Достижения генетики в 20-40 гг. ХХ века

13 сентября 1913 года ректор Санкт-Петербургского университета проф. Э.Д.Гримм официально объявил студентам, профессорам и преподавателям естественного отделения, что 18 сентября приват-доцент Ю.А.Филипченко прочтет вступительную лекцию к впервые введенному в университете России курсу «Учение о наследственности и изменчивости». Так начиналась генетика в России. Вскоре Филипченко издает и первые учебники по генетике – «Изменчивость и эволюция» (1915 г.) и «Наследственность» (1917 г.). После Октябрьской революции 1917 г. в России начинается золотой век генетики. В 20-е годы в России возникают три крупные генетические школы: Н.К.Кольцова – основателя московской школы генетики, Н.И.Вавилова и Ю.А.Филипченко – основателей ленинградской школы генетиков.

Н.К.Кольцов в 1917 г. на базе народного университета создает лучший в Европе того времени Институт экспериментальной биологии, а в1921 г. организует в институте первую генетическую лабораторию во главе с С.С.Четвериковым. Вокруг Кольцова сплотились ученые, со временем ставшие крупнейшими генетиками и цитологами: С.Четвериков, А.Серебровский, М.Завадовский и др. Созданию школы Кольцова во многом способствовало то, что он был профессором Московского Николай Константинович Кольцов

университета, и это позволило ему (1872-1940)

широко привлечь в науку талантливую молодежь. Институт экспериментальной биологии и кафедра Кольцова в МГУ становятся важнейшими центрами формирования нескольких направлений генетики: генетики животных, генетики человека, эволюционной и популяционной генетики, цитогенетики.

Важнейшей заслугой Кольцова в развитии генетики является сформулированная им еще в 1928 г. гипотеза о матричном принципе репродукции генов. Он выдвинул концепцию, согласно которой хромосомы представляют собой гигантские молекулы, способные к

Николай Иванович Вавилов Юрий Александрович Филипченко

. (1887-1943) (1882-1930)

самовоспроизведению. Этот постулат уже в 30-е гг. получил косвенное подтверждение в начатых в Германии Тимофеевым-Ресовским работах по радиационной генетике. Их цель была установить, с какой частотой возникают мутации под действием разных доз и видов облучения. В итоге,

количественные расчеты привели к важному выводу, что повреждения, вызываемые облучением, являются не мульти-, а мономолекулярными. Это хорошо гармонировало с идеей Кольцова о хромосоме как одной гигантской молекуле. На основе выдвинутого «принципа попаданий» удалось впервые определить примерный молекулярный объем гена

Попытка выяснить строение гена была предпринята и сотрудниками Кольцова А.С. Серебровским и Н.П. Дубининым в серии работ на дрозофиле. Впервые был сделан вывод о делимости гена и его сложной линейной структуре. Они доказали сложную природу организации гена в работах по исследованию так называемого ступенчатого аллелизма, открытого при изучении локуса у дрозофилы, отвечающего за развитие щетинок. Его мутации приводят к редукции щетинок, а также к некоторым дополнительным фенотипическим эффектам. Разные мутационные аллели приводят к различающимся изменениям фенотипа. Оказалось, что различные, независимо возникшие мутации изучаемого гена, полученные под действием Х-лучей, вступают в сложные отношения аллелизма. Аллели могут иметь как сходство, так и отличия в фенотипическом проявлении. При объединении их в компаунд проявляются лишь те черты, которые были для них общими. Выходило, что «одинаковые» части обеих аллелей оказываются в гомозиготе, а «различные» - в гетерозиготе. При графическом изображении взаимодействия нескольких пар аллеломорфов в компаундах получалось нечто вроде лестницы, ступенями которой служили отдельные аллеломорфы (или аллели). Это явление и было названо ступенчатым аллеломорфизмом (аллелизмом). На основе исследования этого явления удалось построить линейный план гена. Кроме того, Н.П. Дубининым был сделан вывод о том, что данный ген состоит из более мелких элементов – центров. Предполагалось, что при мутировании изменяется не весь ген, а лишь некоторые его центры. В дальнейшем, в 1932-1933 годах удалось показать и рекомбинационную делимость гена.

Николай Петрович Дубинин Александр Сергеевич Серебровский

(1907-1998) (1892-1948)

 

В 1932 г. в Институте Кольцова была организована и лаборатория цитогенетики. Здесь были проведены исследования только что открытого феномена – эффекта положения гена ci («эффекта Дубинина»), а также проведены эксперименты по направленному изменению числа и структуры хромосом. В результате этих экспериментов удалось создать на основе четыреххромосомного вида дрозофил трех- и пятихромосомные расы и, таким образом, обосновать принципы хромосомной изменчивости в популяциях (Н.Дубинин, Н.Соколов).

