Для развития науки в последние десятилетия характерно, что наиболее перспективные открытия и направления рождаются, как правило, на стыках разных наук.
Важные события происходят на наших глазах на стыке биологии с химией. Результаты совместных исследований биологов и химиков в области генетики — науки, изучающей проблемы наследственности и изменчивости организмов,— уже приносят пользу человечеству и обещают дать еще больше в недалеком будущем.
Долгое время генетика была чисто эмпирической, описательной областью знания. Вначале она установила некоторые закономерности в изменчивости и передаче признаков по наследству. Затем начались поиски причин этих закономерностей на уровне клетки, путем цитологических исследований. Еще больших достижений добилась генетика, используя химические методы эксперимента. Биохимия позволила установить сущность генетических процессов, их механизм на молекулярном уровне, она еще раз подтвердила, что наследственные признаки передаются не таинственными носителями загадочной «жизненной силы», а вполне реальными, хотя и весьма сложными веществами, поддающимися вполне реальным, хотя и чрезвычайно тонким способам исследования. Химия и физика помогли расшифровать структуру сложнейших образований живой клетки и показать механизм явлений, происходящих в ней.
Значительный вклад в развитие генетики внесли и вносят советские ученые. Навсегда вошло в историю науки имя выдающегося ученого академика Н. И. Вавилова, открывшего закон гомологичных рядов. Автором интересных работ и научных гипотез был крупный ученый академик Н. К. Кольцов.
Союз биологии с химией открыл не известные ранее возможности направленного изменения свойств растений и животных.
Неполегающая пшеница, увеличений веса зерен гречихи, свекла с повышенным содержанием сахара, улучшение меха пушных зверей, гибридные куры, дающие больше яиц и мяса,— все это уже относится к практическим достижениям генетики. Серьезные успехи достигнуты и в области изготовления новых лекарственных препаратов. Ведутся важные работы по изучению наследственных болезней человека.
Можно с уверенностью сказать, что мы вступаем в эпоху, когда в области молекулярной биологии и биохимии будут сделаны важнейшие для человечества открытия.
Химическая природа генов
Начало генетики как науки связывают с именем чехословацкого ученого Грегора Менделя, 100 лет назад установившего основные законы наследования признаков. Для своих опытов по скрещиванию Мендель брал различные сорта садового горошка, отличающиеся такими четкими признаками как красная или белая окраска цветов, желтая или зеленая окраска семян, округлая или удлиненная их форма и т. д.
ОТКРЫТИЕ ЗАКОНОВ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Рис. 1. Справа вверху — двойной хромосомный набор клетки плодовой мушки дрозофилы. Ниже — микрофотография одной из ее хромосом. Темные полосы — места расположения генов
Скрестив перекрестным опылением два растения, одно из которых имело красные, а другое — белые цветы, Мендель обнаружил, что все растения в потомстве первого поколения имеют красные цветы, подобно одному из родителей. Но при скрещивании двух растений первого поколения между собой в их потомстве (во 2-м поколении) появились, помимо растений с красными цветами, растения с белыми цветами. Другими словами, произошло расщепление на исходные родительские формы. Соотношение их равнялось 3:1. Чтобы объяснить полученные результаты, Мендель предположил, что каждому признаку и в частности окраске цветка соответствует какой-то его задаток, или детерминант, находящийся в клетках растения; в обычных клетках содержатся по два задатка каждого признака, а при образовании половых клеток—гамет — в каждую попадает только один задаток. Когда половые клетки красного и белого растения сливаются вместе, образуется оплодотворенная яйцеклетка, несущая два детерминанта окраски: один — красной, другой — белой. Однако внешне цветы растений выглядят красными, так как задаток красной окраски доминирует над задатком белой окраски. Но задаток белой окраски сохраняет свою индивидуальность и независимость, и при образовании гамет, наряду с гаметами, несущими задаток красной окраски, возникают гаметы с задатком белой окраски А во втором поколении появляются растения с белыми цветами, происходящие от слияния двух гамет, несущих задатки белых цветов.

