Биология - очень объемная наука, которая охватывает все стороны жизни каждого живого существа, начиная от строения его микроструктур внутри тела и заканчивая связью с внешней средой и космосом. Именно поэтому разделов у этой дисциплины очень много. Однако одним из самых молодых, но перспективных и имеющих сегодня особенно важное значение является генетика. Она зародилась позже остальных, но сумела стать самой актуальной, важной и объемной наукой, имеющей собственные цели, задачи и объект изучения. Рассмотрим, какова история развития генетики и что представляет собой эта ветвь биологии.
Генетика: предмет и объект изучения
Свое название наука получила только в 1906 году по предложению англичанина Бэтсона. Определение ей можно дать следующее: это дисциплина, изучающая механизмы наследственности, ее изменчивости у разных видов живых существ. Следовательно, основной целью генетики является выяснение строения структур, ответственных за передачу наследственных признаков, и исследование самой сути этого процесса.
Объектами изучения являются:
- растения;
- животные;
- бактерии;
- грибы;
- человек.
Таким образом, она охватывает вниманием все царства живой природы, не забыв ни одного из представителей. Однако на сегодняшний день максимально поставлены на поток исследования именно одноклеточных простейших существ, все эксперименты по генетике проводятся на них, а также на бактериях.
Чтобы прийти к имеющимся теперь результатам, история развития генетики прошла длинный и тернистый путь. В разные периоды времени она подвергалась то интенсивному развитию, то полному забвению. Однако в итоге все же получила достойное место среди всей семьи биологических дисциплин.
История развития генетики кратко
Чтобы охарактеризовать основные вехи становления рассматриваемой ветви биологии, следует обратиться в не столь далекое прошлое. Ведь свое начало генетика берет из XIX века. А официальной датой ее зарождения как полностью обособленной дисциплины считается 1900 год.
Кстати, если говорить совсем уже об истоках, то следует заметить попытки селекции растений, скрещивания животных еще очень давно. Ведь этим занимались земледельцы и скотоводы еще в XV веке. Просто происходило это не с научной точки зрения.
Таблица "История развития генетики" поможет освоить ее главные исторические моменты становления.
| Период развития | Основные открытия | Ученые |
| Начальный (вторая половина XIX века) | Гибридологические исследования в области растений (исследование поколений на примере вида гороха) | Грегори Мендель (1866 год) |
| Открытие процесса изучение полового размножения и его значения для закрепления и передачи признаков от родителей к потомству | Страсбургер, Горожанкин, Гертвиг, Ван-Беневин, Флемминг, Чистяков, Вальдейр и другие (1878-1883 гг.) | |
| Средний (начало-середина XX века) | Это период максимально интенсивного роста развития генетических исследований, если рассматривать историческую эпоху в целом. Ряд открытий в области клетки, его значения и механизмов работы, расшифровка строения ДНК, разработка и скрещивания, закладывание всех теоретических основ генетики приходится именно на этот период времени | Множество отечественных ученых и генетиков со всего мира: Томас Морган, Навашин, Серебряков, Вавилов, де Фриз, Корренс, Уотсон и Крик, Шлейден, Шванн и многие другие |
| Современный период (вторая половина XX века и до сегодняшнего дня) | Этот период характеризуется рядом открытий в области микроструктур живых существ: детальное изучение строения молекул ДНК, РНК, белка, ферментов, гормонов и прочее. Выяснение глубинных механизмов кодирования признаков и передача их по наследству, генетический код и его расшифровка, механизмы трансляции, транскрипции, репликации и так далее. Огромное значение имеют дочерние генетические науки, которых именно в этот период сформировалось немало | В. Эльвинг, Ноден и другие |
В приведенной выше таблице история развития генетики кратко отображена. Далее рассмотрим более подробно главные открытия разных периодов.
Основные открытия XIX века
Главными трудами этого периода стали работы трех ученых из разных стран:
- в Голландии Г. де Фриз - изучение особенностей наследования признаков у гибридов разных поколений;
- в Германии К. Корренс - сделал то же самое на примере кукурузы;
- в Австрии К. Чермак - повторил опыты Менделя на посевном горохе.
Все эти открытия базировались на написанных 35 годами ранее работах Грегори Менделя, который проводил многолетние исследования и все результаты фиксировал в научных трудах. Однако эти данные не вызвали интереса у его современников.
В этот же период история развития генетики включает в себя ряд открытий по изучению половых клеток человека и животных. Доказано, что некоторые признаки, которые передаются по наследству, закрепляются без изменений. Другие же являются индивидуальными для каждого организма и выступают результатом приспособления к условиям окружающей среды. Работы проводились Страсбургером, Чистяковым, Флеммингом и многими другими.
Развитие науки в XX веке
Так как официальной датой рождения считается то неудивительно, что именно в XX веке вершилась история развития генетики. исследования, созданный к этому времени, позволяет медленно, но верно получать потрясающие результаты.
Создание новейших достижений техники дает возможность заглянуть в микроструктуры - это еще более продвигает генетику вперед в развитии. Так, были установлены:
- структуры ДНК и РНК;
- механизмы их синтеза и репликации;
- молекула белка;
- особенности наследования и закрепления;
- локализация отдельных признаков в хромосомах;
- мутации и их проявления;
- появился доступ к управлению генетическим аппаратом клетки.
Наверное, одним из самых важных в этот период открытий стала расшифровка ДНК. Это было сделано Уотсоном и Криком в 1953 году. В 1941-м было доказано, что признаки кодируются в белковых молекулах. С 1944 по 1970 г. сделаны максимальные открытия в области строения, репликации и значения ДНК и РНК.
