Изучение генетических основ эволюции

Доказательство положения о неисчезаемости рецессивных признаков при скрещивании организмов, выдвинутого Менделем, оказалось очень важным для развития эволюционного учения. Это положение позволило преодолеть возражение, высказанное английским математиком Ф.

В 1904 г. К. Пирсон обосновал так называемый закон стабилизирующего скрещивания, согласно которому в условиях свободного скрещивания при любом исходном соотношении численности гомозиготных и гетерозиготных родительских форм в результате первого же скрещивания внутри сообщества устанавливается состояние равновесия. В 1908 г. английский математик Г. Харди пришел к выводу, что в неограниченно больших популяциях при наличии свободного скрещивания, при отсутствии давления мутаций, миграций и отбора относительная численность гомозиготных (как доминантных, так и рецессивных) и гетерозиготных особей будет сохраняться постоянной при условии равенства произведения числа гомозиготных (доминантных на рецессивных) особей квадрату половины числа гетерозиготных форм. Таким образом, согласно закону Харди (называемому часто также законом Харди — Вейберга), в популяции при наличии свободного, скрещивания должно существовать совершенно определенное .и равновесно поддерживаемое распределение мутантных форм. Следует подчеркнуть, что хотя математически строгая форма указанных закономерностей давала вполне четкое представление о генетиче ских основах эволюционного процесса, эти закономерности длительное время не были признаны биологами-эволюционистами.

Лишь в 1926 г. С. С. Четвериковым была опубликована большая работа, впервые привлекшая внимание к общебиологическому значению выкладок Пирсона, Харди и др. Четвериков подробно рассмотрел биоло- го-генетические основы эволюции (роль мутаций, или геновариаций, по его терминологии, распространение мутаций в условиях свободного скрещивания, роль естественного отбора и изоляции, роль генотипической среды) и заложил основы новой научной дисциплины — популяционной генетики. Дальнейшее развитие популяционной генетики было связано с работами С. Райта, Р. Фишера, Н. П. Дубинина, Ф. Г. Добжанского и др.

Четвериков и его ученики Н. К. Беляев, С. М. Гершензон, П. Ф. Ро- кицкий и Д. Д. Ромашов впервые осуществили экспериментально-генетический анализ природных популяций дрозофилы, полностью подтвердивший их насыщенность рецессивными мутациями. Аналогичные результаты были получены Е. А. и Н. В. Тимофеевыми-Ресовскими при изучении популяций дрозофилы (1927—1931), а также другими исследователями.

Идеи Четверикова послужили основой для дальнейшего изучения генетики популяций. Закономерности, выведенные Пирсоном и Харди, были справедливы лишь для «идеальных» популяций. Последующий анализ выводов этих авторов показал, что они приложимы только к абстрактной, не ограниченной по численности популяции; в реальных же популяциях наблюдается отклонение фактической частоты сохранения мутаций от ожидаемой. Этот процесс осуществляется согласно вероятностным законам и приводит к резкой перестройке генетической структуры популяции. Поскольку из всего потомства любой пары родителей достигают половой зрелости и дают потомство в среднем только две особи, то возможность сохранения в популяции вновь возникшей мутации зависит от многих причин (вероятности ее гибели; частоты повторного возникновения такой. же мутации; различий в численности потомков, остающихся от разных родителей; степени изоляции в популяции и т.

Было установлено, что сохранение и распространение мутаций в популяции определяется генетико-автоматическими процессами. Детальный анализ этих процессов был проведен Ромашовым (1931), Дубининым (1931)

и Райтом (1921, 1931). Последний назвал их «явлением дрейфа генов в популяции», а Четвериков — «генетико-стохастическими», подчеркнув их вероятностно-статистическую природу. Статистический анализ, подкрепленный экспериментами в реальных популяциях, показал, что в среднем из 104 различных одновременно возникших мутаций через 100 поколений остается около 150 мутаций, а через 500 поколений — только 40 \ Таким образом, в результате генетико-автоматических процессов уничтожается множество возникающих мутаций и лишь некоторые доводятся до уровня заметных концентраций. Так как отбор в популяции в сильнейшей степени зависит от средних концентраций аллелей, то повышение численности отдельных мутаций за счет генетико-автоматических процессов должно приводить к резкому увеличению скорости отбора в популяции. В силу вероятностной природы генетико-автоматических процессов они могут то устранять отдельные мутации, то поднимать их численность, позволяя отбору осуществлять механизм «проб и ошибок». Генети-

СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ЧЕТВЕРИКОВ

(1880—1958)

к ©-автоматические процессы постоянно выносят редкие мутации до уровня действия отбора и этим помогают последнему быстро «пересмотреть» новые варианты мутантов. Если отбор бракует мутации, они быстро уходят в зону низких концентраций или вовсе исчезают из популяции; если отбор их подхватывает, они быстро распространяются в популяции, минуя длинную фазу пребывания в низкой концентрации, недоступную отбору. Таким образом, генетико-автоматические процессы ускоряют эволюцию новых мутаций за счет сокращения ранних этапов размножения вновь возникших мутаций.

Детальное изучение генетической структуры природных популяций и скорости распространения мутаций в природе превратилось сейчас в область биологии, активно разрабатываемую на основе математических методов. Большое значение для развития этой области имеют модельные эксперименты, в которых исследуется судьба экспериментально созданных популяций и определяется роль различных форм изоляции и отбора.