Рис. 2. Хромосомный набор соматических клеток человека. Каждая пара хромосом имеет свой размер и форму. В половых клетках число хромосом вдвое меньше, чем в соматических
Открытую закономерность Мендель сформулировал как закон расщепления признаков в потомстве, связав его с независимым и случайным расхождением задатков признаков по гаметам (закон чистоты гамет).
Расщепление признаков в потомстве Мендель наблюдал и в тех случаях, когда для скрещивания брались растения, различающиеся между собой двумя парами признаков, например окраской цветов и формой горошин. Во 2-м поколении появлялись растения с сочетаниями признаков родителей во все/ возможных комбинациях, причем различные пары признаков наследовались независимо друг от друга (закон независимого распределения признаков).
Применив новую методику при изучении явлений наследственности, Г. Мендель, в противоположность более ранним экспериментаторам, наблюдал за поведением отдельного, четко определяемого признака, например, за окраской цветов или формой семян в разных поколениях. Обязательным условием являлась генетическая чистота исходного материала.
Так называемые родительские пары, за признаками которых Мендель наблюдал в последующих поколениях, должны быть чистолинейными, то есть при скрещиваниях с самими собою в первом и втором поколениях они должны были повторять одну и ту же форму наблюдаемого в эксперименте признака.
ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Рис. 3. Схема расположения двух пар генов в двух различных пара хромосом. Гены наследуются сцепленно только во втором случае когда они расположены в одной паре хромосом
Опыты Менделя и выведенные им закономерности привлекли серьезное внимание ученых-биологов лишь в 1900 году. Эти закономерности проверялись на многих видах растений и животных. И тут обнаружились новые факты, не укладывающиеся в рамки представлений о независимом распределении признаков.
Некоторые признаки одного родителя как бы тяготели друг к другу и чаще всего встречались у потомков вместе, тогда как другие распределялись независимо один от другого. Объяснение зтого явления было дано американскими учеными Т. Морганом и его сотрудниками А. Стертевантом, Г. Меллером и К. Бриджесом, обосновавшими так называемую хромосомную теорию наследственности.
В клетке, точнее в ее ядре, содержатся нитевидные образования, наблюдаемые в микроскоп и получившие название хромосом. Они представляют собой комплексы, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и белка, то есть нуклеопротеиды. Каждый вид животных и растений имеет свое постоянное число хромосом, причем в обычных клетках содержится двойной набор хромосом (каждая хромосома имеет соответствующую ей парную хромосому), а в половых клетках — одинарный набор хромосом. Так, если в обычных клетках плодовой мушки дрозофилы 8 хромосом (рис. 1), то в половых клетках их 4, то есть в два раза меньше; если во всех клетках человека имеется по 46 хромосом (рис. 2), то в половых клетках их только 23. При слиянии половых клеток число хромосом удваивается и восстанавливается число хромосом, свойственное организму данного вида.
Эти факты натолкнули Т. Моргана на мысль, что хромосомы это и есть те структуры клетки, в которых расположены наследственные задатки, или гены. При образовании половых клеток, когда хромосомы попарно расходятся, расходятся и находящиеся в них гены. Напротив, при образовании половых клеток происходит объединение в одной клетке хромосом, а соответственно и генов двух родителей. Это позволяло объяснить и различные случаи наследования двух пар признаков Если они расположены в разных парах хромосом, то они передаются из поколения в поколение независимо (рис. 3, верхняя схема), как это наблюдалось в опытах Менделя. А если они находятся в одной паре хромосом, то передаются вместе, то есть оказываются «сцепленными» между собой (рис. 3, нижняя схема). Замечательно, что число таких сцепленных генов, устанавливаемое на основании генетических исследований, и число хромосом, определяемое при микроскопическом изучении клеток, в точности совпадают между собой.
