Генетика. История и основные концепции

Санкт-Петербургский  государственный университет сервиса  и экономики

Кафедра прикладной физики

Дисциплина: Концепции современного естествознания 
 
 
 
 
 

Реферат на тему:

«Генетика. История и основные концепции» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010

Оглавление 
 
 
 

Введение

     В работе исследовались вопросы, направленные на понимание сущности генетики, ее развития и результатов исследований.

     Генетика (от греч. genesis – происхождение) – наука о наследственности и изменчивости живых организмов и методах управления ими.

     Человек всегда стремился управлять живой природой: структурно-функциональной организацией живых существ, их индивидуальным развитием, адаптацией к окружающей среде, регуляцией численности и т. д. Генетика ближе всего подошла к решению этих задач, вскрыв многие закономерности наследственности и изменчивости живых организмов и поставив их на службу человеческому обществу. Этим объясняется ключевое положение генетики среди других биологических дисциплин.

     Человеком давно отмечены три явления, относящиеся к наследственности: во-первых, сходство признаков потомков и родителей; во-вторых, отличия некоторых признаков потомков от соответствующих родительских признаков; в-третьих, возникновение в потомстве признаков, которые были лишь у далеких предков. Преемственность признаков между поколениями обеспечивается процессом оплодотворения. С незапамятных времен человек стихийно использовал свойства наследственности в практических целях - для выведения сортов культурных растений и пород домашних животных.

     Первые  идеи о механизме наследственности высказали еще древнегреческие ученые Демокрит, Гиппократ, Платон, Аристотель. Автор первой научной теории эволюции Ж.-Б. Ламарк воспользовался идеями древнегреческих ученых для объяснения постулированного им на рубеже XVIII-XIX вв. принципа передачи приобретенных в течение жизни индивидуума новых признаков потомству. Ч. Дарвин выдвинул теорию пангенезиса, объяснявшую наследование приобретенных признаков. Законы наследственности, открытые Г. Менделем, заложили основы становления генетики как самостоятельной науки.

Эволюция генетики

     Почти три с половиной миллиона видов  животных, растений и микроорганизмов населяют нашу планету. Их численность варьирует в широких пределах: от нескольких десятков особей, как у амурского тигра, до нескольких миллиардов индивидов, как, например, у Homo sapiens - человека разумного. Длительность существования на Земле отдельных видов живых организмов исчисляется миллионами лет, простираясь на целые геологические периоды, при этом продолжительность жизни конкретной особи может составлять от нескольких часов (у отдельных видов микроорганизмов) до нескольких тысячелетий (у отдельных видов хвойных деревьев). Длительность существования биологических видов, состоящих из короткоживущих индивидов, обеспечивается процессами размножения, представляющими собой фундаментальное отличие живых систем от мира неживой природы.

     Главная особенность размножения живых  существ состоит в том. что  особи любого вида производят на свет только себе подобных: кошка рождает кошку, а человек — человека. Именно это и называют наследственностью. При этом наследственность не означает тождественность родительских и дочерних особей, а лишь их чрезвычайное сходство между собой и отличие от индивидов, принадлежащих к другим, даже очень 
близким биологическим видам.

     Феномену  наследственности неизменно сопутствует феномен изменчивости, отражающий индивидуальные, семейные и иные различия между особями одного вида. В совокупности наследственность и изменчивость живых организмов составляют 
предмет изучения генетики.

     Интуитивные представления о наследственности и изменчивости существовали еще в библейские и античные времена, однако обособление генетики как самостоятельной науки стало возможным лишь на рубеже XIX - XX столетий. В это время уже 
сложились достаточно точные и тонкие методы скрещивания живых организмов и, кроме того, при изучении клеток и хромосом стали использовать микроскопию.

     Первые  умозрительные гипотезы о механизме  наследственности высказывали древнегреческие философы. Согласно Демокриту (460 г. до н.э.) все в мире состоит из неделимых частиц — атомов, а «семя есть истечение... из всего тела и его важнейших частей - костей, мяса и жил». Гиппократ (400 г. до н.э.) также считал, что половые продукты состоят из экстрактов, поступающих из всего организма, так что все органы тела непосредственно влияют на признаки потомства (прямое наследование признаков). В одном из произведений Гиппократа(«0 священной болезни») получила развитие точка зрения Демокрита, согласно которой «произрастающее семя происходит из всех частей тела; из здоровых — здоровое, а из больных — больное» и поэтому «от флегматика рождается флегматик, от желчного — желчный, от чахоточного чахоточный и от страдающего селезенкой - страдающий селезенкой».

