Текст книги "Мы и её величество ДНК"

Ну, а как у ночной красавицы? И почему именно три к одному?

Напомню: ночная красавица оказалась цветком «эксцентричным», не пожелала следовать правилу доминирования. Скрещивали растения с красными и белыми цветами, а гибриды первого поколения получились сплошь розовоцветными. Что будет в этом случае во втором поколении? Уж конечно, не 3 : 1.

Наследование цвета у ночной красавицы.

Под цветками даны гены; справа изображены хромосомы.

Ход скрещивания у ночной красавицы изображен на схеме. Буквой Р (Р латинское) здесь обозначены родители, F₁ – первое поколение гибридов, F₂ – второе поколение, × – знак скрещивания.

Из схемы мы видим, что первое поколение все одинаковое, розовоцветное, а во втором – потомки трех типов: с красными цветами (как один из родителей), с розовыми (как гибриды первого поколения) и с белыми (как второй из родителей). А численное соотношение 1:2:1. Легко понять, что при доминировании соотношение у ночной красавицы было бы, как у гороха, 3: 1 (когда ниже мы познакомимся с формулами, это станет яснее).

Опыт, который я описал, надеюсь, убедил самых недоверчивых читателей в том, что Мендель был превосходным экспериментатором. Но он оказался и замечательным теоретиком.

Прежде всего Мендель понимал, что растения не могут передать свои признаки потомкам иначе, как через половые клетки. Спермий и яйцеклетка у животных, пыльцевое зерно и семяпочка у растений – вот передаточные этапы. Попутно он сделал еще несколько открытий. Так, например, в точном опыте Мендель доказал, что для опыления семяпочки достаточно одного-единственного пыльцевого зерна. Если бы, кроме этого, он больше ничего не дал науке, то и тогда имя его сохранилось бы в биологии.

Не зная ничего о материальных носителях наследственности, Мендель тем не менее был уверен в их существовании. Каждый из признаков, передающийся потомкам, имеет в клетке свой собственный наследственный задаток или задатки – это главная из его гипотез, в дальнейшем полностью подтвердившаяся.

А вот теперь перейдем к формулам, открытым Менделем. Не нужно пугаться: как все по-настоящему гениальное, они просты. Вернемся к скрещиванию Горохов с гладкими и угловатыми семенами, но только признаки эти (а значит, и наследственные задатки) обозначим, как делал это и Мендель, латинскими буквами. Гладкие семена – доминантный признак – обозначим А. Угловатые семена – рецессии – пусть будут а.

Мы могли бы записать скрещивание вот так:

Р: А × а

Однако у родителей тоже были родители, у каждого по два, и от каждого они получили наследственные задатки (Мендель брал проверенные семена, не гибридные). Это мы выразим, изменив запись таким образом:

Р: АА × аа

Запись означает, что у того из родителей, который имел гладкие семена, в свою очередь были два гладкосеменных родителя, и, наоборот, угловатосеменное растение происходило от двух растений с угловатыми семенами.

Каким будет первое поколение (F₁)?

Каждое из растений получит по одному наследственному задатку от каждого из родителей (от одного А, от другого а).

F₁ (первое поколение) состоит из гибридов: Аа, Аа. Правда, по внешности все они гладкосеменные, однако по происхождению резко отличаются от гладкосеменных растений из родительского поколения.

Чтобы получить второе поколение, скрещивают растения F₁ между собой:

F1 : Аа × Аа

Тут возникает сложность, которую мы легко разъясним, потому что знаем больше того, что знал Мендель.

Ему же пришлось создать гениальнейшую из всех его гипотез: гипотезу чистоты гамет.

Перед скрещиванием растение образует половые клетки – гаметы. В опытах Менделя наследственные задатки не изменялись, не смешивались, не исчезали – в неизменном виде передавались они из поколения в поколение. Именно это позволило Менделю предположить, что гибридными могут быть только организмы. Гаметы же (половые клетки) всегда чисты, т. е. несут только один наследственный задаток из пары, в нашем случае или А, или а. Правильность этой гипотезы затем подтверждалась многократно, а теперь уже есть и прямые доказательства. Но вернемся к нашему скрещиванию и запишем, какие получатся гаметы:

Каждое из растений первого поколения образует гаметы двух типов: А и а. Тех и других образуется равное число, ибо, разделившись, материнская клетка в одну из дочерних отдает наследственный задаток А, в другую а.