Так цитология, наука о строении клетки и клеточных структур, пришла на помощь генетике в объяснении материальной природы гена.
КРОССИНГОВЕР

Рис. 5. Хромосомный набор саламандры. Из клеток г двойным набором хромосом образуются половые клетки с одинарным набором хромосом
Всегда ли гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются вместе? Оказалось, что не всегда. В некоторых случаях две хромосомы одной пары до того, как разойтись в половые клетки, обмениваются гомологичными (то есть ответственными за сходные признаки) участками при помощи процесса, известного под названием кроссинговера.
Схема кроссинговера показана на рис. 4. Как видно на микрофотографии (рис. 6), между двумя хромосомами образовался перекрест. В дальнейшем, при расхождении хромосом, в месте перекреста хромосомы разрываются, в результате чего они обмениваются гомологичными участками.
Гены, находящиеся в одной хромосоме, оказываются в разных хромосомах одной пары, т. е. они отделяются друг от друга. В результате в хромосомах образуются новые комбинации. Этот процесс называют в научной литературе рекомбинацией генов.
Чем ближе один к другому расположены гены в хромосоме, тем меньше вероятность их расхождения, и наоборот, чем они дальше, тем больше шансов, что между ними произойдет кроссинговер.
Принцип кроссинговера положен в основу построения так называемых генетических карт хромосом, на которых указано положение одних генов относительно других и расстояние между ними. Ныне такие генетические карты составлены для многих живых систем.
ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ЛИНЕИНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ГЕНОВ

Рис. 6. Микрофотография пары гомологичных хромосом саламандры, на которой виден перекрест между двумя нитями
Правильность генетической карты нетрудно проверить с помощью цитологических исследований. В лаборатории удается получать хромосомы, у которых либо на конце, либо в середине не хватает небольшого участка.
Если в клетке окажется такая хромосома с нехваткой, а парная ей хромосома будет иметь нормальную структуру, то при соединении двух хромосом по длине на участке, соответствующем нехватке, нормальная хромосома образует петлю.Зная, какой из генов расположен на участке, где произошла нехватка, можно предсказать, в каком месте хромосомы образуется петля (рис. 7). Во многих случаях такие «предсказания» действительно реализуются, и при наблюдении в микроскоп обнаруживается петля именно в предсказанном месте.
Таким методом ученые удостоверились в правильности составленных ими генетических карт для дрозофилы, что послужило полным подтверждением правильности концепции о линейном расположении генов в хромосоме.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОЙ НАУКИ — МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Рис. 7. Отрезок одной из хромосом слюнных желез дрозофилы. Отчетливо видно, что при соединении двух хромосом В ОДНОЙ из них образуется петля — из-за отсутствия ряда генов в другой
К 40-м годам нашего столетия четко определилось понятие о гене как об элементарной единице наследственности. К этому времени ген рассматривали как единицу изменчивости, считая, что он изменяется как единое целое; как единицу рекомбинации, считая, что кроссинговер может происходить только между различными генами; и как единицу функции, ибо он, как целое, определяет развитие признака. Носителями генов, как указывалось выше, считали хромосомы.
Современная генетика внесла в эти представления существенные изменения и перевела их на язык физико-химических понятий. Новый этап в развитии представлений о гене неразрывно связан с бурным развитием биохимии, применением новых, химических методов исследования в биологии и преобразованием ее из описательной в точную науку. Возникли новые разделы биологической науки — молекулярная биология, и, в приложении к генетике,— молекулярная генетика, которая позволила перевести на молекулярный уровень генетические представления.
С точки зрения молекулярной генетики генетические функции хромосом определяются не нуклеопротеидом и не белком, как считали раньше, а только дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК).
