2. Хромосомной теории наследственности
То, что организмы состоят из клеток, впервые было обнаружено еще в XVII в., но лишь в 1831 г. была открыта главнейшая часть клетки - клеточное ядро. Впоследствии выяснилось, что ядро также дифференцировано и состоит из различных компонентов. В 1848 г. были впервые описаны наиболее важные его компоненты - хромосомы, однако их особенности и функциональное значение начали активно изучать лишь в конце XIX в.
Термин "хромосома" буквально означает "окрашивающееся тело". Дело в том, что хромосомы поглощают и удерживают некоторые красители, благодаря чему их легко выявлять и наблюдать под микроскопом. В неделящихся клетках хромосомы, как правило, не видны, и лишь при делении клеток они четко обозначаются как тельца специфической формы (рис. 3.1 и 3.2). С развитием и совершенствованием микроскопии стало возможным наблюдать поведение хромосом в процессе образования гамет и при оплодотворении.
Еще в 1875 г. было обнаружено, что в процессе оплодотворения происходит слияние одной мужской и одной женской половых клеток, причем происходит слияние ядер яйцеклетки и сперматозоида. В 1880-х гг. было описано поведение хромосом во время деления клеток, и лишь в начале 1900-х гг., уже после повторного открытия законов Менделя, было замечено поразительное сходство между передачей менделевских факторов и поведением хромосом во время образования гамет и оплодотворения. На основании этих наблюдений было высказано предположение, что именно хромосомы являются носителями менделевских факторов. Это привело к возникновению хромосомной теории наследственности.
Поскольку хромосомы представляют собой главный материальный субстрат, обусловливающий сходство между поколениями и лежащий в основе биологической изменчивости, очень важно знать, как ведут себя хромосомы в различных клетках.
В 1879 г. были описаны процессы, происходящие в ядре при образовании двух идентичных клеток. Подобные деления клеток происходят во время процессов роста и регенерации тканей. В 1887 г. было высказано предположение, что в процессе образования гамет осуществляется другой тип клеточного деления.
Деление первого типа, характерное для процессов размножения соматических клеток, т.е. клеток тела, было названо митозом, а деление второго типа, приводящее к образованию половых клеток (гамет), получило название мейоза. Процессы, происходящие в клетках во время митоза и мейоза, во многом похожи, но результаты получаются совершенно различными (рис. 3.3).
Митоз - это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с наборами хромосом, идентичными наборам родительской клетки. Вместе с делением ядра происходит и деление цитоплазмы на две равные части, и восстановление клеточной мембраны. Митотическое деление приводит к увеличению числа клеток, обеспечивая процессы роста, регенерации и замещения клеток у всех высших животных и растений.
Мейоз – это процесс деления клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро, поэтому его еще называют редукционным (от лат. reductio - уменьшение). При мейозе в родительской клетке сначала происходит однократное удвоение хромосом (как в митозе), но вслед за этим следуют два цикла ядерных (и клеточных) делений - первое деление мейоза и второе деление мейоза. Редукция числа хромосом происходит уже в процессе первого деления мейоза. Таким образом, при мейозе ядро делится дважды, а хромосомы удваиваются только один раз. В результате образуются четыре клетки, в которых число хромосом в два раза меньше, чем в родительской.
Мейоз обеспечивает сохранение в ряду поколений постоянного числа хромосом у видов с половым размножением. В связи с тем, что при оплодотворении происходит слияние материнского и отцовского ядер, их хромосомы объединяются. Если бы в процессе образования гамет не происходило редукции числа хромосом вдвое, то при слиянии гамет в процессе оплодотворения число хромосом должно было бы непрерывно увеличиваться и приводить к искажению видовых свойств потомства.
Жизнь любого организма, для которого характерен половой путь размножения, в том числе и организма человека, начинается с момента слияния материнской и отцовской половых клеток - гамет. В яйцеклетке столько же хромосом, сколько и в сперматозоиде, и они такого же размера, несмотря на разницу в размерах самого сперматозоида и яйцеклетки. Число хромосом в гаметах в два раза меньше, чем в клетках тела. В клетках тела человека 46 хромосом (23 пары) - это диплоидный набор хромосом. Соответственно в половых клетках их вполовину меньше, т.е. 23 - это гаплоидный набор хромосом (рис. 3.4.).
Рис. 3.4. – Хромосомы человека (нормальный кариотип).