Велика роль Кольцова и в развитии генетики человека. В начале 20-х гг. он начал исследования по генетике с использованием близнецового метода, провел генетический анализ психических особенностей человека. В 1922 г. Кольцов основал «Русский евгенический журнал», в котором публиковался обширный материал по генетике наследственных заболеваний, обсуждалась роль отбора в популяциях человека, а также были заложены основы антропогенетики. По инициативе Кольцова в 1932 г. в Москве был создан Медико-генетический институт, которым в течение 4-х лет руководил С.Левит. Трудами самого Левита, а также С.Ардашникова, Р.Мартыновой и других были заложены основы важнейших направлений медицинской генетики. К сожалению, в 1936 г. институт был закрыт, а Левит – расстрелян. Все работы по медицинской генетике были прерваны на четверть века и целое поколение врачей осталось без столь необходимых генетических знаний.

Исключительно важное значение для дальнейшего развития генетики имели и работы второго крупнейшего представителя московской школы –С.С.Четверикова.

В 1926 году С.С. Четвериков публикует большую программную статью «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики», где показана связь теории эволюции и генетики. Как и в случае с Менделем, эта статья знаменовала собой рождение новой области – популяционной генетики. Она включала ряд новых концепций, предсказаний и описание методов их проверки. Прежде всего, это концепция «мутационного давления», процесса возникновения новых наследственных изменений (мутаций) – столь же неизбежного для природных видов, сколь неизбежен радиоактивный распад. Каждый вид «впитывает» в себя вновь возникающие мутации, они накапливаются в скрытом состоянии и могут служить источником эволюционных преобразований. Был сделан важный концептуальный вывод, что накопленное генное разнообразие должно выявляться в условиях изоляции и уже без всякого отбора приводить к различиям между популяциями и индивидами в природе. Четвериков создал понятие «генотипическая среда», а А.С. Серебровский ввел другое, столь же известное ныне, понятие «генофонд» - для сопоставления генных различий между популяциями. Т.о., удалось связать теорию Дарвина с менделевской генетикой.

Для выявления у гетерозигот скрытых рецессивных мутаций ученики С.С. Четверикова применили инбридинг – близкородственное скрещивание. Они исследовали природные популяции мух дрозофил, питающихся грибами- сапрофитами. После анализа потомства в ряду инбредных поколений было обнаружено, что некоторые мутации в разных популяциях встречаются повторно и в разных популяциях имеют разный спектр действия. Эти первые экспериментальные работы полностью подтвердили теоретические выводы С.С. Четверикова.

Далее, для проведения сравнительного анализа состава леталей в географически разобщенных популяциях была вовлечена большая группа исследователей. Работа продолжалась с 1929 по 1940 год. Было обнаружено, что в природе 20% аутосом несет в гетерозиготе летальную мутацию и практически каждая особь гетерозиготна по мутации, резко снижающей жизнеспособность. Удалось также количественно проанализировать динамику генного состава популяций дрозофил, сравнить генетический состав популяций из различных частей ареала, генетический состав одних и тех же популяций во времени, установить частоты разных типов физиологических мутаций, влияющих на жизнеспособность и плодовитость, провести наблюдение за частотой возникновения мутаций во времени и пространстве.

С.С. Четвериков подчеркивал нейтральный характер многих признаков, по которым идет дивергенция видов, и говорил о возможности неадаптивной эволюции.

Комплекс действия разных мутантных генов влияет на степень приспособленности организмов. Как показал Н.П. Дубинин в работах 1934-1937 годов, процесс мутирования и мутабильность организмов имеют адаптивное значение для популяций.

С.С. Четвериков организовал на Звенигородской биологической станции и в Институте экспериментальной биологии широкие исследования по поиску мутаций в природных популяциях. Его соратники Б.Астауров, Н.К. Беляев, С.М. Гершензон, П.Ф. Рокицкий, Д.Д. Ромашов, Н.В. Тимофеев-

Николай Владимирович Феодосий Григорьевич Добржанский

Тимофеев-Ресовский (1900-1981) (1900-1975)

Ресовский, Е.А. Тимофеева-Ресовская заложили в 1920-х - начале 1930-х годов основы генетики природных популяций.

Четвериков умел сплотить вокруг себя талантливых ученых. Он проводил на своей квартире семинар-кружок по проблемам эволюции под названием СООР («совместное орание»). Участники отбирались по типу эмпатии, они должны были свободно читать на трех языках научную литературу. В кружке создавалась атмосфера, оптимальная для развития научного таланта, широты и критичности мышления. Н.В. Тимофеев-Ресовский, оказавшись затем в Германии, организовал по типу СООР европейские семинары (или «трепы», по его словам) с участием многих известных биологов и физиков Европы.

