия, т. е. удвоение числа хромосом каждого родителя у отдаленных (межвидовых и межродовых) гибридов, что обеспечивает нормальный ход мейоза у них и восстановление плодовитости обычно стерильных гибридов. Впервые это показал Г. Д. Карпеченко (1927), получив плодовитые капустно-редечные гибриды. Многие виды культурных растений - естественные амфидиплоиды. Так, 42-хромосомные пшеницы - сложные амфидиплоиды (гексаплоиды), несущие геномы дикой однозернянки и двух видов эгилопса - родственных пшенице диких злаков; у каждого из этих видов диплоидный набор хромосом ( 2n) равен 14. Гибридное (амфидиплоидное) происхождение доказано также для овса, хлопчатника, табака, сахарного тростника, сливы и др. культурных и диких растений. Некоторые из этих видов искусственно ресинтезированы (например, слива - советским генетиком В. А. Рыбиным) путём скрещивания исходных форм и последующего использования экспериментальной полиплоидии, К геномным мутациям относится также анеуплоидия (гетероплоидия), т. е. увеличение или уменьшение числа хромосом одной или нескольких гомологичных пар, что ведёт к изменениям ряда признаков организма и у человека может служить причиной тяжёлых заболеваний.

  Мутации, относящиеся к группе хромосомных перестроек , включают различные типы реорганизаций (аберраций) хромосом и перераспределение их генетического материала в пределах генома. Сюда относятся транслокации , т. е. взаимные обмены негомологичными участками между хромосомами; инверсии - повороты какого-либо участка хромосомы на 180°, что вызывает изменение порядка расположения генов в хромосоме; делеции - утери частей хромосом; дупликации - удвоения отдельных участков хромосом. Многие из этих изменений оказывают более или менее значительное влияние на фенотип, что свидетельствует о зависимости действия генов от их положения в геноме.

  Особое значение в процессе эволюции и селекции имеют точковые мутации. К группе точковых относят все мутационные изменения, при которых не удается цитологическими методами обнаружить какие-либо нарушения структуры отдельных хромосом. В эту группу включают как мелкие делеции, дупликации и инверсии, так и изменения наследственного кода на молекулярном уровне (истинные генные мутации). Провести грань между этими двумя группами изменений часто не удаётся. Анализ на молекулярном уровне генных мутаций у вирусов показал, что они вызваны утерей или вставкой отдельных нуклеотидов в молекуле ДНК или заменой одних азотистых оснований другими ( транзиции и трансверсии ) в процессе репликации (копирования) ДНК.

  Способность к мутациям присуща всем генам как в половых, так и в соматических клетках организмов. Спонтанные мутации отдельных генов редки, в среднем их частота равняется одной мутации на 100-200 тыс. или даже на 1 млн. генов, а иногда и ещё меньше. Это имеет определённый эволюционный смысл, т. к. создаёт стабильность наследственной системы, без чего невозможно существование самой жизни. Стабильность обеспечивается, в частности, наличием ферментов, под действием которых происходит репарация нарушений, возникающих в наследственных структурах. Разные гены мутируют неодинаково часто что свидетельствует о зависимости мутабильности как от структуры гена, так и от остального генотипа. Физиологическое состояние клетки и всего организма, в частности его возраст, а также многие условия внешней среды сильно влияют на темп мутагенеза. Большинство мутаций рецессивно; как правило, они неблагоприятно влияют на организм, делая его частично или полностью нежизнеспособным.

  Сильным мутагенным действием, т. е. способностью во много раз повышать частоту мутаций, обладают все виды ионизирующих излучений, ультрафиолетовые лучи и ряд химических веществ. Все эти агенты широко используются в генетической и селекционной практике для получения мутантных форм микроорганизмов и растений. Мутации не имеют приспособительного характера и не адекватны действующим на организм факторам: под влиянием одних и тех же воздействий могут возникать мутации разных генов; вместе с тем при различных воздействиях могут мутировать одни и те же гены. На этом основании сформулирован принцип ненаправленности мутационного процесса.

