Осажденная крепость

 Не торопясь, внимательный биолог
 Законы изучает естества.

И. Эренбург

В Голландии, стране цветов и лугов, в начале XX века работал ботаник Де Фриз. Он выращивал в саду растение энотеру (ослинник), которая в большом количестве росла в окрестностях Амстердама. 17 лет Де Фриз наблюдал за развитием 15 000 особей энотеры. Он заметил, что среди множества нормальных растений встречаются необычные: одни из них имеют большие листья и цветки, лишенные тычинок; у других - карликовый рост или, наоборот, очень высокий стебель. Де Фриз заметил, что некоторые изменения у растений возникают внезапно, без всяких переходов, и назвал их мутациями.

Современная биология установила, что мутации - это наследственная форма изменчивости организмов, обусловленная изменением генотипа.

Первоначальные представления Де Фриза о том, что мутации всегда крупные наследственные изменения, дальнейшими исследованиями не подтвердились. Но, указанный Де Фризом, скачкообразный характер мутаций оставался в силе.

Приблизительно в эти же годы в небольшой лаборатории Колумбийского университета в США Томас Морган ставил опыты на плодовой мушке дрозофиле. Тучи этих мух носились в жарких районах страны над опавшими, гниющими плодами и откладывали в них яички, из которых выводились личинки. Этих мушек очень легко было разводить и в лаборатории: достаточно было положить на дно банки гниющие фрукты или приготовить пищевую кашицу из изюма с картофелем, а затем пустить в банку пару мух и закрыть отверстие ватной пробкой, как вскоре в банке появлялось целое облачко мельчайших мушек с красными глазами. Дрозофилы размножались чрезвычайно быстро: за один год они выводили 20 поколений, а за 5-6 лет столько поколений, сколько смог бы дать человек только за всю культурную историю со времен древнего Египта до наших дней.

Мушки дрозофилы имели малое число хромосом (4 пары) и давали большое количество мутаций. Поэтому дрозофила стала исключительно удобным объектом для исследований.

Морган скрестил самку дрозофилы, имеющую черное тело и нормальные крылья, с самцом, у которого было серое тело и недоразвитые крылья. Согласно закону независимого распределения признаков можно было ожидать появления в потомстве мушек четырех типов: с черным телом и нормальными крыльями; с черным телом и недоразвитыми крыльями; с серым телом и недоразвитыми крыльями; с серым телом и нормальными крыльями. В действительности появились мушки только двух типов: черные с нормальными крыльями и серые с недоразвитыми крыльями, т. е. потомки дрозофил обладали теми же признаками, которые имели их родители. Выходило так, что два признака (цвет тела и длина крыльев), вместо того чтобы свободно распределиться в потомстве, оказались как бы сцепленными и передавались по наследству вместе.

Одни ученые стали рассматривать этот случай как исключение из закона Менделя, другие - как опровержение всеобщности его законов. Однако Морган пришел к выводу, что свободно комбинируются только те признаки, гены которых находятся в разных хромосомах. Гены, находящиеся в одной хромосоме, сцеплены друг с другом. Так как у дрозофилы четыре пары хромосом, следовательно, у нее должно быть четыре группы сцепления.

Но в дальнейшем выяснилось любопытное явление. Сцепленные хромосомы иногда как бы разрывались, и это приводило к новой комбинации признаков в потомстве. Морган объяснил это тем, что хромосомы одной пары во время деления нередко перекручивались одна вокруг другой и в месте перегибов происходил разрыв сцепления, так что половинка одной хромосомы становилась продолжением другой, парной ей хромосомы. Такой перекрест хромосом приводил к обмену генами и перемешиванию признаков, а в потомстве дрозофилы появлялись все четыре типа мушек. Морган уточнил, в какой хромосоме находился ген, определяющий развитие того или иного признака. Так возникла хромосомная теория наследственности, которая развивала основные положения законов Менделя.

Изучение наследственности все еще привлекало внимание многих исследователей. Как таинственная крепость, наследственность оставалась неприступной, хотя и многие осаждали ее.

Но вот в 1927 году ученику Моргана Мёллеру удалось прорваться в эту крепость.

Как последователь Менделя и Моргана, Мёллер понимал, что изменить наследственность могли бы только такие условия, действие которых проникло бы в клетку, достигло ядра, изменило химическую структуру хромосом, но не нарушило жизнеспособности организма. Мёллер обратил внимание на рентгеновские лучи, проникающие глубоко в организм сквозь ткани и способные достигнуть хромосом и генов. Мёллер подверг дрозофил действию рентгеновских лучей. Сами облучаемые мухи не изменились, но потомство их оказалось чрезвычайно пестрым: среди обычных мушек встречались мушки с белыми глазами, с желтым телом, с загнутыми крыльями, четырехкрылые и т. д. Стало ясно, что мутации распространялись в самых различных направлениях. Оказалось, что ядро клетки могло поражаться минимальными дозами облучения, что говорило о высокой чувствительности и ранимости хромосом.