В 1929 году С.С. Четвериков был вынужден прекратить свои популяционные работы и покинуть Москву. Спустя некоторое время лаборатория генетики возродилась под руководством Н.П. Дубинина. В дальнейшем, в исследованиях Н.В. и Е.А. Тимофеевых-Ресовских, Ф.Г. Добржанского Н.П. Дубинина, в работах ученых Р.Л. Берг, В.С. Кирпичникова, Ю.М. Оленова, А.А. Малиновского линия эволюционной и популяционной генетики получила дальнейшее развитие.

В 1930-е годы С.М. Гершензон и Кириков провели уникальные исследования по геногеографии меланистической мутации у обыкновенного хомяка и по сезонной динамике цветового полиморфизма. В ходе этих работ была вскрыта зональная приуроченность разных аллелей, показана адаптивная ценность сбалансированного полиморфизма. Н.В. Тимофеев-Ресовский изучил сезонную динамику полиморфизма окраски элитр у Adalia lipunctata в Центральной Европе и феногеографию окраски у другого вида «божьих коровок» Epilachna chrysomelina. Исследования сбалансированного полиморфизма показали, что не всякий полиморфизм ведет к дивергенции и вместе с тем, было показано, как в пределах ареала идет микроэволюция.

Одно из достижений московской школы – синтез данных генетики популяций и генетики онтогенеза. Е.И. Балкашина и Д.Д. Ромашов в 1935 году установили, что основу популяционной изменчивости составляют не «хорошие» мутации с четким наследованием, а группа наследственных изменений со сложным и нерегулярным характером наследования. При этом сходные фенотипы могут развиваться на основе разных генотипов. Понять аномалии наследования таких признаков помогли удивительные по ясности и глубине исследования Н.В. Тимофеева-Ресовского с 1925 по 1934 год. Уже в первой своей работе он сделал вывод о том, что «доминантность или рецессивность не являются специфическими свойствами самого гена, а зависят от того, на какую генотипическую почву попадет этот ген. Тот или иной генотип делает, так сказать, данный ген или рецессивным или доминантным». Тезис С.С. Четверикова о зависимости выражения гена от генотипической среды был подтвержден и здесь. Была предложена схема проявления гена, согласно которой, следует отдельно анализировать три координаты проявления гена: пенетратность, экспрессивность и специфичность. Каждый из этих модусов фенотипического проявления гена зависим от генотипической среды и может быть изменен независимо друг от друга. Линии, выделенные из географически удаленных популяций, различны по наборам генов-модификаторов, влияющих на параметры проявления гена.

Значение генотипической среды и роль комбинативной изменчивости в эволюции были также продемонстрированы в классических экспериментах Н.В. Тимофеева-Ресовского по жизнеспособности мутаций и их комбинаций. Им было установлено, что жизнеспособность мутаций зависит как от генотипической, так и от внешней среды. Мутации, вредные поодиночке, в комплексе могут оказаться полезными за счет взаимоослабления вредных сторон воздействия.

Особое место в развитии отечественной генетики занимает первая в России кафедра генетики Санкт-Петербургского университета, история которой с 1919 по 1942 г. связана с именами таких выдающихся генетиков, как Ю.А.Филипченко, Н.И.Вавилов, Г.А.Левитский, Л.И.Говоров.

На кафедре генетики, созданной Ю.А. Филипченко в 1919 году, в тяжелый период послереволюционной разрухи, впервые было начато преподавание генетики как самостоятельной дисциплины. Филипченко написал и опубликовал первые руководства – «Генетика» и «Изменчивость и методы ее изучения» в 1929 году, по которым училось все первое поколение генетиков нашей страны. Его учеником и ассистентом был Ф.Г. Добжанский, который вскоре, в 1927 году, получил стипендию Рокфеллера для работы в лаборатории Моргана и остался в США, будучи признан затем главой американских эволюционных биологов.

Будучи высоко одаренной личностью, Ю.А. Филипченко заражал своей увлеченностью исследовательской работой и стимулировал напряженный пульс работы кафедры. Талантливо читал лекции и проводил семинары, привлекавшие многочисленных слушателей и участников. В 1929 г. им было организовано и проведено важнейшее научно-общественное мероприятие в стране - Первый Всесоюзный съезд генетиков и селекционеров.

За свою короткую жизнь Ю.А.Филипченко сделал выдающийся вклад в генетику растений и домашних животных. Школой Филипченко впервые бала поставлена проблема использования генофонда аборигенных пород скота как источника для селекционной работы и использования диких родичей домашних животных для отдаленной гибридизации с домашними породами. По его инициативе был организован ряд экспедиций в Казахстан, Киргизию и Монголию, в которых приняли участие ученые Ф.Г. Доржанский, Я.Я. Лусис, Н.Н. Медведев, Н.Н. Колесник, Б.П. Войтецкий, А. И. Зуйтин, Ю.Л. Горощенко, И.Ф. Шульженко, Б.Ф. Румянцев. В результате ими были опубликованы серии научных трудов.