В развитии молекулярной генетики большую роль сыграло использование бактерий и вирусов как объектов генетических и биохимических исследований. Бактерии и фаги (бактериальные вирусы) — очень удобные объекты для экспериментов, так как их хромосомы организованы значительно проще, чем хромосомы высших организмов. Каждая хромосома бактерии представляет собой по существу несколько гигантских молекул ДНК. Если раньше считали, что материальные носители наследственности — это хромосомы, в состав которых входят и белки, и нуклеиновые кислоты, образующие нуклеопротеидные комплексы, то именно из генетических исследований на бактериях пришли первые экспериментальные доказательства того, что носителем генетической информации является ДНК, которая и определяет наследственную структуру организма.
ПЕРВЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ГЕНА
В 1928 году .появилось сообщение о непонятном на первый взгляд явлении. В организм мыши были введены одновременно две разновидности одного и того же микроба. Каждая из них сама то себе заболевания не вызывала (одна — потому, что была невирулентной, а другая — вирулентная форма — была убита нагреванием). Но, введенные вместе, обе формы микроба вызывали заболевание, и животное погибало. Можно было предположить, что в организме мыши, в результате какого-то процесса, происходило превращение одной разновидности микроба в другую, вирулентную форму. Проводивший эти исследования английский бактериолог Ф. Гриффитс не мог объяснить причину этого явления. Только через 16 лет трое ученых — О. Т. Айвери. С. М. Мак-Леод и М. Мак-Карти постазили перед собой цель — выяснить, какое из веществ клетки микробов обладает способностью изменить наследственные свойства других клеток. Им удалось разгадать загадку. Испытав несколько препаратов, они пришли к выводу, что такими свойствами обладают только препараты, содержащие дезоксирибонуклеиновую кислоту. Очистив их от примесей белка, они окончательно убедились, что наследственное превращение (трансформацию) микробов из одной формы в другую можно осуществить не только в теле мыши, но в пробирке, если добавить в нее убитые нагреванием микробы одного типа и небольшое количество препарата ДНК из микробов другого типа.
За первыми опытами последовало много других, после которых уже не оставалось сомнений, что путем добавления посторонние ДНК можно осуществлять наследственные изменения в клетках бактерий. Это показывает, что именно ДНК является носителем наследственной информации в клетках живых организмов.
СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ДНК

Рис. 8. Объемная модель молекулы ДНК. Спирально закрученные нити — это остатки сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Между спиралями в виде заштрихованных шаров изображены молекулы азотистых оснований, то есть тех самых «букв», при помощи которых в ДНК записана наследственная информация
Важнейшая составная часть молекулы ДНК — азотистые основания два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (гимин и цитозин), Каждая молекула состоит из большого числе -пуриновых и пиримидиновых оснований, которые скреплены между собой при помощи остатков сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Химический анализ показал, что сумма пуриновых остатков в ДНК равна сумме пиримидиновых остатков. При этом число гуанинов равно числу цитозинов, а число аденинов равно числу гуанинов. Таким образом гуанин с цитозином, а аденин с тимином составляют как бы пары. Оказалось также, что соотношение аденин-тиминовых и гуанин-цитозиновых пар у ДНК различных биологических объектов различно и что именно этим и отличаются один от другого разные виды ДНК.
Исходя из этих данных, а также из данных рентгеноструктурного-анализа, Д. Уотсон и Ф. Крик в 1953 году разработали стройную модель структуры ДНК.
Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Азотистые основания, скрепленные при помощи остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты, составляют их звенья (рис. 8). Уотсон и Крик предположили, что основания одной нити ДНК при помощи одного вида химической связи (водородной) сцеплены одна с другой в пары, причем аденин всегда связан с тимином, а гуанин — с цитозином. Теперь становится понятным, почему число аденинов всегда равно числу тиминов, а число гуанинов — числу цитозинов. Эти парные основания получили название комплементарных оснований, а нити ДНК — комплементарных нитей. Прошедшее десятилетие принесло огромное количество фактов, подтвердивших это открытие.