Современная генетика
История развития генетики как науки на современном этапе проявляется в интенсификации разных ее направлений. Ведь сегодня существуют:
- молекулярная генетика;
- медицинская;
- популяционная;
- радиационная и прочие.
Вторую половину XX и начало XXI века для рассматриваемой дисциплины принято считать геномной эрой. Ведь современные ученые вмешиваются уже непосредственно в весь генетический аппарат организма, учатся изменять его в нужную сторону, управлять происходящими там процессами, снижать патологические проявления, купировать их в корне.
История развития генетики в России
В нашей стране рассматриваемая наука начала свое интенсивное становление лишь во второй половине XX века. Все дело в том, что долгое время наблюдался период застоя. Это времена правления Сталина и Хрущева. Именно в эту историческую эпоху случился раскол в ученых кругах. Т. Д. Лысенко, имевший власть, заявил о том, что все исследования в области генетики недействительны. А сама она не является наукой вообще. Заручившись поддержкой Сталина, он всех известных генетиков того времени отправил на смерть. Среди них:
- Вавилов;
- Серебровский;
- Кольцов;
- Четвериков и другие.
Многие вынуждены были подстраиваться под требования Лысенко, чтобы избежать смерти и продолжать исследования. Некоторые эмигрировали в США и другие страны.
Только после ухода с поста Хрущева генетика в России получила свободу в развитии и интенсивный рост.
Отечественные ученые-генетики
Самыми значительными открытиями, которыми может гордиться рассматриваемая наука, стали и те, что осуществились нашими соотечественниками. История развития генетики именно в России связана с такими именами, как:
- Николай Иванович Вавилов (учение об иммунитете растений, и прочее);
- Николай Константинович Кольцов (химический мутагенез);
- Н. В. Тимофеев-Ресовский (основоположник радиационной генетики);
- В. В. Сахаров (природа мутаций);
- М. Е. Лобашев (автор методических пособий по генетике);
- А. С. Серебровский;
- К. А. Тимирязев;
- Н. П. Дубинин и многие другие.
Этот список можно продолжать еще долго, ведь во все времена русские умы были великими во всех отраслях и научных областях знаний.
Направления в науке: медицинская генетика
История развития медицинской генетики берет свое начало гораздо раньше, чем общая наука. Ведь еще в XV-XVIII веках были доказаны явления передачи по наследству таких заболеваний, как:
- полидактилия;
- гемофилия;
- прогрессирующая хорея;
- эпилепсия и прочие.
Была установлена отрицательная роль инцеста в сохранении здоровья и нормального развития потомства. Сегодня этот раздел генетики является очень важной областью медицины. Ведь именно он позволяет контролировать проявления и купировать многие генетические мутации еще на стадии эмбрионального развития плода.
Генетика человека
История развития берет свое начало намного позже общей генетики. Ведь заглянуть внутрь хромосомного аппарата людей стало возможным лишь при использовании самых современных технических устройств и методов исследования.
Человек стал объектом генетики в первую очередь с точки зрения медицины. Однако основные механизмы наследования и передачи признаков, закрепления и проявления их у потомства для людей ничем не отличаются от таковых у животных. Поэтому не обязательно объектом исследования использовать именно человека.
Р.Ш. Шамшутдинов, 10 «б», школа № 10
Доклад на тему:
«Генетика»
Первые генетические представления формировались в связи с сельскохозяйственной и медицинской деятельностью людей. Исторические документы свидетельствуют, что уже 6 тысяч лет назад в животноводстве составлялись родословные, люди уже понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения другому. Наблюдения о наследовании повышенной кровоточивости у лиц мужского пола (гемофилия) отражены в религиозных документах, в частности, в Талмуде (4-5 века до н. э.). Передача по наследству из поколения в поколение определенных признаков составляет понятие одного из важнейших свойств живого – наследственность . Отбирая определенные организмы из природных популяций и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами. Из этого следует, что человек замечал и различия, возникающие в поколениях живых организмов и отличающие потомство от родителей. То есть человек имперически (без полного понимания сути процесса) использовал другое основополагающее свойство живого – изменчивость .
Таким образом, наследственность – свойство живых организмов обеспечивать структурную и функциональную преемственность между поколениями, а изменчивость – изменения наследственных задатков, возникающие в поколениях.
Фундаментальные характеристики живого наследственность и изменчивость тесно связаны с размножением и индивидуальным развитием и служат необходимыми предпосылками процесса эволюции. Благодаря изменчивости существует разнообразие живых форм, а наследственность сохраняет эволюционный опыт биологического вида в поколениях.
Генетика – наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, а также биологические механизмы, их обеспечивающие.
Первый действительно научный шаг вперед в изучении наследственности был сделан австрийским монахом Грегором Менделем, который в 1866 г. опубликовал статью, заложившую основы современной генетики. Мендель показал, что наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей потомкам в виде дискретных (обособленных) единиц. Эти единицы, представленные у особей парами (аллелями), остаются дискретными и передаются последующим поколениям в мужских и женских гаметах, каждая из которых содержит по одной единице из каждой пары. В 1909 г. датский ботаник Иогансен назвал эти единицы «генами», а в 1912 г. американский генетик Морган показал, что они находятся в хромосомах.
Официальной датой рождения генетики считают 1900 год, когда были опубликованы данные Г. де Фриза, К.Корренса и К.Чермака, фактически переоткрывших закономерности наследования признаков, установленные Г.Менделем. Первые десятилетия 20-го века оказались исключительно плодотворными в развитии основных положений и направлений генетики. Было сформулировано представление о мутациях, популяциях и чистых линиях организмов, хромосомная теория наследственности, открыт закон гомологических рядов, получены данные о возникновении наследственных изменений под действием рентгеновских лучей, была начата разработка основ генетики популяций организмов.