Ну, а теперь нам остается лишь проследить, как будут комбинироваться гаметы при образовании второго поколения. Предположим, что имеется равное число шансов для встречи каждой из гамет одного родителя с любой гаметой другого.

Мы получаем соотношения АА : 2Аа : аа.

А – доминант, значит, растения с формулой Аа будут гладкосеменными.

Следовательно, по внешнему виду растения распадутся на две группы и составят соотношения 3 : 1 (на три гладких семени в урожае должно приходиться одно угловатое).

Однако мы сделали допущение, весьма произвольное: предположили, что каждая из гамет одного из родителей имеет равные шансы встретиться с любой гаметой другого. Так ли это? И получится ли при этом 3 : 1? В том, что это действительно так, убеждают тысячи опытов, подобных опыту Менделя. А чтобы ответить на второй вопрос, я советую (и особенно моим друзьям, пытливым читателям) проделать прямо сейчас, не сходя с места, один простой опыт.

Лотерея с черными и белыми шарами.

Нарежьте из бумаги сто одинаковых квадратиков. На пятидесяти напишите А, а на пятидесяти других – а. Затем каждый из квадратиков скатайте в трубочку и все их, тщательно перемешав, опустите куда-либо, хотя бы в шапку. Это будут наши «гаметы». Далее, не глядя, их нужно вынимать попарно и каждый раз отмечать, какой «потомок» получится: АА, Аа или аа. «Гамет» у нас мало – всего 100, поэтому, вынув, бумажные квадратики нужно вновь свертывать и бросать обратно. Чем недоверчивей читатель, тем больше придется ему поработать. Однако ручаюсь, что при достаточно большом числе «потомков» получится соотношение, близкое к 3 : 1, т. е. в нашем опыте «гаметы» ведут себя так же, как и в реальных скрещиваниях: и там и здесь подчиняются закону больших чисел.

Одинаковые, но разные

Горох с пурпурными цветами скрестили с белоцветным горохом. Получились гибриды с пурпурными цветами – сказалось правило доминирования. Попробуем сравнить два внешне одинаковых растения – из родительского и первого поколения. Они друг на друга похожи как две капли воды. Но как быть с формулами? Формулы разные!

Чтобы убедиться в правильности менделевской алгебры жизни, поставим так называемые возвратные, или анализирующие, скрещивания.

Но сначала познакомимся с некоторыми терминами, их необходимо запомнить. Прежде всего, в отличие от половых клеток гамет, получающийся в результате их слияния организм в генетике называют зиготой. Если формула гаметы в нашем случае либо А, либо а, то зиготы возможны, как мы уже видели выше, трех типов: АА, Аа и аа.

Организмы (или зиготы) с формулами АА и аа генетики называют гомозиготами, т. е. зиготами, обладающими двумя одинаковыми наследственными задатками.

«Гибридный» организм с формулой Аа носит название гетерозиготы (зиготы с разными наследственными задатками).

Как уже отмечалось, гомозиготы АА внешне не отличимы от гетерозиготы Аа. Иначе говоря, внешность организма обманчива, далеко не всегда дает нам исчерпывающее представление о его наследственной структуре. В связи с этим в генетике введено различие между фенотипом и генотипом. Фенотип – это внешнее выражение наследственности, попросту говоря, внешний вид, внешность организма. Если формула организма аа, т. е. он гомозиготен по рецессивному наследственному задатку, фенотип полностью соответствует генотипу: рецессивный признак ничем здесь не заслоняется, он сразу виден. Но если формула АА или Аа, попробуй тут по внешнему виду определить генотип! Не получается: А – доминантный фактор, и не различишь, какой перед тобой организм – АА или Аа. Вот тогда-то и применяют возвратные, или анализирующие, скрещивания: организм, несущий доминантный признак, скрещивают с гомозиготным по рецессиву.

Возвратное скрещивание у горохов.

Вернемся к нашим горохам. Растения с пурпурными цветками из родительского или первого гибридного поколения не отличимы одно от другого: у них одинаковый фенотип. Скрестим их с двойным рецессивом аа:

Вот мы и разобрались, провели, как говорят, генетический анализ. Одинаковые по фенотипу растения оказались разными по генотипу: первое гомозиготным, а второе гетерозиготным по доминантному наследственному задатку А.

