Третий классик «менделизма-вейсманизма-морганизма»

Двадцать пятого сентября 2016 года исполнилось 150 лет со дня рождения Томаса Ханта Моргана (1866—1945), одного из основоположников современной генетики. Он и его сотрудники установили факт, сегодня известный каждому, — что гены находятся в хромосомах.

Томас Хант Морган

Томас Морган родился в штате Кентукки в семье дипломата. Среди его не слишком дальних родственников был самый богатый человек США Джон Пирпонт Морган (1837—1913). В детстве Том был типичным юным натуралистом, собирал гербарии, коллекции бабочек. В поисках новых экземпляров для своих коллекций он облазил все окрестности родного города.

В 1891 году Томас Морган окончил Университет Джонса Хопкинса в Балтиморе. Решив заняться наукой, сначала он выбрал эмбриологию. В конце века завершался первый этап развития эмбриологии — поиск ответа на вопрос: «Как развиваются разные животные?» Эмбриональное развитие представителей большинства систематических групп было уже описано, и на повестку дня вставала новая проблема: как взаимодействуют части зародыша и почему он развивается так, а не иначе. Поиску подхода к решению этой проблемы и были посвящены работы Моргана в последнем десятилетии XIX — первом десятилетии XX века. Работы в значительной мере были экспериментальными — редкость для эмбриологии тех времен. В частности, Моргану вместе со знаменитым немецким биологом Гансом Дришем удалось показать, что у некоторых морских беспозвоночных, например у морского ежа, из единственной клетки зародыша, изолированной на очень ранней стадии развития, вырастает полноценная личинка.

В 1904 году Томасу Моргану предложили должность профессора кафедры экспериментальной биологии в Колумбийском университете (Нью-Йорк) — одном из старейших университетов США. Морган проработал в нем до 1928 года, там он провел и свои классические исследования в области генетики.

Принципиальный прорыв в представлениях о наследственности совершил в 1860-х годах отец Грегор Иоганн Мендель (1822—1884), монах и будущий настоятель монастыря Святого Фомы в Брюнне (ныне Брно в Чехии). Он постулировал, что развитие некоторых признаков у гороха определяется парой наследственных задатков, один из которых получен от отцовского растения, а другой — от материнского. Из этой пары задатков каждому потомку передается один и только один, какой именно — дело случая.

Мендель поставил вопрос: передаются ли потомку наследственные задатки разных пар независимо друг от друга или они могут быть связаны между собой и передаваться «в комплекте» — например, если горошины в стручке желтые, то они всегда гладкие, а если зеленые — всегда морщинистые? Проанализировав семь пар признаков, он пришел к выводу: задатки из разных пар переходят к потомству независимо, нет никаких «мешков» с комплектами признаков, передающихся совместно.

Так работает закон независимого распределения признаков, открытый Менделем. Пусть наследственный фактор, отвечающий за желтый цвет горошины, — Y, за зеленый — y, круглая форма — R, морщинистая — r. Заглавными буквами показано доминирование: если хотя бы одна из двух R заглавная, горошина будет гладкой. В первом поколении все горошины одинаковые, а что будет во втором? Если бы признаки «желтая и гладкая», «зеленая и морщинистая» всегда передавались вместе, мы наблюдали бы такое распределение, как показано слева. На самом деле признаки комбинируются в различных сочетаниях — появляются растения с желтыми морщинистыми и зелеными гладкими горошинами

В этом отец Грегор Иоганн ошибся. «Мешки» есть, и, кстати, у гороха их ровно семь пар. Просто так получилось, что все наследственные задатки, которые изучал Мендель, находились в разных «мешках». Без козней Рогатого здесь явно не обошлось. Но с другой стороны, если бы Мендель столкнулся с «мешком», то мог бы и не сформулировать свою главную идею о дискретности наследственных задатков. А в чем причина некоторых отклонений от закона Менделя — почему признаки в новом поколении не всегда распределяются так независимо, как велит статистика, — удалось выяснить Моргану.

Работа Менделя прошла совершенно незамеченной, но в 1900 году сразу три исследователя — Гуго де Фриз (1848—1935), Карл Корренс (1864—1933), Эрих Чермак-Зейзенегг (1871—1962) — вновь открыли менделевские наследственные задатки и их распределение в потомстве. Чуть позже эти задатки были названы генами.

Между 1865 и 1900 годами в биологии произошло много важных событий. Появление синтетических анилиновых красителей позволило подробно изучать этапы деления клеток и их ядер. Было, в частности, показано, что при делении в ядре появляются некие тельца, похожие на колбаски. Эти тельца подробно описал в 1882 году Вальтер Флемминг (1843—1905), а Генрих Вальдейер (1836—1921) предложил для них название «хромосомы».