В1953 году в международном научном журнале была напечатана статья биологов Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о строении дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – одного из веществ, постоянно присутствующих в хромосомах. Структура ДНК оказалась совершенно необычной! Её молекулы имеют огромную по молекулярным масштабам длину и состоят из двух нитей, сплетённых между собой в двойную спираль. Каждую из нитей можно сравнить с длинной нитью бус. У белков «бусинами» являются аминокислоты 20 различных типов. У ДНК – всего 4 типа «бусин», и зовутся они нуклеотидами. «Бусины» двух нитей двойной спирали ДНК связаны между собой и строго друг другу соответствуют. Чтобы наглядно представить себе это, вообразим две рядом лежащие нитки бус. Напротив каждой красной бусины в одной цепи лежит, допустим, синяя бусина в другой. Напротив каждой зелёной – жёлтая. Точно также в ДНК напротив нуклеотида аденина находится тимин, напротив цитозина – гуанин. При таком построении двойной спирали каждая из цепей содержит сведения о строении другой. Зная строение одной цепи, всегда можно восстановить другую. Получается две двойные спирали – точные копии их предшественницы. Это свойство точно копировать себя с исходной матрицы имеет ключевое значение для жизни на Земле. Реакции матричного синтеза не известны в неживой природе. Без этих реакций живое утратило бы своё главное свойство – способность воспроизводить себя. В нитях ДНК четырёхбуквенной азбукой из «бусин»-нуклеотидов записано строение всех белков живых организмов. Вся информация, касающаяся строения одного белка, занимает в ДНК небольшой участок. Этот участок и является геном. Из четырёх букв «алфавита ДНК» можно составить 64 трёхбуквенных «слова» – триплета. Словаря из 64 слов-триплетов вполне хватает, чтобы записать названия 20 аминокислот, входящих в состав белков.
Решающее значение для развития генетики на настоящем этапе имеют открытие «вещества наследственности» – дезоксирибонуклеиновой кислоты, расшифровка генетического кода, описание механизма биосинтеза белка.
Исторически интерес медицины к генетике формировался первоначально в связи с наблюдениями за наследуемыми патологическими (болезненными) признаками. Во второй половине 19-го века английский биолог Ф.Гальтон выделил как самостоятельный предмет исследования «наследственность человека». Он же предложил ряд специальных методов генетического анализа: генеалогический, близнецовый, статистический. Изучение закономерностей наследования нормальных и патологических признаков и сейчас занимает ведущее место в генетике человека .
Обнаружение взаимосвязи между генами и белками (ферментами) привело к созданию биохимической и молекулярной генетики (молекулярной биолгии) . Иммуногенетика изучает генетические основы иммунных реакций организма человека. Выяснение первичного биохимического нарушения, приводящего к наследственному заболевания, облегчает поиск путей лечения таких болезней. Так, заболевание фенилкетонурия, обусловленное недостаточным синтезом определенного фермента, регулирующего обмен аминокислоты фенилалалина, поддается лечению, если из пищи исключить эту аминокислоту. Раньше же, дети, родившиеся с таким пороком, были обречены.
Изучение роли генетических факторов и факторов среды в развитии заболеваний с наследственным предрасположением составляет один из ведущих разделов медицинской генетики .
Популяционная генетика изучает распределение пар генов в группах живых организмов, закономерности и причины этого распределения.
Цитогенетика – раздел генетики, изучающий распределение генов в хромосомах эутокариотов, картирование генов в хромосомах.
Изменения в генетическом материале могут возникнуть под воздействие факторов окружающей среды. Так существует раздел генетики – радиационная генетика – предметом изучения которого является влияние на генотип излучающих физических факторов.
Существовали и существуют и спорные, неоднозначно воспринимаемые обществом, разделы генетики. Так, в последней четверти 19-го века Ф.Гальтон поставил вопрос о развитии особой науки – евгеники . Ее задачей должно было стать улучшение человеческого рода путем повышения в генотипе количества полезных генов и снижения доли вредных через систематическое избирательное размножение одаренных людей и ограничение репродукции асоциальных индивидуумов, например, преступников. Вскоре выяснилось, что, даже не принимая во внимание этические основы жизни человечества, это невозможно чисто практически. Современная генетика, молекулярная биология и медицина располагают средствами манипулирования с наследственным материалом, намного превосходящим по своим возможностям ограничение браков. Это искусственное осеменение и зачатие «в пробирке» с последующим перемещением зародыша в матку женщины, отбор зародышей на ранних стадиях развития, генетическая инженерия, пересадка ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Важно, однако, понимать, что биологические способы улучшения человеческого общества неприемлемы, какую бы конкретную форму они не принимали. Но, генетика и медицина ответственны за здоровье потомства. Не секрет, что в настоящее время в мире более 5 % детей рождаются с наследственными нарушениями, 10-20 % детской смертности обусловлено наследственной патологией, до трети больных детей находятся на лечении в больницах с наследственными болезнями. Генетика и медицина в борьбе за здоровье людей в каждом поколении учитывают, что существенное влияние на проявление положительных и отрицательных свойств, оказывает среда, в которой происходит развитие человека. Исходя из этого принципа в 1929 году Кольцов Н.К. выделил в практической генетике человека евфенику – науку о благоприятном проявлении наследственных признаков.
Генетика в настоящее время является одной из наук, определяющих развитие человечества. С генетикой связаны самые смелые прогнозы перспектив этого развития.