Возвратное скрещивание очень часто имеет большое практическое значение в селекции. Приведу пример из практики; речь пойдет о скрещивании, которое вы можете поставить в школьном биологическом кружке, в Доме пионеров или просто дома – всюду, где есть аквариумы.

С раннего детства увлекся я жизнью подводного мира, и как-то уж так случилось, что интересовал меня не столько образ жизни рыб, сколько селекция – выведение новых пород. Нужно сказать, что до войны в Москве было много меньше видов и пород аквариумных рыб, чем сейчас. Гуппи, например, были только серые, очень невзрачные. Поэтому легко понять мою радость, когда среди бесчисленных мальков этих рыб я обнаружил одного золотого! Конечно, я его тщательно вырастил. Оказалось, что это самец, и я подобрал для него молоденькую, выращенную отдельно от других гуппи, самку. Она была серой, и все мальки, которых она родила, тоже оказались серыми. Я понял, что золотая окраска – рецессивный признак. Можно было бы скрещивать гетерозиготных по этому признаку серых рыб между собой. Но тогда получилось бы расщепление 3:1. Только четверть всех мальков оказались бы золотыми. Между тем мой золотой самец сохранялся, и я поставил возвратное скрещивание. Самки – гетерозиготы, оплодотворенные этим самцом, – дали в потомстве соотношение 1 : 1, т. е. 50% серых и 50% золотых мальков.

Очень часто точно так же поступают селекционеры, работающие с сельскохозяйственными объектами.

Возвратное скрещивание у гуппи.

Доля папы и доля мамы. Реципрокные скрещивания

Это один из вопросов, которые Мендель решал между делом. Сам он написал об этом всего лишь одну фразу: «...во всех опытах производилось взаимное скрещивание таким образом, что те из каждой пары видов, которые при одних оплодотворениях служили семенными растениями, в других употреблялись как пыльцевые».

Доля папы равна доле мамы.

В обоих случаях результаты получались одинаковые. Из опытов следовало, что оба пола в равной мере отвечают за передачу признаков по наследству. Мендель не испытывал в этом ни малейших сомнений. Однако после него сомневающихся появилось немало, было создано даже целое учение, утверждавшее, что мать, материнская наследственность, играет преобладающую роль. А если так, не вредно усомниться и нам, обратиться к иным, чем горох, объектам.

Реципрокное скрещивание у меченосцев.

На схемах показано скрещивание у меченосцев. В правой схеме родителями были окрашенная самка и обычный серый самец, в левой – наоборот. Такие скрещивания, где носитель того или иного признака выступает то в качестве матери, то в качестве отца, называются реципрокными. Из схем видно, что расщепление в обоих случаях идет одинаково, отец и мать в равной мере передают свои признаки потомкам.

Я специально взял меченосцев – аквариумных рыб, простых по разведению и содержанию. Читатели, если пожелают, смогут поставить эти скрещивания самостоятельно. Оговорю лишь одну техническую сложность. У меченосцев, как и у всех других аквариумных живородящих рыб, одного оплодотворения хватает на несколько нерестов: сперма хранится в организме самки. Поэтому самок для всех типов генетических скрещиваний у всех живородящих рыб нужно специально выращивать в отдельных аквариумах, где нет самцов.

Опытов такого рода ставилось множество на самых различных объектах: микроорганизмах, растениях, животных. Но сомневающихся убедить трудно. Всегда остаются вопросы: а вдруг все-таки... И действительно, исключения есть. Так, например, при отдаленном скрещивании между ослом и лошадью, в зависимости от того, какой из видов взят самкой, получается либо мул, либо лошак. Они отличаются друг от друга довольно резко. Однако и здесь нельзя говорить о преобладании материнской наследственности. Ведь при реципрокных скрещиваниях меняются не только матери, но и отцы. Все это вполне объяснимо с позиций современной генетики. Когда мы познакомимся с хромосомной теорией, это станет понятным.

Закон расщепления

Теперь настало время сформулировать второй закон Менделя – закон расщепления. Суть его сводится к следующему: второе поколение, полученное от скрещивания гибридов между собой, распадается на доминантные и рецессивные формы.