В конце 1880-х годов Эдуард ван Бенеден (1846—1910), Карл Рабль (1853— 1917) и Теодор Бовери (1862—1915) независимо друг от друга показали, что число хромосом во всех клетках животных одного вида одинаково, а у представителей разных видов может быть различным. Несколько позже Бовери установил, что каждая из хромосом необходима для нормального развития.

В 1870-х годах несколько исследователей — Иван Дорофеевич Чистяков (1843—1877), Отто Бючли (1848—1920), Эдуард Страсбургер (1844—1912) — опять-таки независимо друг от друга описали деление клеточного ядра, предшествующее делению клетки. Позже этот процесс был назван митозом.

В 1882 году Флеминг открыл другой тип деления клеточных ядер — мейоз, а в 1888 году Страсбургер показал, что при мейозе число хромосом уменьшается. Это позволило заключить, что мейоз — процесс, обратный оплодотворению, он необходим для образования женских и мужских половых клеток. Ведь при оплодотворении, как предположил Оскар Гертвиг в 1876 году и доказал Герман Фоль в 1877 году, происходит не только слияние сперматозоида с яйцеклеткой, но и слияние их ядер. А в 1884 году Страсбургер обнаружил слияние ядер и при оплодотворении у растений.

С помощью изящного эксперимента Теодор Бовери в 1889 году показал, что наследственность связана с ядром, а не с цитоплазмой. Безъядерные обрывки яйцеклеток морского ежа он оплодотворял сперматозоидами другого вида и получил личинку с признаками того вида, от которого брали сперматозоиды.

В 1901 году Томас Монтгомери (1873— 1912) вводит понятие «гомологичные хромосомы». По его представлениям, каждая хромосома имеет свою пару и при мейозе каждое из вновь образовавшихся ядер получает только одну хромосому из пары, а при слиянии половых клеток двойной комплект восстанавливается. Получается, что хромосомы ведут себя так же, как наследственные задатки, описанные Менделем.

Отсюда оставался только один шаг до предположения о том, что наследственные задатки находятся в хромосомах.

Точно неизвестно, кто первый высказал эту мысль. Скорее всего, это был Уолтер Сеттон (1877—1916), студент-дипломник Колумбийского университета. В 1903 году он предположил, что менделевские наследственные задатки находятся в хромосомах, причем в одной хромосоме их несколько.

Вообще говоря, студенту не по чину высказывать столь глобальные идеи, но Сеттона поддержал такой авторитетный исследователь, как Бовери, и эта гипотеза стала всерьез обсуждаться в научном мире.

Морган сперва отнесся к идее Сеттона сдержанно. Еще в 1910 году он опубликовал большую статью с критикой представлений о том, что гены расположены в хромосомах. Но все- таки он решил проверить эту идею экспериментально.

Для этого нужно было, во-первых, получить большое число наследственных изменений и, во-вторых, провести очень много скрещиваний. Требовался подходящий экспериментальный объект, плодовитый и неприхотливый. Сначала Морган хотел работать с кроликами, но потом выбрал более подходящий объект — плодовую мушку дрозофилу, которая быстро размножалась и которую несложно содержать в лаборатории. Как говорили несколько позже в научных кругах, «Бог создал дрозофилу специально для Моргана».

Дрозофилу с мутацией bithorax (при ней в груди насекомого удваивается сегмент, несущий крылья) зарисовала Эдит Уоллес, один из членов команды знаменитой Мушиной комнаты — Fly Room, которую Морган устроил в Калифорнийском университете и затем переместил в Калтех California Institute of Technology

Работать с дрозофилами Морган начал в 1908 году. Но лишь в 1910 году он обнаружил муху с белыми глазами (у нормальных дрозофил глаза красные). Он провел серию скрещиваний этого чуда природы с другими мухами и выяснил, что белоглазость наследуема и ее распределение среди потомков хорошо согласуется с предположением о том, что она определяется геном, находящимся в половой хромосоме. (Половые хромосомы — одна из пар гомологичных хромосом, но при этом у мух, как и у людей, самки имеют две одинаковые половые хромосомы — XX, а самцы — одну такую же, как у самки, и одну отличающуюся — XY.) И тогда эмбриолог Морган всерьез увлекся новой для него областью — генетикой.