Р.Ш. Шамшутдинов
Хотя история генетики началась в XIX веке, еще древние люди замечали, что животные и растения передают в ряду поколений свои признаки. Другими словами, было очевидно, что в природе существует наследственность. При этом отдельные признаки могут изменяться. То есть помимо наследственности в природе существует изменчивость. Наследственность и изменчивость относятся к основным свойствам живой материи. Долгое время (до XIX-XX веков) истинная причина их существования была скрыта от человека. Это порождало ряд гипотез, которые можно разделить на два типа: прямое наследование и непрямое наследование.
Приверженцы прямого наследования (Гиппократ, Ламарк, Дарвин и др.) предполагали, что дочернему организму через определенные субстанции (геммулы по Дарвину), собирающиеся в половых продуктах, передается информация от каждого органа и каждой части тела родительского организма. По Ламарку следовало, что повреждение или сильное развитие органа напрямую передастся следующему поколению. Гипотезы непрямого наследования (Аристотель в IV в. до н. э., Вейсман в XIX в.) утверждали, что половые продукты образуются в организме отдельно и «не знают» об изменениях в органах тела.
В любом случае обе гипотезы искали «субстрат» наследственности и изменчивости.
История генетики как науки началась с работ Грегора Менделя (1822-1884), который в 60-х годах провел систематические и многочисленные опыты над горохом, установил ряд закономерностей наследственности, впервые высказал предположения об организации наследственного материала. Правильный выбор объекта исследования, изучаемых признаков, а также научная удача позволили ему сформулировать три закона:
Мендель понял, что наследственный материал дискретен, представлен отдельными задатками, передающимися потомству. При этом каждый задаток отвечает за развитие определенного признака организма. Признак обеспечивается парой задатков, пришедших с половыми клетками от обоих родителей.
В то время научному открытию Менделя не придали особого значения. Его законы были переоткрыты в начале XX века несколькими учеными на разных растениях и животных.
В 80-х годах XIX века были описаны митоз и мейоз, в ходе которых между дочерними клетками закономерно распределяются хромосомы. В начале XX века Т. Бовери и У. Сеттон пришли к выводу, что преемственность свойств в ряду поколений организмов определяется преемственностью их хромосом . То есть к этому периоду времени научный мир понял, в каких структурах заключается «субстрат» наследственности.
У. Бэтсоном был открыт закон чистоты гамет , а наука о наследственности и изменчивости впервые в истории была названа им генетикой . В. Иогансен ввел в науку понятия (1909 г.), генотипа и фенотипа . В то время ученые уже поняли, что ген представляет собой элементарный наследственный фактор . Но его химическая природа еще не была известна.
В 1906 году было открытоявление сцепления генов , в том числе наследование признаков, сцепленное с полом . Понятие генотипа подчеркивало, что гены организма не просто набор независимых единиц наследственности, они образуют систему, в которой наблюдаются определенные зависимости.
Параллельно с изучением наследственности происходили открытия закономерностей изменчивости. В 1901 году де Фризом были заложены основы учения о мутационной изменчивости, связанной с возникновением изменений в хромосомах, что приводит к возникновению изменений признаков. Чуть позже было обнаружено, что часто возникают при воздействии радиации, определенных химических веществ и др. Таким образом было доказано, что хромосомы являются не только «субстратом» наследственности, но также изменчивости.
В 1910 году, во многом обобщая более ранние открытия, группой Т. Моргана была разработана хромосомная теория :
Гены находятся в хромосомах и расположены там линейно.
У каждой хромосомы есть гомологичная ей.
От каждого из родителей потомок получает по одной из каждых гомологичных хромосом.
Гомологичные хромосомы содержат одинаковый набор генов, но аллели генов могут быть разными.
Гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются совместно () при условии их близкого расположения.
Среди прочего в начале XX века была обнаружена внехромосомная, или цитоплазматическая, наследственность, связанная с митохондриями и хлоропластами.
Химический анализ хромосом показал, что они состоят из белков и нуклеиновых кислот. В первой половине XX века многие ученые склонялись к мнению, что белки являются носителями наследственности и изменчивости.
В 40-х годах XX века в истории генетики происходит скачок. Исследования переходят на молекулярный уровень.
В 1944 году обнаруживается, что за наследственные признаки отвечает такое вещество клетки как . ДНК признается носителем генетической информации. Чуть позже было сформулировано, что один ген кодирует один полипептид .
В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик расшифровали структуру ДНК. Оказалось что это двойная спираль, состоящая из нуклеотидов . Ими была создана пространственная модель молекулы ДНК.
Позже были открыты следующие свойства (60-е годы):
Каждая аминокислота полипептида кодируется триплетом (тремя азотистыми основаниями в ДНК).
Каждую аминокислоту кодирует один триплет или более.
Триплеты не перекрываются.
Считывание начинается со стартового триплета.
В ДНК нет «знаков препинания».
В 70-х годах в истории генетики происходит еще один качественный скачок – развитие генной инженерии . Ученые начинают синтезировать гены, изменять геномы . В это время активно изучаются молекулярные механизмы, лежащие в основе различных физиологических процессов .
В 90-х годах секвенируются геномы (расшифровывается последовательность нуклеотидов в ДНК) многих организмов. В 2003 году был завершен проект по секвенированию генома человека. В настоящее время существуют геномные базы данных . Это дает возможность комплексно исследовать физиологические особенности, заболевания человека и других организмов, а также определять родственную связь между видами. Последнее позволило систематике живых организмов выйти на новый уровень.
Генетика – наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов, а также механизмы эволюции живого. Наследственностью называется свойство одного поколения передавать другому признаки строения, физиологические свойства и специфический характер индивидуального развития. Свойства наследственности реализуются в процессе индивидуального развития.