Расщепление у гуппи.

Катушка-альбинос среди нормальных улиток.

Формула расщепления АА: 2Аа: аа. В случае промежуточного доминирования получается расщепление 1:2:1, в случаях доминирования полного – 3:1.

В скрещивании, которое мы рассмотрели, участвует только одна пара признаков. Такое скрещивание называют моногибридным.

Поставьте опыты

Много самых различных опытов, которые подтверждают закон Менделя, можно поставить в биологическом кружке, на пришкольном участке, дома.

Начну с улиток-катушек, о которых уже писал. Если вы получили первое поколение и убедились в доминировании черной окраски, можете вырастить молодых улиток и получить второе поколение. Любопытно, что здесь для подсчетов не обязательно ждать, пока маленькие улитки вылупятся из икры. Если к стеклам аквариума прижать изнутри другие стекла, наверняка случится так, что гибридные улитки налепят на них лепешки икры. Выньте стекла с икрой и разрежьте их стеклорезом так, чтобы отдельные кучки икринок были на маленьких прямоугольниках, удобных для рассмотрения под лупой. Сложите эти прямоугольники в банку с водой. Когда икра достаточно разовьется, можно будет под лупой или слабеньким микроскопом произвести подсчеты. Различия в цвете будут хорошо видны. В каждой лепешке обычно от 40 до 70 икринок. Желательно просчитать десять – двадцать таких лепешек.

Виды аквариумных рыб иногда отличаются лишь по одному гену.

Раз уж мы начали с аквариума, о нем и продолжим. Самый удобный объект среди рыб – гуппи. Если взять самку из какой-либо короткохвостой породы и скрестить ее с вуалевым самцом, все потомство первого поколения окажется короткохвостым, а во втором поколении выщепятся рецессивы с вуалевыми хвостами. Конечно, картина у гуппи несколько усложнена. Удлинение и расширение хвостов здесь наблюдается лишь у самцов, у всех самок хвосты одинаковые (мы имеем дело с признаком, ограниченным полом). Значит, расщепление можно считать только у самцов, а самок вообще не учитывать. Очень показательно также поставить здесь возвратное скрещивание: гибридную самку скрестить с вуалевым самцом. Соотношение будет 1:1.

Не только породы у аквариумных рыб часто отличаются одна от другой лишь по одному наследственному задатку (гену). Бывает и так, что рыбы, описанные как особые виды, на деле отличаются только по генам. Сейчас в наших аквариумах очень часто встречаются хифессобрикон серпа и хифессобрикон минор. Первый коричневато-вишневый, второй кроваво-красный. Ихтиологи часто относят их к разным видам. А вот мы с тобою, читатель, можем довольно легко опровергнуть ихтиологов. Однако это скрещивание я советую тебе ставить лишь в том случае, если ты уже опытный аквариумист. В первом поколении доминирует окраска «серпа»; все гибриды получаются коричневатыми, они не отличимы от хифессобрикон серпа чистого «вида». А во втором поколении получается расщепление 3:1, в возвратном же скрещивании 1 : 1. Выщепляются чистые «минор». Следовательно, систематики-ихтиологи ошиблись. Это не разные виды, хифессобрикон минор лишь цветная вариация хифессобрикон серпа.

Такого рода ошибки не так уж редки.

Скрещивание черных и белых мышей.

А вот еще одна возможность поправить систематиков, полностью еще не доказанная. Уже много лет знакомы нашим аквариумистам точечные данио. А года четыре назад появились у нас данио леопардовые. Сам я не проверял, но по некоторым наблюдениям почти убедился в том, что леопардовая окраска просто-напросто вызывается новым для нас геном у тех же точечных данио. Почему бы юным натуралистам эту гипотезу не проверить?

Многие ребята увлекаются голубями. Плохо, если при этом они не слезают с крыш, свистят, подгоняя своих питомцев, размахивают палками, занимаются ловлей чужих голубей. И в то же время нет ничего плохого, если голубеводство ведется культурно, ставятся цели улучшения или выведения новых пород. Вот таким-то голубеводам-селекционерам я и хочу помочь, рассказав, как наследуются у голубей некоторые признаки.