Основываясь на работах академика Н.В. Насонова по систематике диких баранов, Я.Я. Лусис предложил использовать архаров для отдаленной гибридизации с домашними овцами. Эти исследования осуществлялись под цитогенетическим контролем и привели уже в послевоенные годы к созданию архаромериносов как новой породы овец. В 1930-е годы в Аскании-Нова под руководством М.Ф. Иванова велись работы по гибридизации европейского муфлона с домашними овцами.

Бутарин, А.И. Зуйтин, И.И. Новиков, Г.М. Пхакадзе в 30-е годы ХХ века выполнили серию классических работ по цитогенетике млекопитающих и выявлению цитогенетических причин стерильности межвидовых гибридов. Классические работы по кариологии рыб были выполнены в те же годы А.А. Прокофьевой-Бельговской.

Наиболее крупной фигурой петербургской и всей российской генетики, получившей наибольшее мировое признание, был и надолго останется Н.И.Вавилов. Вавилов был одновременно генетиком, систематиком, эволюционистом, физиологом растений, выдающимся организатором науки и общественным деятелем, а также крупным географом-путешественником. Отметим здесь только три его новые концепции: 1) закон гомологических рядов в наследственной изменчивости; 2) учение о центрах происхождения культурных растений; 3) представление о сложной полиморфной структуре биологических видов. Закон Вавилова устанавливал определенные правила формообразования и позволял предсказывать у данного вида, еще не открытые, но возможные признаки (аналогия с системой Менделеева).

В 1921 году Вавилов переезжает из Саратова в Петроград и вскоре возглавляет Всесоюзный институт растениеводства – ВИР. В короткие сроки Вавилову удается создать ансамбль первоклассных исследователей, объединенных грандиозной задачей: собрать в ВИРе мировую коллекцию культурных растений и их сородичей, выявить потенциал ценных генов и ввести их в селекцию. За 10-15 лет эта задача была, в основном, выполнена.

Три основные концепции современной популяционной биологии – популяция как элементарная единица эволюционного процесса, популяция как основная единица управления живыми природными ресурсами (единица регулирования численности, эксплуатации, охраны) и популяция как единица биомониторинга – должны быть основаны в первую очередь на генетическом исследовании популяции. Однако уже давно стала ясна невозможность собственно генетического (с анализом изучаемых признаков в скрещивании) изучения сколько-нибудь значительного числа популяций в природе. В настоящее время число относительно полно популяционно-генетически изученных видов составляет не более тысячных долей процента общего числа существующих видов. И даже если можно было бы сконцентрировать в области популяционной генетики в десятки раз больше сил (что маловероятно), то и тогда доля популяционно-генетически изученных видов заметно не увеличилась бы.

Принципиальный выход из этой, казалось, безнадежной ситуации был намечен Н.И. Вавиловым еще в 1920-е годы – изучение широкого круга видов – на основе допущения, что признаки, маркирующие генотипическую структуру генетически изученных видов, могут быть такими же маркерами и для более или менее родственных видов.

Бурное развитие генетических исследований после переоткрытия законов Менделя привело к накоплению поистине огромной информации о наследственной изменчивости многих видов высших животных и растений, а позднее – бактерий, грибов, водорослей и вирусов. Крупнейшим обобщением Н.И.Вавилова, к которому он подошел, осмысливая имеющуюся информацию, наблюдая огромную изменчивость культурных растений в Иране и Средней Азии, анализируя во время работы в Саратове коллекцию сельскохозяйственных растений различного происхождения, а также отталкиваясь от важнейшего принципа менделизма – дискретности признаков, был закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, сформулированный в 1920 году следующим образом:

1. Виды и роды, генетически близкие между собой, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм для одного вида, можно предвидеть нахождение сходных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и линнеоны (т.е. виды), тем полнее сходство в рядах их изменчивости.

2. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды, составляющие семейство.

 

В дальнейшем Вавилов отметил необходимость генетического анализа тех признаков, которые у разных видов и родов показывают параллельную изменчивость. К 1935 году, когда соответствующие факты были уже накоплены, Вавилов сделал следующее заключение: «Исходя из поразительного сходства в фенотипической изменчивости видов в пределах одного и того же рода или близких родов, обусловленного единством эволюционного процесса, можно предполагать наличие у них множества общих генов наряду со спецификой видов и родов». Установленный Н.И. Вавиловым закон гомологических рядов в наследственной изменчивости можно считать первым капитальным законом сравнительной генетики – новой области знания, вставшей в один ряд с другими сравнительными биологическими дисциплинами: сравнительной анатомией, сравнительной морфологией и др. В самой формулировке закона гомологических рядов заложена его предсказательная сила, позволяющая на основе накопленной информации планировать исследования по выявлению определенных типов и вариантов изменчивости. Размах мутационной изменчивости каждого вида подчиняется закону гомологических рядов в наследственной изменчивости, установленному великим русским ученым Н.И. Вавиловым.