     Иначе, но столь же умозрительно рассуждал  Аристотель (384-322 до н.э.). Критикуя гипотезу своих предшественников о происхождении семени из всех частей тела, он исходил из представлений о наследовании не только морфологических, но и физиологических признаков, а также признаков, свойственных предкам родителей, от которых в семя ничего не отошло. Аристотель считал, что семя образуется в крови, представляет собой продукт переваривания пищи, и «будучи сваренным, отделяется от крови как нечто отличное».

     Умозрительные взгляды на наследственность продержались почти до конца XIX века, так Чарльз Дарвин в 1868 г. выдвинул «теорию» пангенезиса, согласно которой все клетки животных и растений отделяют от себя крошечные геммулы, рассеянные по всему организму. Геммулы попадают в репродуктивные органы, и таким образом признаки передаются потомкам. Теория строилась на правильном постулате о том, что половые клетки органов размножения содержат особые частицы, передающие 
признаки от родителей к потомкам. Но второе предположение о попадании этих особых частиц в гонады из всех клеток организма было ошибочным. И через три года незыблемость теории пангенезиса остроумно нарушил кузен Ч. Дарвина — врач Фрэнсис Гальтон. который переливал кровь черных кроликов особям с белой окраской, а затем скрещивал белых кроликов между собой. В трех поколениях, полученных в результате таких скрещиваний, не было обнаружено ни малейшего нарушения чистоты серебристо-белой породы.

     Научные методы скрещивания растений впервые применил Иозеф Готлиб Кельрейтер (1733-1806), работавший в разных городах Европы, в том числе (с 1755 по 1761 г.) в Петербурге. Он разработал метод полукастрации цветков (удаление тычинок с недозревшими пыльниками); применив взаимообратные (реципрокные) направления скрещиваний, установил равноправие пыльцы и семяпочек в передаче наследственных признаков; показал достаточность для завязывания семени минимального количества пыльцы. Кельрейтер скрещивал различные виды табака. Сходство гибридов первого поколения, полученных в реципрокных скрещиваниях, затем использовалось генетиками как критерий аутосомного (независимого от пола) типа наследования. Кельрейтер открыл также явление гибридной 
мощности (гетерозиса), которое успешно используется в современной селекции, например, кукурузы.

     Методы  гибридизации растений Кельрейтера развил дальше английский ботаник Томас Эндрю Найт (1759—1838) - организатор и президент (с 1811 г.) Лондонского общества любителей садоводства. Наряду с опытами по гибридизации плодовых растений, он проводил искусственные скрещивания гороха, с тем, чтобы «...удостовериться в действии пыльцы одной разновидности на другую». В своих опытах на горохе (в отличие от Кельрейтера) Найт пытался проследить за отдельными «элементарными» признаками. При этом он обнаружил, что некоторые признаки при скрещивании «исчезают», а другие сохраняются (доминируют). Так, Найт первым заметил доминирование признака серой кожуры и пурпурной окраски цветков, которое впоследствии доказал Г. Мендель. Кроме того, в его опытах при скрещивании низкорослой разновидности гороха с более крупной доминировала крупная форма. Причину этого явления Найт видел в стимулирующем действии скрещивания.

     Работы  Кельрейтера и Найта развивали  далее и многие другие ботаники. В частности, К. Ф. Гэртнер (1772—1850) проделал опыты с 700 видами растений и получил 250 гибридных форм. Дж. Госс — член Лондонского общества любителей садоводства экспериментировал с горохом. В его опытах 1820—1821 г.г. у гибридов первого поколения доминировала желтовато-белая окраска горошин (как у отцовской формы).Во втором поколении наблюдалось расщепление: одни бобы имели зеленовато-голубые горошины, другие — желтовато-белые; у большинства зеленовато-голубые и желтовато-белые горошины сочетались в одном бобе. В третьем поколении отсутствовало расщепление среди растений, выросших из зеленовато-голубых горошин и наблюдалось расщепление среди потомков желтовато-белых; причина появления константных форм в потомстве гибридов второго поколения была позднее объяснена Г. Менделем.

     Огюстен Сажрэ (1763-1851), практик-садовод, получил известность во Франции, как создатель новых сортов фруктовых деревьев и овощных культур. Впервые в истории гибридизации он стал изучать отдельные признаки растений, подбирая для скрещивания альтернативные пары (мякоть желтая — белая, кожура сетчатая — гладкая и т.д.). Он установил отсутствие смешения изучаемых признаков у дынь: признаки у потомков не исчезали, а только перераспределялись среди них. Признаки, которые не исчезают, а проявляются во втором поколении гибридов, были позже названы Менделем рецессивными.