Уотсон и Крик предположили также, что при делении клеток удвоение числа хромосом происходит благодаря удвоению молекул ДНК. Этот процесс самоудвоения ДНК, согласно Уотсону и Крику, происходит путем разрыва водородных связей между парными основаниями. В результате этого процесса молекула ДНК разделяется на две нити. Каждая нить притягивает из окружающей среды «предшественников» (комплементарные основания, связанные с остатками дезоксирибозы и фосфорной кислоты) и воссоздает новую комплементарную нить. Таким образом две разделившиеся исходные нити превращаются в две новые — дочерние — молекулы ДНК, идентичные исходной молекуле ДНК. Акт самоудвоения двух дочерних молекул приводит к образованию четырех молекул и т. д. (рис. 9).
ПОНЯТИЕ О ГЕНЕТИЧЕСКОМ КОДЕ
Все биохимические процессы в клетке осуществляются с участием специальных белков—ферментов. Каждый фермент ответствен только за одну (или несколько определенных) химических реакций. Такая избирательность ферментов обусловлена их строением. Все белки, в том числе и ферменты, построены из аминокислот. Всего известно около 20 природных аминокислот. В составе каждого фермента они встречаются в разном соотношении. Количество аминокислот в ферментах колеблется от нескольких десятков до ста (и даже более). Однако ферменты различаются не только по соотношению входящих в них .аминокислотных остатков, но и по порядку их расположения.
Приведем аминокислотный состав трех гипотетических белков:
- Валин — серин — глицин — пролин
- Валин — серин — метионин — лейцин
- Валин — метионин — серин — лейцин
Белки 1 и 2 различаются по аминокислотному составу, тогда как белки 2 и 3 различаются только порядком расположения аминокислот. Но по биологической функции белки 2 и 3 можно отличить один от другого, так же, как белки 1 и 2.
Ученые установили, что состав и последовательность аминокислотных остатков в белке — ферменте определяется составом и последовательностью нуклеотидов на соответствующем участке молекулы ДНК. Вопрос о том, какое количество нуклеотидов определяет включение данной аминокислоты в состав белка, был решен в основном математически. Ход рассужде ний был таков: если бы каждый нуклеотид ДНК определял включение одной аминокислоты, то ДНК содержала бы информацию о включении только 4 аминокислот, так как число возможных комбинаций из 4-х нуклеотидов по одному составит 4. Между тем требуется определить включение 20 аминокислот. Если бы включение в белок одной аминокислоты определяли два нуклеотида, то 4-х нуклеотидов ДНК хватило бы на 16 аминокислот (число возможных комбинаций из 4 по 2 составит 4X4= 16), то есть опять меньше требуемых 20. Число возможных комбинаций из 4-х по 3 составит 64 (4X4X4=64). Такого количества комбинаций с избытком хватит для всех 20-ти аминокислот. Поэтому решили, что кодирующая единица в молекуле ДНК должна состоять не менее чем из трех нуклеотидов. Эти «тройки» нуклеотидов были названы триплетами. Число триплетов на данном участке молекулы ДНК определяет число и природу аминокислот в данном белке, а. следовательно, и его биологическую активность и специфичность.
Эта гипотеза была подтверждена тем, что, как оказалось, достаточно изменить хотя бы одно из оснований в молекуле ДНК, чтобы вызвать наследственное изменение, мутацию. Такие изменения наблюдаются при воздействии на клетку ионизирующего излучения и различных химических веществ. Например, азотистая кислота вызывает дезаминирование трех азотистых оснований — цитозина, аденина и гуанина, которые превращаются в результате этого в урацил, гипоксантин и ксантин. В свою очередь, такой процесс приводит к образованию необычных пар оснований и как следствие этого — к изменению их последовательности на небольшом отрезке ДНК. Сходные изменения в последовательности нуклеотидов ДНК могут вызвать и аналоги природных оснований — 5-бромурацил и 2,6-диаминопурин, что легко удается проследить на изолированной ДНК. Но самое замечательное состоит в том, что изменения в ДНК приводят к однозначным изменениям в белке, причем замена одного нуклеотида обусловливает замену только одной аминокислоты.