Как самому Н.И. Вавилову, так и другим ученым удалось выявить ранее неизвестные варианты изменчивости, которые вначале были предсказаны на основе этого закона.

Этот закон был установлен Н.И. Вавиловым для растений, но он полностью соответствует характеру мутационной изменчивости и у животных. Например, для всех видов млекопитающих характерно появление коротконогих и карликовых мутантов; для близких видов в пределах одного семейства или для животных близких семейств можно предсказать возможность появления сходной окраски меха – белой, коричневой, серой, черной. Важное значение имеет закон Н.И. Вавилова и при получении индуцированных мутаций.

Установление закона гомологических рядов – важнейшее достижение второго этапа в развитии генетических исследований параллелизма в изменчивости. Ряды наследственной изменчивости родственных видов и родов сходны потому, что у них изменяются гомологичные гены.

Именно на этой основе в 70-е годы ХХ века сформировалось новое направление генетических исследований, тесно связывавшее в рамках популяционной биологии генетические, зоологические и ботанические исследования, - фенетика популяций, основоположниками которой стали отечественные ученые Тимофеев-Ресовский, Яблоков, Ларин.

Одновременно с Н.И. Вавиловым к таким же выводам пришел Э. Бауэр в 1919 году, а в США в эти же годы развернулись исследования по сравнительной генетике разных видов дрозофилы учеными Стертевантом и Морганом, Планкеттом и Тэном. «Фенотипический параллелизм» мутаций у разных видов дрозофилы, выявленный при генетическом анализе из природных популяций, отмечали в 1920-е годы Е.И. Балкашина, Д.Д. Ромашов, Е.А. и Н.В. Тимофеевы-Ресовские.

Закон гомологических рядов стал теоретической основой для сбора морфотипов коллекций мировых ресурсов культурных растений. Большое влияние эти работы оказали на А.А. Заварзина и его учение о параллелизмах клеточных и тканевых структур, разработанное в 1920-1930-е годы.

Другим важнейшим обобщением Н.И.Вавилова явилась теория центров происхождения и формообразования культурных растений. Обобщая данные популяционной генетики, ботанической географии, истории, эта теория лежит на стыке нескольких наук. В своем генетическом аспекте – утверждение о неравномерном распределении генов (точнее, аллелей) по видовому ареалу, теория Вавилова дала импульс к формированию геногеографии и экологической генетики, изучающих, как это в свое время делал Николай Иванович на материале культурных растений, генный состав популяций в зависимости от их истории, географических факторов и экологических условий.

Изучение огромного ботанического материала и в местах естественного произрастания растений, и на опытных делянках, анализ внутривидовой изменчивости привели Н.И.Вавилова к построению концепции вида как сложной динамичной системы генотипов, связанной с определенной средой и ареалом. Работа о виде («Линнеевский вид как система»,1931 г.), поставила Н.И.Вавилова в ряд основоположников синтетической теории эволюции.

Заслуга Н.И. Вавилова в развитии генетики состоит также в том, что он тесно связал ее с селекционной практикой, давшей новые импульсы как самой науке о наследственности и изменчивости, так и ее более широкой общебиологической основе.

Отмечая огромный вклад Н.И.Вавилова в развитие генетики, следует остановиться еще на двух направлениях его деятельности: организация генетических учреждений и руководство ими, а также пропаганда (а в последние годы жизни и защита) генетики.

В ВИРе Николай Иванович создал специальный отдел генетики, к руководству которым был привлечен молодой талантливый генетик Г.Д.Карпеченко. Наиболее известны его работы, посвященные отдаленной гибридизации растений, развившие исследования самого Вавилова в этой области.

В 1930 году Н.И.Вавилов, за год до этого избранный действительным членом Академии наук СССР по специальности генетика, взял на себя руководство первым генетическим учреждением в системе академии – Лабораторией генетики. Она создавалась на базе Бюро по генетике, организованном профессором ЛГУ Ю.А.Филипченко, неожиданно скончавшимся в 1930 году. В качестве заведующего Вавилов собрал в лаборатории всех молодых учеников Ю.А.Филипченко, многие из которых стали потом известными учеными: М.Л.Бельговского, Ю.Я.Керкиса, А.А.Прокофьеву и других. Для работы в лаборатории были привлечены крупнейшие советские ученые – генетик А.А.Сапегин и цитолог Г.А.Левитский, а также болгарский цитогенетик Д.Костов и выдающиеся американские генетики К.Бриджес и Г.Меллер (впоследствии лауреат Нобелевской премии). В 1933 году лаборатория была переименована в Институт генетики АН СССР, который Н.И.Вавилов старался превратить в мировой центр генетических исследований. Расширился круг направлений, которые здесь разрабатывались, основными из которых были следующие:

1. разработка учения о мутациях и смежной с ним проблемы гена;

2. межвидовая гибридизация;

3. материальные основы наследственности;

4. наследственность количественных признаков;

5. происхождение домашних животных и культурных растений.

