Законы Менделя

Введение 

Генетика – область  биологии, изучающая наследственность и изменчивость. 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 (иногда многих) 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.

Как всё начиналось 

В начале ХIХ  века, в 1822 году, в Австрийской Моравии, в деревушке Ханцендорф, в крестьянской семье родился мальчик. Он был вторым ребёнком в семье. При рождении его назвали Иоганном, фамилия отца бала Мендель.  

Жилось нелегко, ребенка  не баловали. С детства Иоганн привык к крестьянскому труду и полюбил  его, в особенности садоводство  и пчеловодство. Как пригодились  ему навыки, приобретённые в детстве.  

Выдающиеся способности  обнаружились у мальчика рано. Менделю  было 11 лет, когда его перевели из деревенской школы в четырехклассное  училище ближайшего городка. Он и  там сразу проявил себя и уже  через год оказался в гимназии, в городе Опаве.  

Платить за учебу  и содержать сына родителям было трудно. А тут ещё обрушилось на семью несчастье: отец тяжело пострадал – ему на грудь упало бревно. В 1840 Иоганн окончил гимназию и параллельно – школу кандидатов в учителя. 

Несмотря на трудности, Мендель продолжает учебу. Теперь уже  в философских классах в городе Оломеуц.  Тут учат не только философии, но и математике, физике – предметам, без которых Мендель, биолог в душе, не мыслил дальнейшей жизни. Биология и математика! В наши дни это сочетание неразрывно, но в 19 веке казалось нелепым. Именно Мендель был первым, кто продолжил в биологии широкую колею для математических методов.  

Он продолжает учиться, но жизнь тяжела, и вот настают  дни, когда по собственному признанию  Менделя, “дальше переносить подобное напряжение не под силу”. И тогда  в его жизни наступает переломный момент: Мендель становится монахом. Он отнюдь не скрывает причин, толкнувших его на этот шаг. В автобиографии  пишет: “Оказался вынужденным занять положение, освобождающее от забот о пропитании”. Не правда ли, откровенно? И при этом ни слова о религии, боге. Неодолимая тяга к науке, стремление к знаниям, а вовсе не приверженность к религиозной доктрине привели Менделя в монастырь. Ему исполнился 21 год. Постригавшиеся в монахи в знак отрешения от мира принимали новое имя. Иоганн стал Грегором.  

Был период, когда  его сделали священником. Совсем недолгий период. Утешать страждущих, снаряжать в последний путь умирающих. Не очень – то это нравилось Менделю. И он делает все, чтобы освободиться от неприятных обязанностей.  

Иное дело учительство. Мендель преподавал в городской  школе, не имея диплома учителя, и  преподавал хорошо. Его бывшие ученики  с теплотой вспоминают о нем –  сердечном, благожелательном, умном, увлеченном своим предметом. 

Интересно, что Мендель  дважды сдавал экзамен на звание учителя  и … дважды проваливался! А ведь он был образованнейшим человеком. Нечего говорить о биологии, классиком  которой  Мендель вскоре стал, он был высокоодаренный математик, очень любил физику и отлично  знал её. 

Провалы на экзаменах  не мешали его преподавательской  деятельности. В городском училище  Брно Менделя-учителя очень ценили. И он преподавал, не имея диплома. 

В жизни Менделя  были годы, когда он превращался  в затворника. Но не перед иконами  склонял он колена, а… перед грядками с горохом.  С утра и до самого вечера трудился он в маленьком монастырском садике(35 метров длины и 7 метров ширины). Здесь с 1854 по 1863 год провел Мендель  свои классические опыты, результаты которых  не устарели по сей  день. Своим научными успехами Г.Мендель обязан также и необычайно удачным выбором объекта исследований. Всего в четырёх поколениях гороха он обследовал 20 тысяч потомков.  

Около 10 лет шли  опыты по скрещиванию гороха. Каждую весну Мендель высаживал растения на своем участке. Доклад “Опыты над  растительными гибридами”, который  был прочитан брюнским естествоиспытателям в 1865 году, оказался неожиданностью даже для друзей. 