Ученые установили, что мутации у животных и растений можно вызвать не только рентгеновскими, но и ультрафиолетовыми лучами, химическими веществами, механическими повреждениями и т. д.

Пример. У горностаевого кролика, выращенного при температуре 20 градусов тепла, окраска шерсти белая, а нос, кончики лап, ушей и хвост - черные. Если кролика выращивать при температуре 30 градусов, то вся шерсть приобретает белый цвет. Если же на спине у белого кролика выбрить наголо небольшой участок шерсти и охлаждать кожу до температуры около нуля градусов, то на этом месте вместо белой вырастает черная шерсть. Изменение температуры влияет на выработку определенных ферментов и сказывается на проявлении генов окраски.

Такое же явление наблюдается и у растений. Красная китайская примула при обыкновенной температуре цветет красными цветками. Если ее перенести во влажную оранжерею и выращивать при температуре 30-35 градусов тепла, то у примулы появляются белые цветки. Здесь действие температуры вызвало изменение гена, определяющего окраску цветков. Однако другой сорт китайской примулы (белая) всегда цветет белыми цветками, независимо от температуры. Это говорит о различном пределе изменчивости организмов в зависимости от условий среды. Признаки взрослого организма не всегда совпадают с теми возможностями, которые определены наследственностью.

Вот почему ученые выделяют фенотип - совокупность всех внешних и внутренних признаков организма, которые формируются в результате взаимодействия генотипа - системы наследственных факторов (генов) организма - с условиями среды.

Наследуются не только признаки строения организмов, но и инстинкты. Американский генетик Коллинс приводит интересный пример. Как-то лесорубы на Скалистых горах убили зимой медведицу и нашли в берлоге маленького медвежонка величиной с рукавицу. Они принесли его домой и выкормили. Медвежонок привык к людям и стал ручным. Во время хода лососей, когда рыбы огромными косяками плыли на нерест, лесорубы отправились на рыбную ловлю и захватили с собой медвежонка. В этих местах в период хода лососей к берегу подходят медведи. Они вылавливают лапами рыб, сортируют их, отделяя самцов от самок, и поедают икру. Медвежонок, впервые попавший на берег и никогда не видевший своих родичей, вел себя совершенно так же: он наловил рыб, разбросал их по кучкам и стал лакомиться икрой.

Большие заслуги в изучении наследственной изменчивости принадлежат советскому академику Николаю Ивановичу Вавилову. Изучив наследственную изменчивость у культурных растений и их диких предков, Вавилов в 1922 году установил своеобразную периодическую систему изменчивости - закон гомологических рядов.

Родственные виды сохраняют общие гены и способны давать сходные мутации. Если у растений одного вида обнаружена какая-либо изменчивость, то селекционер может ожидать появления сходных изменений у сортов и пород того же вида или родственных ему родов и видов.

Основываясь на этом законе, селекционеры вывели "сладкий" люпин. Люпин - прекрасное зеленое удобрение, так как в его корнях живут клубеньковые бактерии, накапливающие азот. У всех видов люпина семена содержат ядовитые вещества - алкалоиды, поэтому люпин раньше считался непригодным для корма скота.

Но у других видов бобовых встречаются растения с безалкалоидными семенами. Можно было ожидать, что и у люпина есть такие растения. Надо было искать. И вот удалось найти "сладкий" люпин. Но у этого растения створки боба раскрывались до уборки урожая и семена высыпались. Селекционеры стали искать люпин с нераскрывающимися створками и нашли такое растение, осмотрев более 10 миллионов особей люпина. Но бобы этого люпина при созревании опадали. Размножив этот люпин, селекционеры отыскали среди его потомков люпин с неопадающими бобами. В дальнейшей работе отбирались растения с высоким содержанием белка в семенах, с большей урожайностью и т. п. При этом отыскивались растения, появление которых можно было предвидеть согласно закону гомологических рядов. Каждый вид растений или животных возник только однажды, и место, где он родился, называют его центром происхождения. Это не одна точка, а определенная территория, которая стала колыбелью нового вида. Отсюда вид расселяется по планете, пока не наткнется на непреодолимый барьер - горный хребет, неподходящий климат, отсутствие пищи и т. п.

Вавилов выяснил центры происхождения культурных растений, например: китайский центр - родина хлебных злаков, проса, гречихи, сои; индийский центр - родина риса, цитрусовых, сахарного тростника и др. Всего известно восемь мировых центров.

Так как наследственная изменчивость культурных растений определяется не только условиями жизни, но и историей их происхождения, то знание центров происхождения облегчает селекционерам поиски необходимых растений, наибольшее разнообразие которых сосредоточено в этих местах.