В 1937 году по инициативе Н.И.Вавилова очередной международный конгресс по генетике должен был состояться в Москве. Была начата соответствующая организационная работа, однако провести конгресс в СССР оказалось в то время невозможным.

Свидетельством высокого авторитета Николая Ивановича Вавилова как генетика было избрание его вице-президентом VI Международного генетического конгресса в 1932 году ( Итака, США) и почетным президентом VII конгресса (1939 год, Эдинбург, Великобритания). Участвовать в последнем Вавилов уже не смог.

Н.И.Вавилов посвятил много статей генетике, прежде всего разъясняя ее отношение к практической селекции. Особое место в его научном творчестве занимает серия очерков-портретов выдающихся генетиков Кельрейтера, Менделя, Де Фриза, Бетсона, Моргана, Меллера. По инициативе и под редакцией Вавилова были изданы труды классиков генетики.

Большой вклад в развитие генетики и, в частности, эволюционной генетики растений внесли сподвижники Н.И.Вавилова – Г.А.Левитский и Г.Д.Карпеченко.

В 1924 году Левитский – выдающийся цитогенетик – ввел в биологию термин «кариотип» для описания базовых особенностей морфологии хромосом одного вида и сравнения их между собой у разных организмов и видов. В 1934 году он впервые показал, как под действием облучения хромосомы распадаются на фрагменты и перестраиваются.

Г.Д.Карпеченко впервые получил межродовые гибриды растений. Еще в 20-е годы, работая в ВИРе, Карпеченко создал удивительный метод хромосомной инженерии и показал возможность преодоления бесплодия гибридов за счет удвоения наборов хромосом обоих родителей. Таким путем впервые были получены гибриды между капустой и редькой. Ядра таких гибридов содержали диплоидные хромосомы как редьки, так и капусты (18 Р

+ 18 К), и именно поэтому растения отличались правильным мейозом и оказались высокоплодовитыми. Карпеченко назвал полученный им аллополиплоид рафанобрассика. Итоги этой работы 1927 года рассматривались автором как «экспериментальное обоснование теории

Георгий Дмитриевич Карпеченко Григорий Андреевич Левитский

(1899-1941) (1878-1942)

гибридного происхождения полиплоидных видов».

Позднее были созданы новые виды пшениц при их отдаленной гибридизации друг с другом и с сородичами (А.Р.Жебрак, В.А.Хижняк), а в 1961 году Б.Л.Астауров и В.Н.Верейский получили плодовитые межвидовые гибриды и у животных на примере тутового шелкопряда.

Огромный вклад в разработку теории отдаленной гибридизации, а также в развитие популяционной и эволюционной генетики внес и А.С.Серебровский, с 1930 года организовавший и возглавивший кафедру генетики МГУ. В 1930 году он основал новую область исследования - геногеографию, в задачу которой входит изучение закономерностей распределения генов в пространстве и во времени. Среди геногеографических факторов, влияющих на структуру популяций, А.С. Серебровский еще в 1928 году назвал «некоторые автоматические процессы», изменяющие генотипический состав популяции, подразумевая под этим колебания численности, ведущие к нарушению закона Харди -Вайнберга. Впоследствии эти наметки были развиты в концепции генетико-автоматических процессов Д.Д. Ромашова и Н.П. Дубинина. Геногеография, по А.С. Серебровскому, - наука историческая: неоднородность распределения генов в популяциях может зависеть от человеческой истории, антропогенных факторов. Он особо подчеркивал специфику методов и задач геногеографии, по сравнению с анализом географического распространения разных признаков – фенов, чем всегда занимались систематики.

Эти геногеографические явления А.С. Серебровский связывал с процессами, происходящими в генофонде, такими, как диффузия генов из центров возникновения, течения или потоки генов, вызванные передвижением самих популяций, привнесение в генофонд новых генов через мутационный процесс и процесс метисации, стохастический процесс изменения генофонда и т.д. Ни теории, ни математических моделей этих процессов тогда еще не существовало, но существование самих процессов в генофонде для А.С. Серебровского было несомненным. В изучении этих процессов он видел путь выяснения истории генофонда и воссоздания ее через геногеографию отдельных генов.

Большой вклад отечественные ученые внесли и в развитие мутационной теории первой половины ХХ века. В 1925 году Г.А.Надсон и Г.С.Филипов открыли индуцированный мутагенез с помощью рентгеновских лучей у грибов Mucor, положив начало развитию радиационной генетики.