Наряду со сходством с родительскими формами в каждом поколении возникают те или иные различия у потомков, как результат проявления изменчивости.
Изменчивостью называется свойство, противоположное наследственности, заключающееся в изменении наследственных задатков – генов и в изменении их проявления под влиянием внешней среды. Отличия потомков от родителей возникают также вследствие возникновения различных комбинаций генов в процессе мейоза и при объединении отцовских и материнских хромосом в одной зиготе. Здесь надо отметить, что выяснение многих вопросов генетики, особенно открытие материальных носителей наследственности и механизма изменчивости организмов, стало достоянием науки последних десятилетий, выдвинувших генетику на передовые позиции современной биологии. Основные закономерности передачи наследственных признаков были установлены на растительных и животных организмах, они оказались приложимы и к человеку. В своем развитии генетика прошла ряд этапов.
Первый этап ознаменовался открытием Г. Менделем (1865) дискретности (делимости) наследственных факторов и разработкой гибридологического метода, изучения наследственности, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства. Дискретность наследственности состоит в том, что отдельные свойства и при знаки организма развиваются под контролем наследственных факторов (генов), которые при слиянии гамет и образовании зиготы не смешиваются, не растворяются, а при формировании новых гамет наследуются независимо друг от друга.
Значение открытий Г. Менделя оценили после того, как его законы были вновь переоткрыты в 1900 г. тремя биологами независимо друг от друга: де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. Результаты гибридизации, полученные в первое десятилетие XX в. на различных растениях и животных, полностью подтвердили менделевские законы наследования признаков и показали их универсальный характер по отношению ко всем организмам, размножающимся половым путем. Закономерности наследования признаков в этот период изучались на уровне целостного организма (горох, кукуруза, мак, фасоль, кролик, мышь и др.).
Менделевские законы наследственности заложили основу теории гена – величайшего открытия естествознания XX в., а генетика превратилась в быстро развивающуюся отрасль биологии. В 1901–1903 гг. де Фриз выдвинул мутационную теорию изменчивости, которая сыграла большую роль в дальнейшем развитии генетики.
Важное значение имели работы датского ботаника В. Иоганнсена, который изучал закономерности наследования на чистых линиях фасоли. Он сформулировал также понятие «популяциям» (группа организмов одного вида, обитающих и размножающихся на ограниченной территории), предложил называть менделевские «наследственные факторы» словом ген, дал определения понятий «генотип» и «фенотип».
Второй этап характеризуется переходом к изучению явлений наследственности на клеточном уровне (питогенетика). Т. Бовери (1902–1907), У. Сэттон и Э. Вильсон (1902–1907) установили взаимосвязь между менделевскими законами наследования и распределением хромосом в процессе клеточного деления (митоз) и созревания половых клеток (мейоз). Развитие учения о клетке привело к уточнению строения, формы и количества хромосом и помогло установить, что гены, контролирующие те или иные признаки, не что иное, как участки хромосом. Это послужило важной предпосылкой утверждения хромосомной теории наследственности. Решающее значение в ее обосновании имели исследования, проведенные на мушках дрозофилах американским генетиком Т. Г. Морганом и его сотрудниками (1910–1911). Ими установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Число групп сцепления генов соответствует числу пар гомологичных хромосом, и гены одной группы сцепления могут перекомбинироваться в процессе мейоза благодаря явлению кроссинговера, что лежит в основе одной из форм наследственной комбинативной изменчивости организмов. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом.
Третий этап в развитии генетики отражает достижения молекулярной биологии и связан с использованием методов и принципов точных наук – физики, химии, математики, биофизики и др. – в изучении явлений жизни на уровне молекул. Объектами генетических исследований стали грибы, бактерии, вирусы. На этом этапе были изучены взаимоотношения между генами и ферментами и сформулирована теория «один ген – один фермент» (Дж. Бидл и Э. Татум, 1940): каждый ген контролирует синтез одного фермента; фермент в свою очередь контролирует одну реакцию из целого ряда биохимических превращений, лежащих в основе проявления внешнего или внутреннего признака организма. Эта теория сыграла важную роль в выяснении физической природы гена как элемента наследственной информации.
В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. Предложенная ими модель ДНК хорошо согласуется с биологической функцией этого соединения: способностью к самоудвоению генетического материала и устойчивому сохранению его в поколениях – от клетки к клетке. Эти свойства молекул ДНК объяснили и молекулярный механизм изменчивости: любые отклонения от исходной структуры гена, ошибки самоудвоения генетического материала ДНК, однажды возникнув, в дальнейшем точно и устойчиво воспроизводятся в дочерних нитях ДНК. В последующее десятилетие эти положения были экспериментально подтверждены: уточнилось понятие гена, был расшифрован генетический код и механизм его действия в процессе синтеза белка в клетке. Кроме того, были найдены методы искусственного получения мутаций и с их помощью созданы ценные сорта растений и штаммы микроорганизмов – продуцентов антибиотиков, аминокислот.
В последнее десятилетие возникло новое направление в молекулярной генетике – генная инженерия – система приемов, позволяющих биологу конструировать искусственные генетические системы. Генная инженерия основывается на универсальности генетического кода: триплеты нуклеотидов ДНК программируют включение аминокислот в белковые молекулы всех организмов – человека, животных, растений, бактерий, вирусов. Благодаря этому можно синтезировать новый ген или выделить его из одной бактерии и ввести его в генетический аппарат другой бактерии, лишенной такого гена.
Таким образом, третий, современный этап развития генетики открыл огромные перспективы направленного вмешательства в явления наследственности и селекции растительных и животных организмов, выявил важную роль генетики в медицине, в частности, в изучении закономерностей наследственных болезней и физических аномалий человека.