В тех клетках, которые делятся для производства гамет, можно наблюдать хромосомы, сгруппированные в пары. Хромосомы, составляющие пару, называют гомологичными. Они сходны по строению и несут наследственный материал, определяющий одни и те же признаки. Исключение составляют только половые хромосомы, которые у женщин являются парными и похожими по строению (их называют Х-хромосомами), у мужчин же имеется только одна Х-хромосома. Пару ей составляет хромосома, отличная по строению и функциям, и ее называют Y-хромосомой. Существуют специальные методы окраски хромосом, которые позволяют идентифицировать каждую пару. Цитогенетики различают хромосомы по внешнему виду как бы "в лицо" и приписывают каждой паре свой номер.
Одна из гомологичных хромосом получена каждым из нас от отца, а другая - от матери. При образовании гамет гомологичные хромосомы сближаются (конъюгируют), группируясь в пары, и затем расходятся по разным половым клеткам. Это происходит при первом делении мейоза. Очень важно, что члены каждой пары хромосом совершают этот процесс независимо от других пар. В результате хромосомы, унаследованные от отца и матери, перераспределяются по гаметам потомков совершенно случайно, образуя новые сочетания хромосом, отличные от тех, что существовали в родительских гаметах. Эта рекомбинация хромосом приводит и к рекомбинации находящихся в них генов, а следовательно, к возникновению новых сочетаний признаков и увеличению генетического разнообразия.
На рисунке 3.10 схематически изображен процесс образования гамет в двух поколениях (родители и потомок). Хромосомы матери и отца окрашены по-разному, чтобы можно было увидеть процесс рекомбинации. На схеме хорошо видна аналогия между поведением хромосом при образовании гамет и менделевской рекомбинацией при дигибридном скрещивании. Менделю действительно повезло в том отношении, что изучаемые им признаки относились к разным хромосомам. Если бы признаки принадлежали одной хромосоме, принцип независимого распределения не соблюдался бы и признаки передавались сцепленно один с другим.
В том случае, когда гены разных признаков располагаются в одной хромосоме, их называют сцепленными. Однако не следует думать, что сцепленные гены навеки связаны друг с другом. На самом деле природа предусмотрела механизм, позволяющий этим генам иногда рекомбинировать, правда, если они не слишком близко расположены в хромосоме.
Дело в том, что гены располагаются в хромосомах линейно по всей их длине. В процессе мейоза при конъюгации (сближении) гомологичных хромосом создаются условия для возникновения процесса, который носит название кроссинговер, или перекрест. Этот механизм позволяет гомологичным хромосомам обмениваться участками. Понятно, что пары генов, далеко расположенные друг от друга, должны рекомбинировать с большей вероятностью, чем близко расположенные гены.
Кроссинговер еще больше увеличивает вероятность рекомбинации генов, тем самым увеличивая генетическое разнообразие потомства. Благодаря механизмам рекомбинации, гены матери и отца лишь временно сочетаются в организме потомка, чтобы вновь разойтись уже в его половых клетках и дать новые сочетания в его детях и т.д.
Рекомбинация является основным источником генетической изменчивости в популяции. Если учесть, что в каждой клетке человека не две пары хромосом, как в наших схематических примерах, а 23 пары, то можно представить себе, насколько велико число разнообразных сочетаний хромосом и генов, возникающих в результате рекомбинации. Поэтому уже одна только рекомбинация хромосом и генов настолько увеличивает генетическое разнообразие, что во всей человеческой популяции практически нет двух генетически одинаковых людей (не считая, конечно, монозиготных близнецов, которые по своему происхождению генетически идентичны). По выражению современного американского исследователя, одного из ведущих специалистов в области генетики поведения, Роберта Пломина, каждый из нас есть уникальный генетический эксперимент, который никогда больше не повторится.
Ученые подсчитали, что число возможных сочетаний генов человека составляет примерно 3.1047, тогда как число живших на Земле людей за всю историю человечества имеет порядок около 1011, что на десятки порядков меньше. Поэтому практически на земном шаре никогда не было, нет и не может быть двух людей с одинаковым набором генов. Даже вероятность того, что дети одних и тех же родителей (не считая, конечно, монозиготных близнецов) будут иметь одинаковый набор генов, равняется одному шансу на 64 триллиона возможностей. Так что каждый из нас генетически уникален.