Горох был удобен  по различным соображениям. Потомство  этого растения обладает рядом чётко  различимых признаков - зелёный или  жёлтый цвет семядолей, гладкие или, напротив, морщинистые семена, вздутые  или перетянутые бобы, длинная  или короткая стеблевая ось соцветия и так далее. Переходных, половинчатых "смазанных" признаков не было. Всякий раз можно было уверенно говорить "да" или "нет", "или - или", иметь дело с альтернативой. А  потому и оспаривать выводы Менделя, сомневаться в них не приходилось. И все положения теории Менделя  уже никем не были опровергнуты и  по заслугам стали частью золотого фонда науки.

Классические законы Г.Менделя 

Основные законы наследуемости были описаны чешским  монахом Грегором Менделем более века назад, когда он преподавал физику и естественную историю в средней школе г. Брюнна (г. Брно). 

Мендель занимался  селекционированием гороха, и именно гороху, научной удаче и строгости опытов Менделя мы обязаны открытием основных законов наследуемости: закона единообразия гибридов первого поколения, закона расщепления и закона независимого комбинирования. 

Некоторые исследователи  выделяют не три, а два закона Менделя. При этом некоторые ученые объединяют первый и второй законы, считая, что  первый закон является частью второго  и описывает генотипы и фенотипы потомков первого поколения (F1). Другие исследователи объединяют в один второй и третий законы, полагая, что «закон независимого комбинирования» есть в сущности «закон независимости расщепления», протекающего одновременно по разным парам аллелей. Однако в отечественной литературе речь идет о трех законах Менделя.  

Г. Мендель не был  пионером в области изучения результатов  скрещивания растений. Такие эксперименты проводились и до него, с той  лишь разницей, что скрещивались растения разных видов. Потомки подобного  скрещивания (поколение F1) были стерильны, и, следовательно, оплодотворения и  развития гибридов второго поколения (при описании селекционных экспериментов  второе поколение обозначается F2) не происходило. Другой особенностью доменделевских работ было то, что большинство признаков, исследуемых в разных экспериментах по скрещиванию, были сложны как по типу наследования, так и с точки зрения их фенотипического выражения. Гениальность Менделя заключалась в том, что в своих экспериментах он не повторил ошибок предшественников. Как писала английская исследовательница Ш. Ауэрбах, «успех работы Менделя по сравнению с исследованиями его предшественников объясняется тем, что он обладал двумя существенными качествами, необходимыми для ученого: способностью задавать природе нужный вопрос и способностью правильно истолковывать ответ природы». Во-первых, в качестве экспериментальных растений Мендель использовал разные сорта декоративного гороха внутри одного рода Pisum. Поэтому растения, развившиеся в результате подобного скрещивания, были способны к воспроизводству. Во-вторых, в качестве экспериментальных признаков Мендель выбрал простые качественные признаки типа «или /или» (например, кожура горошины может быть либо гладкой, либо сморщенной), которые, как потом выяснилось, контролируются одним геном. В-третьих, подлинная удача Менделя заключалось в том, что выбранные им признаки контролировались генами, содержавшими истинно доминантные аллели. И, наконец, интуиция подсказала Менделю, что все категории семян всех гибридных поколений следует точно, вплоть до последней горошины, пересчитывать, не ограничиваясь общими утверждениями, суммирующими только наиболее характерные результаты (скажем, таких–то семян больше, чем таких-то). 

Мендель экспериментировал  с 22 разновидностями гороха, отличавшимися  друг от друга по 7 признакам (цвет, текстура семян и т.д.). Свою работу Мендель  вел восемь лет, изучил 20 000 растений гороха. Все формы гороха, которые  он исследовал, были представителями  чистых линий; результаты скрещивания  таких растений между собой всегда были одинаковы. Результаты работы Мендель  привел в статье 1865 г., которая стала  краеугольным камнем генетики. Трудно сказать, что заслуживает большего восхищения в нем и его работе – строгость проведения экспериментов, четкость изложения результатов, совершенное  знание экспериментального материала  или знание работ его предшественников.

Первый закон единобразия гибридов первого поколения 

Данный закон утверждает, что скрещивание особей, различающихся  по данному признаку (гомозиготных по разным аллелям), дает генетически  однородное потомство (поколение F1), все  особи которого гетерозиготны. Все гибриды F1 могут иметь при этом либо фенотип одного из родителей (полное доминирование), как в опытах Менделя, либо, как было обнаружено позднее, промежуточный фенотип (неполное доминирование). В дальнейшем выяснилось, что гибриды первого поколения F1, могут проявить признаки обоих родителей (кодоминирование). Этот закон основан на том, что при скрещивании двух гомозиготных по разным аллелям форм (АА и aа) все их потомки одинаковы по генотипу (гетерозиготны – Аа), а значит, и по фенотипу.