1865 год - Открытие Г. Менделем (1822-1884) факторов наследственности и разработка гибридологического метода, т. е. правил скрещивания организмов и учета признаков у их потомства.
1868 год - швейцарский биохимик Ф. Мишер из спермы лосося выделил фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое он назвал нуклеином (теперь его называют дезоксирибонуклеиновой кислотой).
1871 год - Ч. Дарвин публикует свою книгу «Происхождение человека и половой отбор».
1875 год - Ф. Гальтон демонстрирует возможность использования близнецов для изучения относительного влияния на организм наследственности и окружающей среды.
1900 год - Формальное рождение генетики как науки. Независимая публикация статей Г. де Фриза, К. Корренса и Э. Чермака с изложением основных законов наследования. Фактически переоткрыты и стали известны широкой научной общественности исследования Г. Менделя.
1902 год - В. Саттон и Т. Бовери независимо создают хромосомную теорию наследственности.
1905 год - У. Бэтсон предлагает слово «генетика» (от греч. γιγνομαι – порождать ) для нового направления науки.
1909 год - В. Иогансеном предложен термин – «генотип».
1910 год - Томас Хант Морганом установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления. Морган установил также закономерности наследования признаков, сцепленных с полом (Нобелевская премия 1933 г. по физиологии и медицине за экспериментальное обоснование хромосомной теории наследственности).
А. Кёссель получил Нобелевскую премию по химии за установление того, что в состав ДНК входят четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин.
1917 год - Николаем Константиновичем Кольцовым основан Институт экспериментальной биологии.
1920 год - термин «геном» впервые предложен немецким генетиком Г. Винклером.
1922 год - Н. И. Вавилов сформулировал «закон гомологических рядов» – о параллелизме в изменчивости родственных групп растений, то есть о генетической близости этих групп. Закон Вавилова установил определенные правила формообразования и позволил предсказывать у данного вида еще не открытые, но возможные признаки (аналогия с системой Менделеева).
1925 год - Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, Г. Мюллер проводят первый цикл работ по радиационным методам индукции мутаций.
1926 год - С. С. Четвериков написал статью, заложившую основы популяционной генетики и синтеза генетики и теории эволюции.
1927 год - Г. Мюллер доказал мутационный эффект рентгеновских лучей, за что в 1946 г. получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.
Н. К. Кольцов выдвинул идею матричного синтеза, которая позднее легла главным камнем в основание молекулярной биологи: «В основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая представляет собой спиральный ряд огромных органических молекул – генов. Возможно, вся эта спираль является одной гигантской длины молекулой» .
1928 год - Открытие явления трансформации у бактерий (Ф. Гриффит).
1929-1930 годы - А. С. Серебровский и Н. П. Дубинин впервые продемонстрировали сложную природу организации гена; первые реальные шаги на пути создания современного представления о тонкой структуре гена.
1931 год - Барбара Мак–Клинток продемонстрировала наличие кроссинговера.
1934 год - Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров открыли особый тип эффекта положения.
Б. Л. Астауров осуществил успешные опыты по получению у шелкопряда потомства из неоплодотворенных яиц (одно из самых интересных достижений в прикладной генетике того времени).
1935 год - Н. В. Тимофеев–Ресовский, К. Г. Циммер, М. Дельбрюк осуществили экспериментальное определение размеров гена. Ими дана трактовка гена с позиций квантовой механики, тем самым был создан фундамент для открытия структуры ДНК.
1940 год - Дж. Бидл и Э. Татум сформулировали теорию «один ген – один фермент». (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1958 г.).
1943 год - И. А. Рапопорт, Ш. Ауэрбах и Дж. Г. Робсон впервые показали индукцию мутаций химическими веществами.
1944 год - начало «эры ДНК». О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти установили, что «веществом гена» служит ДНК. В своих экспериментах по трансформации бактерий эти учёные показали, что проникновение молекул очищенной ДНК, выделенной из вирулентных пневмококков, вызывающих заболевание и гибель зараженных мышей, в клетки авирулентного штамма этих бактерий может сопровождаться превращением (трансформацией) последних в вирулентную форму.
М. Дельбрюк, С. Лурия, А. Херши произвели пионерские исследования по генетике кишечной палочки и ее фагов, после чего эти объекты стали модельными для генетических исследований на многие десятилетия. (Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1969 год за открытие цикла репродукции вирусов и развитие генетики бактерий и вирусов).
Л. А. Зильбер сформулировал вирусно–генетическую теорию рака.
1946 год - Меллер Герман Джозеф (1890-1967), американский генетик получил Нобелевскую премию за открытие радиационного мутагенеза.
1950 год - Э. Чаргафф сформулировал знаменитое «правило Чаргаффа», которое гласит: в ДНК число нуклеотидов А равно числу Т, а число Г – числу Ц.
Б. Мак–Клинток показала существование перемещающихся генетических элементов. С большим опозданием (только в 1983 г.) она получила за это Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.
1951 год - Р. Франклин и М. Уилкинсон получили первую рентгеннограмму молекулы ДНК.
1953 год, 25 апреля - Френсис Крик и Джеймс Уотсон, опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали. В английском журнале «Nature» они опубликовали небольшую статью со своей моделью. В 1962 году им совместно с М. X. Ф. Уилкинсом присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
1956 год - Ю. Тио и A. Леван установили, что диплоидный набор хромосом у человека равен 46.
А. Корнберн обнаружил первый фермент, способный синтезировать ДНК в пробирке – ДНК–полимеразу I. В 1959 году он совместно с С. Очоа получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование механизма биологического синтеза РНК и ДНК.
