Как профессор, познакомивший с тайнами и чудесами биологии и медицины несколько поколений студентов, я понял, что полезно представлять биологию в историческом контексте: это позволяет проследить возникновение и накопление новых знаний во времени, что, в свою очередь, позволяет глубже понять и оценить, как возникли дисциплины «биология» и «медицина». Вот почему книга «Изучаем свои гены» представлена с учетом хронологии, так как под таким углом зрения легче понять, как с течением времени появились знания о генах, причем задолго до того, как было придумано само слово «ген». Кроме того, книга познакомит читателя с некоторыми из многих ученых, чьи плодотворные идеи и хитроумные эксперименты в лаборатории привели к современному пониманию генов. В книге есть описание нескольких революционных экспериментов, которые имеют отношение к нашему пониманию генов и их функции; описания и объяснения помогут вам оценить, какие сложные и информативные эксперименты в области геномики проводят в научно-исследовательской лаборатории. В книге также есть исчерпывающий словарь, который поможет читателю понять и запомнить биологические термины и их значение. Несмотря на мои усилия объяснить свойства генов простым языком, у вас могут возникнуть сложности, в таком случае свяжитесь со мной по электронной почте (errolfriedberg@gmail.com). Всегда готов помочь вам разобраться с генами.
Глава 2
Краткая история открытия генов
Первое упоминание существования генов относится к исследованиям, проведенным примерно 160 лет назад Грегором Иоганном Менделем, монахом монастыря Св. Фомы в городе Брюнне в Австрии (ныне г. Брно в Чехии). Мендель родился в 1822 году и был наречен христианским именем «Иоганн». Более привычное имя «Грегор» появилось много лет позже, когда он стал монахом монастыря Святого Фомы.
Мендель был единственным сыном Антона и Розин Мендель. У него было две сестры, семья жила и работала на ферме, которой владела из поколения в поколение. Будучи ребенком, Мендель трудился в саду и изучал пчеловодство, что развило в нем растущий интерес к биологическим наукам.
* * *
Юные годы Менделя в большинстве учебников по генетике упоминаются лишь мельком, и может возникнуть вопрос, каким образом монах из аббатства сумел обрести знания и опыт, необходимые для проведения генетических экспериментов. Однако на самом деле Мендель получил отличное систематическое образование. Когда ему было 11 лет, учитель местной школы обратил внимание на его способности и предложил родителям отправить мальчика в гимназию для дальнейшего обучения. Этот шаг стал тяжким финансовым бременем для семьи, да и для самого Менделя, который большую часть жизни страдал приступами депрессии. Тем не менее он усердно учился и в 1840 году с отличием закончил гимназию.
Впоследствии Мендель поступил на двухгодичные курсы Университета Ольмюца в Брно, где также отличался академическими успехами. В свободное от учебы время он занимался репетиторством, чтобы улучшить свое материальное положение. Когда он поступил на философский факультет Университета Ольмюца, глава кафедры естествознания и сельского хозяйства проводил исследование наследственных признаков (черт) растений и животных, в частности овец, и, вероятно, именно этим пробудил в Менделе интерес к наследственности. Хотя из-за приступов депрессии Мендель неоднократно прерывал обучение, в 1843 году он закончил курсы. В том же году вопреки воле отца, который рассчитывал, что сын возьмет на себя управление семейной фермой, Мендель начал готовиться к принятию духовного сана и вступил в Августинский орден в монастыре Святого Фомы в Брно, где получил имя «Грегор», под которым он и стал известен.
Учась в университете, Мендель постоянно нуждался, поскольку платил за свое обучение, он стал монахом монастыря Святого Фомы в первую очередь для того, чтобы воспользоваться бесплатным образованием, которое предлагал монастырь. Кроме того, у него был доступ к обширной монастырской библиотеке и лабораторному оборудованию. Со временем Мендель стал монахом-августинцем, членом религиозного ордена Римской католической церкви.