Второй закон расщепления 

Этот закон называют законом (независимого) расщепления. Суть его состоит в следующем. Когда  у организма, гетерозиготного по исследуемому признаку, формируются  половые клетки – гаметы, то одна их половина несет один аллель данного  гена, а вторая – другой. Поэтому  при скрещивании таких гибридов F1 между собой среди гибридов второго поколения F2 в определенных соотношениях появляются особи с  фенотипами, как исходных родительских форм, так и F1. 

В основе этого закона лежит закономерное поведение пары гомологичных хромосом (с аллелями А и а), которое обеспечивает образование у гибридов F1 гамет двух типов, в результате чего среди гибридов F2 выявляются особи трех возможных генотипов в соотношении 1АА: 2 Аа: 1аа. Иными словами, «внуки» исходных форм – двух гомозигот, фенотипически отличных друг от друга, дают расщепление по фенотипу в соответствии со вторым законом Менделя. 

Однако это соотношение  может меняться в зависимости  от типа наследования. Так, в случае полного доминирования выделяются 75% особей с доминантным и 25% с  рецессивным признаком, т.е. два фенотипа в отношении 3:1. При неполном доминировании  и кодоминировании 50% гибридов второго поколения (F2) имеют фенотип гибридов первого поколения и по 25% – фенотипы исходных родительских форм, т. е. наблюдается расщепление 1:2:1 .

Третий закон независимого комбинирования (наследования) признаков 

Этот закон говорит  о том, что каждая пара альтернативных признаков ведет себя в ряду поколений  независимо друг от друга, в результате чего среди потомков первого поколения (т.е. в поколении F2) в определенном соотношении появляются особи с  новыми (по сравнению с родительскими) комбинациями признаков. Например, в случае полного доминирования при скрещивании исходных форм, различающихся по двум признакам, в следующем поколении (F2) выявляются особи с четырьмя фенотипами в соотношении 9:3:3:1. При этом два фенотипа имеют «родительские» сочетания признаков, а оставшиеся два – новые. Данный закон основан на независимом поведении (расщеплении) нескольких пар гомологичных хромосом. Так, при дигибридном скрещивании это приводит к образованию у гибридов первого поколения (F 1) 4 типов гамет (АВ, Ав, аВ, ав), а после образования зигот – к закономерному расщеплению по генотипу и, соответственно, по фенотипу в следующем поколении (F2). 

Парадоксально, но в  современной науке огромное внимание уделяется не столько самому третьему закону Менделя в его исходной формулировке, сколько исключениям  из него. Закон независимого комбинирования не соблюдается в том случае, если гены, контролирующие изучаемые признаки, сцеплены, т.е. располагаются по соседству  друг с другом на одной и той  же хромосоме и передаются по наследству как связанная пара элементов, а  не как отдельные элементы. Научная  интуиция Менделя подсказала ему, какие  признаки должны быть выбраны для  его дигибридных экспериментов, – он выбрал несцепленные признаки. Если бы он случайно выбрал признаки, контролируемые сцепленными генами, то его результаты были бы иными, поскольку сцепленные признаки наследуются не независимо друг от друга. 

С чем же связана  важность исключений из закона Менделя  о независимом комбинировании? Дело в том, что именно эти исключения позволяют определять хромосомные  координаты генов (так называемый локус). 

В случаях когда наследуемость определенной пары генов не подчиняется третьему закону Менделя, вероятнее всего эти гены наследуются вместе и, следовательно, располагаются на хромосоме в непосредственной близости друг от друга. Зависимое наследование генов называется сцеплением, а статистический метод, используемый для анализа такого наследования, называется методом сцепления. Однако при определенных условиях закономерности наследования сцепленных генов нарушаются. Основная причина этих нарушений – явление кроссинговера, приводящего к перекомбинации (рекомбинации) генов. Биологическая основа рекомбинации заключается в том, что в процессе образования гамет гомологичные хромосомы, прежде чем разъединиться, обмениваются своими участками.