  Однако и при естественном, и при искусственно индуцированном мутагенезе, особенно вызванном химическими мутагенами, обнаруживается известная специфичность спектра возникающих мутаций, что связано как со своеобразием механизма действия мутагена, так и с особенностями генотипа организмов. Например, воздействие на делящиеся клетки алкалоидом колхицином ведёт к полиплоидизации клеток, чем широко пользуются для получения новых форм растений методами экспериментальной полиплоидии. Ультрафиолетовые лучи и химические мутагены индуцируют большей частью генные мутации, тогда как нейтроны вызывают значительный процент перестроек хромосом. Обнаружены факты специфики мутирования определённых генов при различных мутагенных воздействиях, в опытах на вирусах и бактериях выявлено избирательное действие некоторых химических мутагенов на определённые азотистые основания, входящие в молекулу ДНК. Т. о., Г. вплотную подходит к решению проблемы управления мутационным процессом на молекулярном уровне. Однако коренная проблема современной науки - направленное получение мутаций у сложных многоклеточных организмов - остаётся ещё не решенной.

  Генетика и эволюция

 Уже открытие Менделем закономерностей расщепления показало, что возникающие у организмов рецессивные мутации не исчезают, а сохраняются в популяциях в гетерозиготном состоянии. Это устранило одно из самых серьёзных возражений против дарвиновской теории эволюции (см. Дарвинизм ), высказанное английским инженером Ф. Дженкином, утверждавшим, что величина полезного наследственного изменения, которое может возникнуть у какой-либо особи, в последующих поколениях будет уменьшаться и постепенно приближаться к нулю.

  Г. обосновала положение, что генотип определяет норму реакции организма на среду. В пределах этой нормы условия среды могут влиять на индивидуальное развитие организмов, меняя их морфологические и физиологические свойства, т. е. вызывая модификации . Однако эти условия не вызывают адекватных (т. е. соответствующих среде) изменений генотипа, и поэтому модификации не наследуются, хотя сама возможность их возникновения под влиянием условий среды определена генотипом. Именно в этом смысле Г. отрицательно решила вопрос о наследовании признаков, приобретённых в течение индивидуального развития, что имело огромное значение как для утверждения дарвиновской теории эволюции, так и для селекции.

  Исследования показали, что природные популяции насыщены мутациями, главным образом рецессивными, сохраняющимися в гетерозиготном состоянии под покровом нормального фенотипа. В неограниченно больших популяциях при свободном скрещивании и отсутствии «давления» отбора концентрация аллельных генов и соответствующих генотипов( АА, Aa, aa) находится в определённом равновесии, описываемом формулой английского математика Г. Харди и немецкого врача В. Вайнберга:

  p ²AA+2pqAa+q ²aa,

  где коэффициенты ри q- концентрации доминантного и рецессивного генов, выраженные в долях, т. е. р+q=1. В реальных природных популяциях концентрация мутантных генов зависит главным образом от «давления» отбора, определяющего судьбу носителей мутаций в зависимости от их влияния на жизнеспособность и плодовитость особей в конкретных условиях среды. Носители неблагоприятных мутаций удаляются, элиминируются отбором. Однако многие мутации, неблагоприятные или даже летальные в гомозиготном состоянии, могут в гетерозиготном состоянии повышать жизнеспособность носителей и вследствие этого сохраняются в популяциях на определённом уровне. Поскольку одни и те же мутации в разных условиях среды и при различных направлениях отбора неодинаково влияют на приспособленность организмов, они служат тем материалом, на основе которого под влиянием отбора создаётся внутривидовой полиморфизм, обеспечивающий приспособленность вида и его эволюционную пластичность в широко варьирующих условиях обитания. Скрытые под покровом нормального фенотипа мутации создают «мобилизационный резерв» наследственной изменчивости (И. И. Шмальгаузен), поставляющий материал для деятельности отбора при изменении условий существования вида. Т. к. мутации могут оказывать различное влияние на развитие признаков в зависимости от генотипических особенностей организмов, т. с. генотипической среды, в которую попадает мутировавший ген, отбор, «оценивая» фенотипы особей, включает в сферу своей деятельности не отдельной мутации как таковые, а целостные генотипы, «подхватывая» те из них, которые обеспечивают наиболее тонкое приспособление организмов к среде.