1958 год - М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсервативный механизм репликации ДНК.
1960 год - Открытие РНК–полимеразы С. Б. Вейсом, Дж. Гурвицем и А. Стивенсом.
И. А. Рапопорт сообщил об открытии «супермутагенов».
1961 год - В работах М. У. Ниренберга, Р. У. Холли и X. Г. Кораны начата расшифровка «языка жизни» – кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул. В 1968 году все трое разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, которая была присуждена им «за расшифровку генетического кода и его функционирования в синтезе белков».
Ф. Жакоб и Ж. Моно пришли к выводу о существовании двух групп генов – структурных, отвечающих за синтез специфических (ферментных) белков, и регуляторных, осуществляющих контроль за активностью структурных генов. В 1965 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. М. Львову, Ф. Жакобу и Ж. Моно за открытие генетической регуляции синтеза ферментов и вирусов.
Весной этого года в Москве на Международном биохимическом конгрессе ученый М. Ниренберг сообщил, что ему удалось «прочесть» первое «слово» в тексте ДНК. Это была тройка нуклеотидов - ААА (в РНК, соответственно, УУУ), то есть три аденина, стоящие друг за другом. Эта последовательность кодирует аминокислоту фенилаланин в белке.
1962 год - Дж. Гёрдон осуществил первое клонирование животного организма (лягушка).
Дж. Кэндрью и М. Перутц были удостоены Нобелевской премии по химии за впервые осуществленную расшифровку трехмерной структуры белков миоглобина и гемоглобина.
1965 год - Р. Б. Хесин показал, что регуляция синтеза белка осуществляется путем включения и выключения транскрипции генов.
1966 год - Б. Вейс и С. Рихардсон открывают фермент ДНК–лигазу.
1969 год - Х. Г. Корана синтезировал химическим путем первый ген.
1970 год - Открытие обратной транскриптазы, фермента, синтезирующего ДНК с использованием комплементарной РНК в качестве матрицы. Это было сделано будущими Нобелевскими лауреатами по физиологии и медицине (1975) Г. Теминым и Д. Балтимором.
Выделена первая рестриктаза – фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах. За это открытие в 1978 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Д. Натансу, Х. Смиту и В. Арберу.
1972 год - В лаборатории Пола Берга получены первые рекомбинантные ДНК (Нобелевская премия по химии за 1980 г. вручена П. Бергу и Г. Бойеру). Заложены основы генной инженерии.
1973 год - С. Коэн и Г. Бойер разработали стратегию переноса генов в бактериальную клетку.
1974 год - С. Милстайн и Г. Келер создали технологию получения моноклональных антител. Ровно десять лет спустя они (вместе с Н. К. Ерне) получили за это Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Р. Д. Корнберг описывает структуру хроматина (нуклеосомы).
1975 год - С. Тонегава показал различное расположение генов, кодирующих вариабельную и константную часть иммуноглобулинов, в ДНК эмбриональных и миелоидных клеток, что дало основание для вывода о перегруппировках генов иммуноглобулинов при образовании клеток иммунной системы (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1987 г.). Осуществлено первое клонирование кДНК.
Е. Саузерн описал метод переноса фрагментов ДНК на нитроцел–люлозные фильтры, метод получил название Саузерн–блот гибридизации.
1976 год - Открытие у животных (на примере дрозофилы) «прыгающих генов», сделанное Д. Хогнессом (США) и российскими учеными во главе с Г. П. Георгиевым и В. А. Гвоздевым.
Основана первая генно–инженерная компания (Genentech), использующая технологию рекомбинантных ДНК для производства различных ферментов и лекарственных средств.
Д. М. Бишоп и Г. Э. Вармус сообщили, что онкоген в вирусе представляет собою не истинный вирусный ген, а клеточный ген, который вирус «подхватил» когда–то давно в ходе репликации в клетках и теперь сохраняет в измененном мутациями виде. Было также показано, что его предшественник, клеточный протоонкоген, в здоровой клетке играет важнейшую роль-управляет ее ростом и делением. В 1989 г. оба этих ученых получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за фундаментальные исследование канцерогенных генов опухоли.
1977 год - Опубликованы быстрые методы определения (секвенирования) длинных нуклеотидных последовательностей ДНК (У. Гилберт и А. Максам; Ф. Сенгер с соавт.). Появилось реальное средство анализа структуры генов как основа для понимания их функций. В 1980 году У. Гильберт и Ф. Сенгер совместно с П. Бергом получили Нобелевскую премию по химии «за существенный вклад в установление первичной структуры ДНК; за фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в том числе рекомбинант–ных ДНК».
Полностью секвенирован геном бактериофага φΧ174 (5386 п. н.).
Секвенирован первый ген человека – ген, кодирующий белок хорионный соматомаммотропин.
П. Шарп и Р. Робертс показали, что гены у аденовирусов (позднее выяснилось, что и у эукариотических организмов) имеют моаичную экзон–интронную структуру, и открыли явление сплайсинга (Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1993 г.).
К. Итакура с соавт. синтезируют химически ген соматостатина человека и осуществляет искусственный синтез гормона соматостатина в клетках кишечной палочки E. coli.
1978 год - Компания Genentech осуществила перенос эукариотического гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок – проинсулин.
Определена полная последовательность нуклеотидов ДНК вируса SV40 и фага fd .
1979 год - Показано, что химически трансформированные клетки содержат активированный онкоген BAS .