В 1935 году Н.В. Тимофеевым-Ресовским, К. Цимлером и М. Дельбрюком на основании анализа радиационного мутагенеза у высших организмов и, прежде всего, у дрозофилы было предложено первое объяснение механизма мутационных изменений (точковых мутаций и хромосомных аберраций). Мутация рассматривалась как результат мгновенной перестройки атомов в сложной молекуле гена. Причиной такой перестройки считалось непосредственное попадание в ген кванта или ионизирующей частицы или же случайные колебания атомов. Открытие в дальнейшем эффекта последствия ионизирующих излучений указало на то, что в этом случае мутации возникают в результате процесса, длящегося во времени, а не непосредственно в момент мутационного воздействия.

Перспективы преодоления этих и других противоречий молодой теории мутационного процесса были намечены в 1946 году в физиологической гипотезе М.Е. Лобашева. Суть ее заключалась в том, что благодаря способности клетки репарировать полученные повреждения, становление мутации должно осуществляться в процессе обратимости повреждения, т.е. в процессе восстановления (репарации). Это означало, что появлению мутации должно предшествовать предмутационное состояние или потенциальное изменение, которое может быть устранено (тождественная репарация) или реализуется в виде мутации (нетождественная репарация). Для доказательства существования таких предмутационных состояний М.Е. Лобашев и его ученики К.В. Ватти, М.М. Тихомирова и другие использовали в опытах с дрозофилой, облученной рентгеновскими лучами, дополнительное воздействие высокой температурой, которая сама по себе практически не вызывала мутаций. Мухи после этого обнаруживали более высокую мутабильность, чем после воздействия только рентгеновскими лучами.

Огромное влияние на формирование этой гипотезы оказала теория паранекроза Д.Н. Насонова и В.Я. Александрова, согласно которой клеточные структуры (прежде всего белковые молекулы) способны к обратимой денатурации после воздействия различных повреждающих агентов.

Несмотря на то, что физиологическая гипотеза мутационного процесса была сформулирована на основе представлений о белках, как носителях генетической информации, общепринятых в то время, она оказалась справедливой и в отношении молекул ДНК.

Эксперименты Г.А. Надсона и Г.С. Филиппова с грибами в 1925 году, Г. Меллера с дрозофилой в 1927 году доказали, что скорость мутационного процесса может быть изменена при воздействии ионизирующих излучений. Закономерно возникал вопрос: могут ли другие внешние агенты, в частности химические соединения, влиять на наследственную изменчивость?

Разработав правильный подход, М.Е. Лобашев смог открыть мутагенное действие химических веществ в 1934 году одновременно и независимо с В.В. Сахаровым.

В последующие годы изучение химического мутагенеза стало одним из важнейших разделов генетики. Приоритет отечественной генетики в этой области исследований признан мировой наукой. Впервые в истории науки генетики возникает идея о мутировании не как о мгновенном акте, а как о процессе, текущем во времени, имеющем обратимый характер. Т.о. была высказана мысль о возможности восстановления клетки, находящейся в предмутационном состоянии. Следовательно, открылась возможность вмешательства в процесс становления мутаций, т.е. возможность как ускорения, так и замедления его течения. Впервые был поставлен и вопрос о роли системного, организменного контроля мутационного процесса. Это была принципиально новая теория мутационного процесса, опередившая события не менее, чем на два десятилетия. Правда, гипотеза была тогда еще недостаточно обоснована экспериментально, но рисовала огромные перспективы исследования.

Возможность такого научного предвидения была во многом определена новым методом, примененным для изучения мутационного процесса. Этот метод сводился к последовательному действию двух различных агентов. Впервые он был использован в 1937 году М.Е. Лобашевым и М.Г. Павловцем для анализа рецессивных, сцепленных с полом летальных мутаций и транслокаций у самцов дрозофилы. В 1947 году М.Е. Лобашев в ходе экспериментов с использованием двух мутационных агентов выявил, что действие двух агентов не суммируется, а приводит к прогрессивному возрастанию эффекта. Повреждение, возникающее при действии агента, может быть обратимым. При этом восстановление бывает либо тождественным, и тогда повреждение остается незамеченным, либо нетождественным, и тогда регистрируется мутация. Тождественной репарации может препятствовать действие второго агента. Этим и объясняется прогрессивное увеличение частоты мутаций при последовательном действии двух агентов.

Значительно позже после опубликования физиологической гипотезы мутационного процесса – в 50-е годы ХХ века – появились работы, в которых было убедительно показано, что мутации возникают в процессе изменений, происходящих в клетке как в момент облучения, так и после него. Они свидетельствуют о существовании последствия радиации, о которой говорил Лобашев еще в 1947 году. Сейчас представление о мутировании как процессе общепризнано.

В. Мак-Элрой и К. Свенсон в США в 1951 году предложили гипотезу о метастабильном состоянии гена, из которого он может переходить в исходное состояние или в новое стабильное состояние, регистрируемое как мутационное. По сути дела – это повторение идеи М.Е. Лобашева.