Многочисленные опыты по мутациям, проведенные на вирусе табачной мозаики, показали, что каждому изменению нуклеиновой кислоты соответствует строго определенное изменение в белке.
СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ГЕНЕ

Рис, 9. Схема удвоения (репликации) молекулы ДНК. Левая схема. Процесс репликации. Видно, как каждая нить наращивает комплементарную себе новую нить. Правая схема. Видно, как из одной молекулы ДНК образуются две дочерние молекулы, которые, в свою очередь реплицируясь, дают четыре молекулы ДНК
Итак, мутация — это изменение последовательности оснований в ДНК. А что же такое ген с точки зрения современных представлений?
Генетики и биохимики пришли к общему выводу, согласно которому геном является участок молекулы ДНК, ответственный за синтез молекулы белка. Число нуклеотидов, образующих один ген, зависит от числа аминокислот, составляющих молекулу соответствующего белка. Поскольку молекулы белка включают обычно от нескольких десятков до нескольких сотен аминокислот, соответствующие гены насчитывают от сотни до тысячи нуклеотидов.
Современные представления о структуре гена позволяют ясно представить себе механизм мутаций, а также объяснить внутригенный кроссинговер.
В этом — одно из принципиальных отличий от прежних представлений, рассматривавших ген как элементарную единицу мутации, рекомбинации и функции.
Таким образом, данные генетических исследований и биохимических экспериментов сомкнулись, и сегодня едва ли найдется ученый, у которого возникнет сомнение в существовании генов. Ныне мысли ученых направлены на решение других вопросов, связанных с определением последовательности основании внутри гена, ибо, как показали новейшие исследования, ответственным за первичную структуру белка, за его аминокислотный состав, за порядок аминокислот в молекуле белка является последовательность нуклеотидов в пределах одного гена. Вероятнее всего, особым порядком расположения нуклеотидов и отличаются гены один от другого.
В свете сегодняшних данных о структуре гена совершенно очевидно, что даже в одном гене может произойти огромное число разнообразных наследственных изменений, а тем более огромно их разнообразие в хромосомах, состоящих из сотен и тысяч генов.
Современные представления о структуре гена ставят по-новому решение таких важных вопросов биологии, как выяснение механизмов эволюции, направленное изменение природы животных и растений.
Рис, 9. Схема удвоения (репликации) молекулы ДНК. Левая схема. Процесс репликации. Видно, как каждая нить наращивает комплементарную себе новую нить. Правая схема. Видно, как из одной молекулы ДНК образуются две дочерние молекулы, которые, в свою очередь реплицируясь, дают четыре молекулы ДНК
Поэтому совершенно неправомочны разговоры о том, что теория гена и мутации, сводящая изменчивость к одной лишь комбинаторике, ограничивает эволюцию и лишает человека возможности активной переделки природы.
В заключение коснемся последнего, очень важного вопроса — о самовоспроизведении гена. Исследователи утверждали, что каждый дочьрний ген, образовавшийся в новой клетке, есть точная копия исходного гена. Каков же механизм самовоспроизведения гена? Ответа на этот вопрос генетики и цитологи очень долго не давали. И, пожалуй, это было семой слабой стороной теории. Блестящие достижения современной биохимии, и в особенности открытие механизма ауторепродукц и и (самовоспроизведения) молекулы ДНК, решили и эту проблему. Ибо ауторепродукция гена и есть ауторепродукция молекулы ДНК.
Теперь, когда мы знаем, что такое ген, как различные мутации воздействуют на ДНК, когда приблизилось время окончательной расшифровки генетического кода — мы вплотную подошли к разрешению проблемы направленных мутаций, направленного изменения организма с получением нужных человеку свойств, т. е. управления наследственностью и изменчивостью организмов.