Большинство интенсивных окрасок у голубей доминантно. Так, доминантна черная, красная, ярко-сизая. Ослабленные окраски, такие, как бурая, палевая и серебряная, – рецессивы. По-разному наследуется белая окраска. Так, например, дутыши (голуби с сильно увеличенными, «раздутыми» зобами) имеют ген белой окраски, который доминирует над всеми другими генами окраски этой породы. В то же время павлиньи голуби, у которых сильно увеличено число перьев в хвосте, имеют ген белой окраски, рецессивный по отношению ко всем прочим генам окраски, встречающимся у этой породы.

Многим породам голубей свойственны «воротники», «банты», «чубчики». Таков раковиновидный воротник якобинца, таковы «манишки» и «банты» на груди или «огонки» вокруг головы чайки, розочки на голове. Все эти признаки рецессивны по отношению к нормальному оперению. Также рецессивна курчавость как по всему телу, так и курчавость кроющих перьев крыла. Как быть, если у одного из голубей появилось какое-либо украшение такого типа? Скрестив его с нормальным голубем в первом поколении, получим нормальное потомство. Часто голубеводы вот тут-то и отчаиваются. А между тем оснований для огорчений нет ни малейших. Можно скрестить гибридов между собой, и тогда у 25% потомков выщепится желанный признак. Еще лучше поставить возвратное скрещивание. Оно даст уже 50% голубей с рецессивным признаком. К сожалению, голуби откладывают всего только два яйца. Поэтому нужно работать сразу с несколькими парами. Да и от одной пары можно получить голубят несколько раз.

Я уже писал, что Мендель когда-то работал с мышами. Он скрещивал серых и белых. Расщепление в этом случае сложное. Для опытов в биологических кружках лучше взять вместо серых мышей – черных. Они сейчас широко используются для работы в биологических институтах. Скрещивая их с белыми, в первом поколении вы пронаблюдаете доминирование, а во втором – расщепление по соотношению 3:1. Возвратное скрещивание дает 1:1. Мышь – удобный объект для таких опытов. Но ставить их нужно в кружках Домов пионеров или же школ, там, где для живого уголка есть отдельная комната. В домашних условиях на такие опыты вряд ли согласятся родители: от мышей пахнет.

В условиях биологического кружка можно скрестить морских свинок с гладкой шерстью с розеточными. Здесь, как и у голубей, мало потомков, поэтому лучше вести опыт на нескольких самках. В первом поколении будет доминировать гладкая шерсть, во втором выщепляться розеточные.

Опыты с растениями нужно ставить на пришкольном участке. Здесь не всегда просто подобрать исходный материал. Поэтому я не буду давать советов. Следует обратиться на ближайшую селекционную станцию и планировать опыты в зависимости от того, какие семена там окажутся.

Скрещивание гладкошерстных морских свинок с розеточными.

Задачи для самостоятельного решения

Лучше всего помогает усвоить генетику самостоятельное решение задач. Я приведу самые простенькие. Ответов давать не буду – тот, кто читал внимательно, решит легко.

1. Чтобы изучить наследование окрасок у кроликов, юннаты скрестили шесть черных самок с белыми самцами. В первом поколении у двух самок родились только черные крольчата, а от остальных четырех было получено 16 черных и 14 белых. Каковы были генотипы черных самок?

Рогатость – рецессив или доминант? Были ли рога у быка?

2. У человека карие глаза доминируют над голубыми. В одной семье было четверо детей: двое кареглазых и двое голубоглазых. Их мать была голубоглазой. Какого цвета были глаза их отца, а также деда и бабушки по отцу? Перечислить возможные варианты, считая, что расщепление у детей 1:1.

3. В результате скрещивания пшениц получилось 273 остистых колоса и 89 безостых. Составьте гипотезу о генотипах исходных пшениц. Запишите ход скрещивания при помощи менделевских формул.

4. Вы зоотехник зверосовхоза. В вашем распоряжении сотни взрослых рыжих лиеиц и лишь несколько самцов черно-бурых. Считая, что лисица становится взрослой в возрасте одного года, составьте план, согласно которому через год с небольшим вы смогли бы получить одновременно полторы тысячи лисят-чернобурок. При этом будем считать, что в среднем у каждой самки рождается шесть лисят. Рыжая окраска – доминант, черно-бурая – рецессив.

Просчитайте соотношение светлых и темных птенцов и выскажите предположение о генотипе родителей.