     Шарль Нодэн (1815-1899), будучи сотрудником музея естественной истории Ботанического сада в Париже, имел возможность проводить опыты по гибридизации различных видов и разновидностей бахчевых, садовых и декоративных растений. Скрещивая различные виды дурмана, он обнаружил в первом поколении гибридов преобладание признаков одного вида дурмана (Datura tatula) над другим (Datura stramonium). Доминирование признаков Datura tatula не зависело оттого, играли ли растения этого вида роль «отца» или «матери». Однако в большинстве случаев у гибридов первого поколения наблюдался промежуточный тип наследования.

     Итак, во второй половине XIX века ученые и  практики из многих стран, занимаясь гибридизацией различных видов растений, правильно подметили такие особенности наследования признаков как доминирование, единообразие гибридов первого 
поколения, расщепление и комбинаторика признаков во втором поколении, одинаковое проявление признаков в реципрокных скрещиваниях.

     Грегор  Иоганн Мендель (1822-1884), высоко оценивая работы своих предшественников, писал в своих «Опытах над растительными гибридами»: «... до сих пор не удалось установить всеобщего закона образования и развития гибридов ...окончательное решение этого вопроса может быть достигнуто только тогда, когда будут произведены детальные опыты в разных растительных семействах. Среди многочисленных опытов ни один не был произведен в том объеме и таким образом, чтобы можно было определить число различных форм, в которых появляются потомки гибридов, с достоверностью распределить эти формы по отдельным поколениям и установить численные отношения». Усовершенствование гибридологического метода, дополнение его математическим анализом результатов скрещиваний — одна из главных заслуг Г. Менделя. Именно это помогло ему представить механизм, лежащий в основе закономерностей наследования признаков у гибридов, и в частности, дискретность наследственных факторов («гипотеза чистоты гамет») и их комбинаторику при сочетании гамет, как причину расщепления признаков у потомков.

В 1865 г. была доложена, а в 1866 г вышла из печати работа Г. Менделя «Опыты над растительными гибридами», однако она осталась незамеченной биологами и растениеводами. И только после независимого переоткрытия менделевских закономерностей наследования в 1900 г. тремя учеными-ботаниками (в Германии Карлом Корренсом (1864-1933) на кукурузе, в Австрии Эрихом Чермаком (1871-1962) на горохе и в Голландии Гуго де Фризом (1848-1935) на ослиннике, маке и дурмане) началось собственно развитие генетики как науки.

     Знаменательные  открытия 70-80-х гг. XIX века:

• митоз у растений (Е. Страсбургер) и животных (В. Флемминг);
• слияние ядер при оплодотворении у растений (Е.Страсбургер) и животных (Э. Ван Бенеден, О. Гертвиг);
• редукционное деление при образовании гамет (В. Флемминг и Э. Ван Бенеден)

       создали базу для развития цитологии и способствовали пониманию цитологических основ менделевских законов наследования признаков.

     На  базе этих открытий Август Вейсман (1834—1914) выдвинул гипотезу о существовании в организме особой наследственной субстанции, названной им зачатковой плазмой (половые клетки) в отличие от соматоплазмы (остальные клетки организма). Согласно представлениям А. Вейсмана половые клетки защищены от влияния соматических клеток, и поэтому признаки, изменяющие только соматоплазму, не могут наследоваться.

     В чем же причины длительной задержки развития генетики как самостоятельной науки? С одной стороны, развитие генетики зависит от состояния смежных естественнонаучных дисциплин: анатомии, физиологии, эмбриологии, цитологии, иммунологии, биохимии и др. С другой стороны, поскольку генетический материал имеет сложную многоуровневую организацию: надмолекулярную (хромосомную) и молекулярную (генную) — для его успешного изучения необходимы тонкие физические, химические и математические методы. Их появление стало возможным лишь в XX веке.

На протяжении одного столетия генетика сложилась как современная фундаментальная наука, достижения которой используются в медицине, биологической промышленности и сельском хозяйстве.

Менделизм

Гибридологический метод Г. Менделя

     Объектом  исследования Г. Мендель выбрал горох  Pisum sativum, поскольку это самоопыляющееся растение имеет много культурных сортов, стабильно сохраняющих свои признаки в потомстве, и обладает таким строением цветков, которое позволяет легко удалять пыльники и наносить пыльцу других сортов на рыльце полукастрированных цветков.