В 1910—1915 годах Томас Хант Морган и его молодые сотрудники Кэлвин Бриджес (1889—1938), Герман Джозеф Меллер (1890—1967) и Альфред Стертевант (1891—1970) провели множество исследований, которые позволили обосновать хромосомную теорию наследственности.

Схема экспериментов была достаточно проста. Среди множества мух они находили таких, которые отличались по тем или иным признакам от нормальных — как говорят генетики, от мух дикого типа. Эти отличия назывались мутациями (термин предложил в начале века Гуго де Фриз). А затем сажали в одну пробирку самца и самку с двумя разными мутантными признаками. Через десять дней появлялось потомство, которое по внешнему виду, как правило, не отличалось от мух дикого типа, ибо мутантный ген в паре с нормальным обычно не проявляется внешне.

Дрозофилы с различными мутациями www.wikipedia.org

На этом исследователи не останавливались и сажали в пробирку пару мух из этого потомства, чтобы получить внуков первой пары.

Если гены, отвечающие за измененные признаки, находятся в разных хромосомах, то во втором поколении будет четыре варианта потомков: без внешних проявлений мутаций, только с первой, только со второй и с обеими. Нетрудно показать, что соотношение численностей этих вариантов будет приблизительно 9:3:3:1 — как и полагается по закону Менделя о независимом наследовании признаков. Если же гены находятся в одной хромосоме, то мух с двумя мутантными признаками не будет вовсе, поскольку вместе с мутацией по одному признаку к потомку обязательно перейдет ген дикого типа по другому признаку. В этом случае половина мух вовсе не будет иметь внешних нарушений, у четверти проявится одна мутация, еще у четверти другая.

При изучении разных пар признаков было показано, что некоторые пары дают потомство в соотношении 9:3:3:1. А для других пар признаков мухи с двумя мутациями появляются очень редко (но все-таки появляются, а почему — с этим разберемся дальше). Морган сделал вывод, что в первом случае гены находятся в разных хромосомах, точнее, в разных парах гомологичных хромосом, а во втором случае — в одной.

Морган и его сотрудники выявили группы генов, имеющих ярко выраженную тенденцию переходить к потомству вместе, и назвали их группами сцепления. Оказалось, что число таких групп равно числу пар гомологичных хромосом. (У дрозофилы их четыре: пара половых и еще три пары соматических, впрочем, четвертая очень мала.) Это было весомым подтверждением хромосомной теории наследственности.

Мутация white (белые глаза) у дрозофилы сцеплена с полом — ген, определяющий цвет глаз, находится в Х-хромосоме. У самки этих хромосом две, у самца одна. Если скрестить красноглазую самку дикого типа и белоглазого самца, с мутантным геном в единственной хромосоме, то все потомство, и самцы и самки, будет красноглазым, однако самки получат одну из Х-хромосом от отца и будут носительницами мутации. Во втором поколении все самки красноглазые, половина самцов — белоглазые. Как вывести белоглазых самок, придумайте самостоятельно

Но почему же сцепление не абсолютно и иногда появляются мухи, несущие в одной хромосоме гены, полученные и от дедушки, и от бабушки? Для объяснения этого явления Морган использовал идею бельгийского ученого и священника Франса Янссенса (1865—1924), высказанную в 1909 году. Идея заключалась в том, что при мейозе гомологичные хромосомы могут обмениваться участками и таким образом гены из разных хромосом попадают в одну.

Методика опытов, проводимых Морганом с сотрудниками, позволила оценить вероятность, с которой обмен частями хромосом произойдет на участке между двумя генами. (Очевидно, чем дальше два гена друг от друга, тем с большей частотой кроссинговер будет их разлучать.) Она оказалась невысокой, но при проведении большого числа скрещиваний реально определяемой.

Если каждый ген имеет фиксированное положение в хромосоме (находится в определенном локусе), тогда для вероятностей обмена между генами 1, 2 и 3 будет выполняться простое правило. Пусть Р_ij — вероятность обмена участками между генами с номерами i и j, тогда верно или Р₁₃ = Р₁₂ + Р₂₃ (когда ген 2 находится между генами 1 и 3), или Р₁₃ = |Р₁₂ - Р₂₃| (когда ген 2 находится с краю). Это правило было подтверждено экспериментально.

Таким образом, Морган показал, что гены в хромосомах имеют фиксированные места и расположены последовательно. Их порядок можно определить в экспериментах по скрещиванию и построить карты расположения генов в хромосомах. Первую такую карту построил Альфред Стертевант в 1913 году. Расстояние между локусами по предложению известного британского генетика Джона Холдейна стали измерять в морганах: один сантиморган — это расстояние, на котором вероятность рекомбинации равна 1%. В привычных нам нуклеотидных парах сантиморган выразить трудно, поскольку вероятность рекомбинации зависит все же не только от расстояния между локусами, но и от интенсивности кроссинговера. Сейчас эту единицу используют крайне редко.