В.П. Эфроимсон в 1940 году постулировал принцип равновесия между частотой возникновения леталей и частотой их элиминации при переходе в гомозиготное состояние. Выяснилось, что общее количество накопленных в гетерозиготе аутосомных леталей может изменяться по мере резкого изменения численности популяций. В большинстве популяций дрозофил летали возникают в несколько раз чаще, чем элиминируются из популяции. Это значит, что многие из них отрицательно влияют на приспособленность их носителей еще в гетерозиготе и подвержены отбору. Впоследствии ученые Р.Б. Хесин и Н.И. Шапиро в 1974 году установили, что среди вновь возникающих мутаций большинство вызывает гибель на ранних этапах развития. Но среди леталей, распространенных в природе, большинство действует лишь на стадии куколки.

С 1935 года, когда была создана методика исследования политенных хромосом, Н.П. Дубинин, Н.Н. Соколов и Г.Г. Тиняков провели серию работ по распространению хромосомных мутаций в природных популяциях разных видов дрозофил. При этом были установлены высокая насыщенность популяций инверсиями, найденными в гомо- и гетерозиготном состояниях и зависимость концентрации определенных инверсий от действия отбора и экологии популяции, т.е. показано адаптивное значение ряда хромосомных мутаций.

В 1938 году Н.И. Шапиро сформулировал представление о том, что темп мутирования – адаптивный признак вида, находящийся в обратной зависимости от продолжительности жизни. Если бы темп мутирования не регулировался, то хромосомы долгоживущих видов накапливали бы огромное количество леталей.

В середине 30-х годов учеными Н.П. Дубининым, Б.Н. Сидоровым, В.В. Хвостовой и А.А. Прокофьевой-Бельговской был открыт и изучен «эффект положения» генов, когда нормальный ген, будучи искусственно перенесен в другое место хромосомы, менял характер своего проявления. Этот феномен, связанный с регуляторными отношениями между генами, является и ныне одной из горячих точек современной науки. Выдающееся значение для эволюционной генетики имеет проведенный Е.И. Балкашиной в 1928 году анализ гомеозисной мутации aristopedia. Она показала, что действие мутантного гена состоит в преждевременной стимуляции имагинальных дисков антенн: их зачатки начинают сегментироваться в период сегментации ножек, что запускает дифференциацию органа по иному морфогенетическому пути. Е.И. Балкашина отмечала, что эта мутация «выбивает» измененных мух за пределы класса насекомых.

Проанализированная в 1927 году гомеозисная мутация tetraptera переносит признаки мутантов за пределы отряда

двукрылых. Эти мутации можно рассматривать как изменения одного гена, ведущее к неотении. Б.Л. Астауров показал, что неотения может иметь мозаичный характер, изменяя развитие одних органов и не затрагивая остальные структуры.

Борис Львович Астауров Александра Алексеевна Прокофьева-

(1904-1974) Бельговская (1903-1984)

 

Позднее, в 1950-е годы явление мозаичности эволюции было изучено Г. де Биром, А.А. Тахтаджаняном и Н.Н. Воронцовым. Анализируя данные своих учеников, Н.К. Кольцов, вслед за В. Гаретангом, сделал вывод о роли неотении в эволюции: « Очевидно, что миллионы лет назад неотения возникла у родоначальников рода Drosophila под влиянием немногих генов, подавляющих развитие соответствующих органов, а теперь эти гены мутировали обратно или же возникли новые гены, сразу отомкнувшие возникший в древние времена запор…Результаты…позволят нам, быть может, вскрыть природу одного мутационного толчка к неотении, который имел место миллионы лет назад и о котором не сохранилось ясных палеонтологических данных». Позднее, в 1940 году, внимание к возможной роли гомеозисных мутаций привлек Р. Гольдшмидт, однако в период торжества синтетической теории эволюции градуализм казался обязательным условием филогенеза. Лишь в 1970-е годы мнения генетиков-эволюционистов начали меняться, возникла новая волна интересов к роли макромутаций, гетерохронии и неотении в эволюции. Неотения рассматривается сегодня в аспекте мутационных изменений, приводящих к гетерохронии, сальтоционному изменению фенотипа, и как альтернатива классической градуалистической модели видообразования.

Большая заслуга в дальнейшем развитии химического мутагенеза и создании химических супермутагенов, в сотни раз повышающих уровень спонтанного мутирования, принадлежит российскому ученому И.А. Рапопорту. Индуцированный мутагенез позволяет наиболее полно выявить возможности генотипа, создать генетические коллекции с учетом всех возможных изменений органов, признаков и свойств у данного вида. Мутации имеют исключительно важное значение при составлении генетических карт разных видов и широко используются в селекции растений для создания исходного материала.

В середине 30-х гг. году под впечатлением успехов генетики в России было решено провести очередной Международный Генетический Конгресс в Москве. Но на это советские власти не дали разрешения. Надвигалась эпоха Лысенко.