Проблема дробимости гена

К началу 30-х годов XX в. сложились основы теории гена. Уже первые достижения гибридологического анализа поставили проблему дискретности наследственного материала. В опытах Менделя это представление получило надежное экспериментальное подтверждение. Считалось, что ген отвечает за развитие одного признака и передается при скрещиваниях как неделимое целое. Открытие мутаций и кроссинговера первоначально также подтверждали неделимость генов. Так, А. 'Кателл получил из мутантных (желтых) дрозофил других мутантов, но при этом любая новая мутация захватывала весь ген. Н. В. Тимофеев-Ресовский (1925— 1929), Г. Мёллер (1928) и М. Демерец (1928), получив так называемые обратные мутации (т. е. превратив мутантных мух в нормальных), удостоверились, что одно состояние гена целиком сменяется новым. При изучении кроссинговера было также установлено, что во время этого процесса могут передаваться куски хромосом разной длины, но минимальный передаваемый участок соответствует одному гену. Разрывов в пределах гена никогда не наблюдали. В результате обобщения всех этих данных определение гена получило следующую формулировку: ген — это элементарная единица наследственности, характеризующаяся вполне определенной функцией, мутирующая во время кроссинговера как целое. Иначе говоря, ген — единица генетической функции, мутации и кроссинговера.

В 1928 г. эта, казалось, вполне устоявшаяся теория неделимости гена претерпела первое ограничение. Сразу после обнаружения мутагенного действия рентгеновых лучей они были использованы во многих лабораториях мира для получения мутаций. Такая работа велась и в лаборатории А. С. Серебровского в Биологическом институте им. К. А. Тимирязева. В 1928 г. в той же лаборатории Н. П. Дубинин начал исследовать действие рентгеновых лучей на дрозофил и обнаружил необычную мутацию. Образование щетинок на теле мух контролируется особым геном scute. Мутация гена scute, впервые обнаруженная американским генетиком Пейном (1920), не раз возникала в экспериментах, и при ее появлении подавлялось развитие девяти щетинок. Мутация scute, выявленная Дубининым, подавляла развитие всего четырех щетинок. Так как общепринятым было представление о целостном мутировании гена, появление такой мутации казалось совершенно непонятным. В следующем эксперименте была найдена мутация, затрагивавшая уже не 4 или 9, а 18 щетинок на теле мухи. Иными словами, было повреждено Как будто сразу два гена. Дубинин обозначил эти мутации символами scute-1, scute-2 и scute-З. Стало ясно, что ген не является неделимой генетической структурой, а представляет собой область хромосомы, отдельные участки которой могут мутировать независимо друг от друга. Это явление было названо' Серебровским ступенчатым аллеломорфизмом.

Вслед за Н. П. Дубининым И. И. Агол нашел четвертую мутацию — scute-4, не совпадавшую с первыми тремя; А. Е. Гайсинович — scute-5;: затем А. С. Серебровский обнаружил мутацию scute-б; С. Г. Левит — scute-7; Б. Н. Сидоров — scute-8; Н. П. Дубинин — мутации scute-9,. scute-10, scute-11, scute-13, scute-15, scute-16, scute-17; H. И. Шапиро — scute-12; Л. В. Ферри — scute-14. Тем самым явление дробимости гена было окончательно доказано.

Одним из крупных достоинств работ по изучению ступенчатых аллеломорфов был количественный метод учета мутантов. Разработав систему,, позволявшую количественно оценивать результат каждой мутации, Серебровский, Дубинин и другие авторы тогда же раскрыли явление дополнения одного мутантного гена другим. При этом нарушенная функция одного гена исправлялась нормальной функцией другого гена. Второй ген,, в свою очередь, мог быть дефектен в другом участке, нормальном у первого гена. Это явление было впоследствии переоткрыто на микроорганизмах и получило название комплементации. За цикл работ по- хромосомной теории наследственности и теории мутаций Дубинин был удостоен в 1966 г. Ленинской премии.

Показав мутационную дробимость гена, Серебровский и сотрудники его лаборатории, тем не менее, долгое , время не могли подтвердить дробимость гена при -помощи кроссинговера. Дело в том, что разрешаю щая способность кроссинговера в отношении хромосом высших организмов весьма ограниченна. Чтобы обнаружить разрыв гена, требовалось проверить огромное число мух. Организовать такой эксперимент удалось только в 1938 г., когда Н. Ц. Дубинин, Н. Н. Соколов и Г. Г. Тиняков смогли разорвать ген scute и проверить свой результат цитологически на гигантских хромосомах слюнных желез дрозофилы. Окончательное решение вопроса, делим ли ген не только мутационно, но и механически, было достигнуто в работах М. Грина (1949), Э. Льюиса (1951) и Г. Понтекорво (1952). Было окончательно установлено, что считать ген необычайно устойчивой, далее неделимой структурой неправильно. Настало время разработать новую теорию гена, определить конкретные физические структуры, ответственные за реализацию различных генетических функций. Решить эти проблемы на сложных многоклеточных организмах ввиду чисто технических трудностей не представлялось возможным, ибо для этого необходимо было исследовать десятки и сотни тысяч мух. На помощь пришли микроорганизмы.

Переход к генетическим исследованиям на микроорганизмах явился крупнейшим шагом вперед в изучении генетических проблем. Новые объекты исследования обладали тем преимуществом, что они давали огромные популяции, чрезвычайно быстро размножались, имели предельно простой генетический аппарат (их хромосомы состоят из одной молекулы ДНК), у них были четкие, хорошо селекционируемые мутанты. С развитием экспериментов на микроорганизмах генетика перешла на молекулярный уровень исследований, принесших разгадку многих тайн организации живого.