1980 год - Дж. Гордоном с соавт. получена первая трансгенная мышь. В пронуклеус оплодотворенного одноклеточного эмбриона микроинъекцией введен ген тимидин–киназы вируса простого герпеса и показано, что этот ген работает во всех соматических клетках мыши. С тех пор трансгеноз стал основным подходом как для фундаментальных исследований, так и для решения практических задач сельского хозяйства и медицины.
1981 год - Определена полная нуклеотидная последовательность митохондриальной ДНК человека.
Несколько независимых исследовательских групп сообщили об открытии человеческих онкогенов.
1982 год - Определена полная нуклеотидная последовательность бактериофага λ (48502 п. н.).
Показано, что РНК может обладать каталитическими свойствами, как и белок.
1983 год - С помощью биоинформатики найдена гомология фактора роста PDGF с известным онкобелком, кодируемым онкогеном SIS.
Показано, что разные онкогены кооперируют при опухолевой трансформации клеток.
Ген болезни Хантигтона локализован на хромосоме 4 человека.
1984 год - У. Мак–Гиннис открыл гомеотические (Hox) регуляторные гены, ответственные за построение общего плана тела животных.
А. Джеффрис создает метод геномной дактилоскопии, в котором нуклеотидные последовательности ДНК используются для идентификации личности.
1985 год - Создание К. Б. Мюллисом революционизирующей технологии – полимеразной цепной реакции, ПЦР – наиболее чувствительного до сих пор метода детектирования ДНК. Эта технология получила широкое распространение (Нобелевская премия по химии за 1993 г.).
Клонирование и определение нуклеотидной последовательности ДНК, выделенной из древней египетской мумии.
1986 год - Клонирование гена RB – первого антионкогена – супрессора опухолей. Начало эпохи массированного клонирования генов опухолеобразования.
1987 год - Созданы первые дрожжевые искусственные хромосомы – YAC (Yeast Artificial Chromosomes). Они сыграют большую роль как векторы для клонирования больших фрагментов геномов.
1988 год - создан проект «Геном человека» Национального института здоровья США. Инициатором и руководителем этого проекта стал лауреат Нобелевской премии знаменитый ученый Джеймс Уотсон.
Под эгидой Комитета по науке и технике в СССР начала работу программа «Геном человека», которую возглавил Научный совет по геномной программе во главе с академиком А. А. Баевым.
Показана возможность анализа митохондриальной ДНК из очень древних образцов при исследовании мозга человека давностью 7000 лет.
Предложен метод «нокаута» генов.
1989 год - Т. Р. Чех и С. Альтман получили Нобелевскую премию по химии за открытие каталитических свойств некоторых природных РНК (рибозимов).
1990 год - в США и в СССР, а затем в Англии, Франции, Германии, Японии, Китае начали работать научные программы по расшифровке генома человека. Объединила эти проекты Международная организация по изучению генома человека (Human Genome Organization, сокращенно HUGO). Вице–президентом HUGO в течение нескольких лет был российский академик А. Д. Мирзабеков.
Ф. Коллинз и Л. – Ч. Тсуи идентифицировали первый ген человека (CFTR), ответственный за наследственное заболевание (кистозный фиброз), который расположен на хромосоме 7.
В. Андерсоном осуществлено первое успешное применение генной терапии для лечения больной с наследственным иммунодефицитом.
Определена полная последовательность генома вируса оспо–вакцины (192 т. п. н.).
1992 год - Э. Кребсу и Э. Фишеру присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие обратимого фосфорилирования белков как важного регулирующего механизма клеточного метаболизма.
1995 год - компанией «Celera Genomics» определена полная последовательность генома первого самостоятельно существующего организма – бактерии Haemophilus influenzae (1 830 137 п. н.)
Становление геномики как самостоятельного раздела генетики.
1997 год - Определена полная последовательность нуклеотидов геномов кишечной палочки E. coli и дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена американцу С. Прузинеру за вклад в изучение болезнетворного агента белковой природы, приона, вызывающего губчатую энцефалопатию, или «коровье бешенство» у крупного рогатого скота.
Я. Вильмут с сотрудниками впервые клонировали млекопитающее – овцу Долли .
1998 год - расшифровано всего около 3% генома человека.
Определена полная нуклеотидная последовательность первого высшего организма – нематоды Caenorhabditis elegans.
У нематоды C. elegans обнаружен механизм РНК–интерференции.
1999 год - Роберт Фурчготт, Луис Игнарро и Ферид Мурад получили Нобелевскую премию за открытие роли оксида азота в качестве сигнальной молекулы (то есть, регулятора и переносчика сигналов) сердечно–сосудистой системы.
Учёные клонировали мышь и корову.
1999 год, декабрь - в журнала Nature за появилась статья под названием «Нуклеотидные последовательности первой хромосомы человека». В этой статье коллектив, состоящий из более чем двухсот авторов, сообщил о полной расшифровке одной из самых малых хромосом человека – хромосомы под номером 22.
2000 год - Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена А. Карлссону, П. Грингарду и Э. Кенделу за открытие, касающееся «передачи сигналов в нервной системе».
Учёные клонировали свинью.
2000 год, июнь - два конкурирующих коллектива – «Celera Genomics» и международный консорциум HUGO, объединив свои данные, официально объявили о том, что их совместными усилиями в целом завершена расшифровка генома человека, создан его черновой вариант.
2001 год - Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Л. Хартвеллу, Т. Ханту и П. Нерсу за открытие ключевых регуляторов клеточного цикла.
2001 год, февраль - появились первые научные публикации чернового варианта структуры генома человека.
2002 год - Полностью расшифрован геном мыши.
Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена С. Бреннеру, Р. Хорвитцу и Дж. Салстону за их открытия в области генетического регулирования развития органов и запрограммированной клеточной смерти.