* * *
Рис. 2.1. Грегор Мендель
Интеллектуальные способности Менделя настолько впечатлили руководство обители Святого Фомы, что в 1851 году его отправили учиться в Венский университет за счет монастыря, чтобы он мог продолжить свои исследования в области естественных наук. Будучи в Вене, Мендель изучал математику и физику у знаменитого австрийского физика Кристиана Доплера, открывшего в 1842 году физическое явление, получившее название «эффект Доплера», которое в конечном итоге привело к использованию радара Доплера, используемого в современном прогнозировании погоды. Ботанику Мендель изучал под руководством Франца Унгера, австрийского ботаника, который начал использовать микроскоп для своих исследований и был приверженцем додарвиновской версии теории эволюции. Вне всякого сомнения, университетское образование Менделя было на переднем крае науки.
В университете Мендель обнаружил преподавательский талант, хотя дважды провалил экзамены на получение диплома учителя. Он был тихим и застенчивым, и, вероятно, устная часть экзаменов была непосильна для его нервной системы. Закончив учебу в Вене, Мендель вернулся в монастырь в Брно и получил место учителя в гимназии, где он преподавал более десяти лет. Именно в это время он начал эксперименты по скрещиванию, которыми и прославился уже после смерти.
Мендель начал исследования со скрещивания мышей. Он занимался этим в своей двухкомнатной квартире при монастыре, пытаясь выявить, какое потомство получится при скрещивании обычных мышей с мышами с пигментной недостаточностью (альбиносами). Будут ли на шкурках мышат признаки обоих родителей или только один из них будет доминировать? Менделю так и не удалось получить ответ на этот вопрос: епископ возмутился, узнав, что священнослужитель занимается опытами, имеющими отношение к сексу, и велел Менделю прекратить исследования. Тогда Мендель занялся посевным горохом, радуясь в душе, что епископу невдомек, что у растений тоже есть пол!
* * *
Мендель изучал наследственность по семи признакам растения: форме горошин (гладкая или морщинистая), цвету горошин (зеленый или желтый), окраске цветка (фиолетовая или белая), расположению цветков (терминальное или аксиальное), высоте стебля (высокий или низкий), форме бобов (без перетяжки или с перетяжкой) и цвету бобов (желтый или зеленый). Мендель выяснял, какое потомство (с гладкими или морщинистыми горошинами) получится у гороха с гладкими горошинами, если его скрестить с растениями с морщинистыми горошинами, и какое потомство (с желтыми или с зелеными горошинами) получится у растений с желтыми горошинами, если их скрестить с растениями с зелеными горошинами, и так далее для каждого из семи признаков, которые он выбрал для исследования. Говорят, что с 1856 по 1863 год он вырастил и изучил 28 тысяч растений, 40 тысяч цветов и около 400 тысяч семян во время первого генетического исследования. По окончании семилетнего исследования Мендель сделал вывод, что есть два «фактора» для каждого наследуемого признака и от каждого родителя наследуется по одному фактору.
Через два года Мендель представил результаты своей работы Обществу естествоиспытателей в Брно. На следующий год его презентация под названием «Опыты по гибридизации растений» была опубликована. Хотя работу отметили за ее основательность, никто не сумел должным образом оценить ее значимость. Дело в том, что работа эта во многом опережала свое время и противоречила популярному мнению о наследственности как о понятии «смешанного» наследования, которое приписывали древним философам и естествоиспытателям. Например, Гиппократ, который считается отцом медицинской науки, выдвинул теорию, согласно которой крошечные частицы от каждой части тела входят в «семенную субстанцию» родителей и в результате слияния появляется новый индивид с признаками обоих родителей. Однако Мендель, несмотря на незаслуженно низкую оценку его исследований, якобы сделал следующее заявление: «Мои научные исследования доставили мне истинное удовлетворение, и я убежден, что пройдет совсем немного времени и весь мир признает результаты моей работы». Для подобной убежденности у Менделя были все основания!