Картирование генов дрозофилы во второй хромосоме. Расстояния между локусами пропорциональны частоте кроссинговера, «разлучающего» данные гены

В 1948 году генетик Барбара Мак-Клинток (1902—1992) показала, что из правила о постоянстве места гена в хромосоме бывают исключения: существуют гены, которые могут перемещаться с места на место. Но, разумеется, это не обесценивает открытий Моргана.

То, что именно кроссинговер «расцепляет» группы сцепления, продемонстрировали в 1931 году независимо друг от друга Курт Штерн (1902—1981) на дрозофиле и Барбара Мак-Клинток на кукурузе. Идея опыта Штерна заключалась в следующем. Он вывел линию дрозофил, у которых на обоих концах одной из хромосом имелись видимые в микроскоп структурные нарушения. А затем показал, что в потомстве изредка появляются мухи, у которых нарушения были только на одном конце. Исследуя ряд признаков, которые определялись генами, находившимися в этой хромосоме, Штерн убедился, что выявляемый при скрещивании переход генов из одной гомологичной хромосомы в другую сопровождается появлением хромосом с нарушениями только на одном конце — то есть вместе с частью генов в другую хромосому уходит и видимый в микроскоп дефект.

Работы Штерна и Мак-Клинток логически завершили хромосомную теорию наследственности, и в 1933 году Томас Хант Морган получил высшую международную научную награду — Нобелевскую премию. Годом раньше, в 1932-м, он был избран иностранным членом Академии наук СССР. О борьбе «мичуринской биологии» с «менделистами-вейсманистами-морганистами», начавшейся позднее, написано достаточно. Но сам факт, что имя Моргана стало одним из символов генетики, говорит о международном признании его заслуг, пусть и своеобразном в отдельных случаях.

С 1928 года и до самой смерти Морган работал в Калифорнийском технологическом институте (Пасадена), где создал и возглавил отделение биологии. Научная атмосфера в этом институте очень благоприятствовала развитию междисциплинарных исследований.

Работы Моргана не сразу были признаны научным сообществом, многие крупные генетики скептически отнеслись к стремлению увязать наследственность с определенными клеточными структурами. С критикой хромосомной теории наследственности выступили Вильгельм Иогансен (1857—1927) и Уильям Бэтсон (1861—1926). (Иогансен придумал слово «ген», а Бэтсон — слово «генетика».) Впрочем, в 1921 году Бэтсон побывал в лаборатории Моргана и признал его правоту.

Многие исследователи не принимали хромосомную теорию наследственности, потому что она казалась им слишком простой и механистичной. Среди биологов всегда пользовалось большой популярностью мнение о «непостигаемой сложности жизни». Тем не менее число противников хромосомной теории наследственности непрерывно уменьшалось, и сегодня в ее справедливости мало кто сомневается.

Еще с середины XIX века вокруг наследственности начались политические игры — пропаганда идей о высших и низших расах, о необходимости пресекать размножение генетически неполноценных индивидуумов и т. д. Ответом на это стала неприязнь многих представителей левых кругов к теориям о наследственности. Принимать участие в этих играх Морган решительно не желал и от каких-либо заявлений по данному поводу воздерживался.

С легкой руки Вильгельма Оствальда (1853—1932) исследователей делят на классиков и романтиков. Томас Морган плохо укладывается в эту классификацию. По тщательности работы он был типичным классиком и в то же время, подобно романтикам, легко переключался на новые темы.

Томас Хант Морган умер 4 декабря 1945 года в Пасадене.

Наследственность в широком смысле имеется не только у живых организмов, но и у мало-мальски сложных технических устройств. Именно эту роль играют наборы чертежей для изготовления устройств и инструкций по эксплуатации. Эти чертежи и инструкции подшиты в книги, которые хранятся в сейфе. При этом каждый чертеж и каждая инструкция находятся в строго определенной книге и в строго определенном месте. Порядок есть порядок: если он нарушится, с чертежами будет невозможно работать, производство встанет.

Томас Морган показал, что наследственные задатки живых организмов хранятся точно так же: гены (чертежи) занимают определенные места в хромосомах (книгах), которые у эукариот лежат в сейфе (ядре). В этом и заключается основной смысл его работ.