  Генетические исследования показали также роль мутационного процесса, изоляции миграций, гибридизации, а также т. н. генетико-автоматических процессов в эволюционной дивергенции популяций и механизмах видообразования . Т. о., данные Г. подтвердили основные идеи эволюционной теории Дарвина, вскрыв вместе с тем новые закономерности наследственности и изменчивости, на основе которых отбор создаёт бесконечно варьирующие формы живых организмов с их поразительной приспособленностью к условиям внешней среды.

  Генетика и практика

 Основой современной теории отбора и подбора служат закономерности, вскрытые общей и популяционной Г., методы оценки генетических параметров популяций. Установив, что отбор эффективен лишь в том случае, когда он опирается на наследственное разнообразие особей в популяции, и что фенотип далеко не всегда соответствует генотипу, Г. обосновала необходимость оценки наследственных качеств и разнообразия селекционируемых организмов и вооружила селекцию соответствующими методами и практическими приёмами. Так, оценка наследственности качеств производителей по хозяйственно важным признакам их потомков, издавна практикуемая лучшими животноводами, получила на основе Г. научное обоснование как необходимый приём селекционно-племенной работы, особенно ценный в связи с распространением метода искусственного осеменения. В основе методов индивидуального отбора у растений также лежат генетические представления о чистых линиях, о гомо- и гетерозиготности и о нетождественности фенотипа и генотипа. Генетические закономерности независимого наследования и свободного комбинирования признаков в потомстве послужили теоретической основой гибридизации и скрещивания, которые наряду с отбором входят в число основных методов селекции. На основе гибридизации и отбора советскими селекционерами П. П. Лукьяненко, В. С. Пустовойтом, В. Н. Мамонтовой, В. Я. Юрьевым, В. П. Кузьминым, А. Л. Мазлумовым, М. И. Хаджиновым, П. И. Лисицыным и др. созданы замечательные сорта зерновых, технических и др. культур. Важнейшее значение для повышения эффективности селекции растений имеют закон гомологических рядов Н. И. Вавилова, его учение о генцентрах происхождения культурных растений, а также его теории отдалённых эколого-географических скрещиваний и иммунитета.

  Совершенствованию методов селекции отдельных видов животных и растений способствуют работы по частной Г. этих форм. Так, разведение цветных норок или каракульских овец невозможно без знания закономерностей наследования окрасок у этих животных. На основе генетических закономерностей независимого наследования и взаимодействия генов осуществлен генетический синтез норок с сапфировой, жемчужной и др. окрасками меха, не встречающимися в природе. Для создания новых сортов растений широкое применение получила отдалённая гибридизация, на основе которой получены многие ценные сорта плодовых растений (И. В. Мичурин), пшенично-пырейные гибриды (Н. В. Цицин, Г. Д. Лапченко и др.), некоторые гибридные сорта озимых пшениц и др. Отдалённой гибридизацией успешно пользуются также в селекции картофеля, свёклы, ряда древесных культур, табака и др. Явление цитоплазматической мужской стерильности используют в селекции кукурузы, пшеницы, сорго и др. культур. Всё большее практическое значение приобретают методы экспериментальной полиплоидии для создания хозяйственно ценных форм с.-х. растений. Этими методами созданы высокопродуктивные триплоидные гибриды сахарной свёклы, гречихи, триплоидный бессеменной арбуз, полиплоидная рожь, клевер, мята и др.