Курсовая  работа на тему:

История развития генетики 
 

Выполнил: студент группы ПиФ-112

      Сорокина А.П. 
Проверил:  Тепляков Ю.Н.

Аннотация

  Работа  посвящена изучению истории развития генетики – науки о наследственности и изменчивости. Рассмотрены важнейшие процессы в развитии, важные, получившие известность открытия. Некоторое внимание уделено изучению отношения к генетике, как к науке, в России.

  Ключевые  слова: генетика, наследственность, изменчивость, генотип, фенотип, ген, геном, ДНК, РНК, белки, ферменты.

Содержание

Введение 4

1. Глава первая. Зарождение науки и «эра классической генетики». 5
1. Зарождение науки 5
2. «Эра классической генетики». Примерная хронология 7
3. Опыты Г.Менделя 8
4. Хромосомная теория наследственности: зарождение и развитие 11
5. Гены 14
6. Краткие итоги 16
2. Глава вторая. Современный этап генетики или «эра ДНК» и «геномная эра» 18
7. Примерная хронология 18
8. История изучения ДНК 19
9. Механизм реализации генетической информации 21
10. Проект „Геном человека“ 30
11. the 1000 Genomes Project 33
12. Краткие итоги 35
3. Глава третья. Немного об особенностях развития генетики в России. 37

Приложения 41 

Введение

   Гене́тика (от греч. γενητως — происходящий от кого-то) — наука о законах и механизмах наследственности и изменчивости.

   Генетика  — одна из главных теоретических  основ селекции, и потому ее прогресс способствует повышению плодородия полей, продуктивности животноводства, а в целом успешному разрешению продовольственной проблемы. С генетикой  связаны также надежды в борьбе за здоровье человека, главным образом  за счет ранней диагностики, профилактики и эффективного лечения наследственных болезней.¹

   Термин «генетика» ввёл в 1905 английский натуралист Уильям Бэтсон в письме к Адаму Сэджвику. В 1906 г. термин введён публично.

   Первоначально генетика изучала общие законы наследственности и изменчивости на основании фенотипических данных.

   Понимание механизмов наследственности, то есть роли генов как элементарных носителей  наследственной информации, хромосомная  теория наследственности и т. д. стало возможным с применением к проблеме наследственности методов цитологии, молекулярной биологии и других смежных дисциплин.

   Генетика  прошла долгий путь развития от опытов Менделя (и его предшественников) до масштабных международных проектов по расшифровке последовательностей нуклеотидов в ДНК(секвенированию), таких как «Геном человека» и «the 1000 Genomes Project»

   Сегодня известно, что гены реально существуют и являются специальным образом  отмеченными участками ДНК или  РНК — молекулы, в которой закодирована вся генетическая информация. Известны белки, кодируемые отдельными генами и их роль в организме человека.

   Мне было интересно, с чего всё начиналось, и какие этапы прошла генетика на пути своего становления, почему я  и приступила к выполнению этой работы, цель которой: проследить путь развития одной из самых, на мой взгляд, интересных наук – генетики.

   В ходе работы я постаралась рассмотреть  наиболее значимые открытия и процессы, определяющие эволюцию и прогресс этой науки. 

Глава первая. Зарождение науки и «эра классической генетики».

Зарождение науки

   Родоначальником генетики, её «отцом», считается Г.Мендель. В ходе работ, выполнявшихся в период с 1856 по 1863 г. им были раскрыты основы законов наследственности, что и явилось основой генетики. Годом «рождения» генетики считается 1900, когда законы Менделя были переоткрыты сразу тремя учёными: в Голландии Дэ Фризом, в Германии Корренсом, в Австрии - Чермаком. Однако зарождение её произошло несколько раньше – о чём рассказывает нам Л.Я. Бляхер (История биологии (с начала ХХ века до наших дней) – М.: Наука, 1975. – 660 с.):

Опыты по гибридизации растений. 
Накопление сведений о наследуемых признаках

   Попытки понять природу передачи признаков по наследству от родителей детям предпринимались еще в древности. Размышления на эту тему встречаются в сочинениях Гиппократа, Аристотеля и других мыслителей. (Судя по разнообразным археологическим данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения к другому. Отбирая определённые организмы из природных популяций и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами. На вавилонских глиняных табличках указывались возможные признаки при скрещивании лошадей.²) В XVII–XVIII вв., когда биологи начали разбираться в процессе оплодотворения и искать, с каким началом – мужским или женским – связана тайна оплодотворения, споры о природе наследственности возобновились с новой силой. Знаменитая борьба преформистов («анималькулистов» и «овистов») немало способствовала выяснению природы этого процесса у животных. У растений половая дифференциация была открыта Р. Я. Каммерариусом (1694), обнаружившим в опытах со шпинатом, коноплей и кукурузой, что для завязывания плодов необходимо опыление.

   Тем самым к концу XVII в. была подготовлена научная почва для начала опытов по гибридизации растений. Первые успехи в этом направлении были достигнуты в начале XVIII в. Полагают, что первый межвидовой гибрид получил англичанин Т. Фэйрчайлд при скрещивании гвоздик Dianthus barbatus и D. caryophyllus. С получением других гибридов практика гибридизации стала расширяться, но ботаники еще продолжали считать спорным вопрос о наличии двух полов у растений и их участии в оплодотворении. В 1759 г. Петербургская Академия наук для выяснения этого вопроса объявила даже специальный конкурс. Премии за работу «Исследование пола у растений» («Disquisitio de sexu plantanun») был удостоен в 1760 г. К. Линней, получивший межвидовой гибрид козлобородников (Tragopogon), легко дающих помеси в естественных условиях. Однако сути гибридизации и роли пыльцы в скрещивании Линней не понял. Научно обоснованное решение этого вопроса было достигнуто в опытах члена Российской Академии наук И. Г. Кельрейтера.

   В 1760 г. Кельрейтер начал первые тщательно продуманные опыты по изучению передачи признаков при скрещивании растений. В 1761–1766 гг., почти за четверть века до Л. Спалланцани, изучавшего проблему скрещивания на животных объектах, Кельрейтер в опытах с табаком, дурманом и гвоздиками показал, что после переноса пыльцы одного растения на пестик другого растения, отличающегося по своим морфологическим признакам, образуются завязи и семена, дающие растения со свойствами, промежуточными по отношению к обоим родителям. В результате Кельрейтер пришел к выводу фундаментальной важности: в формировании потомства и передаче признаков, прослеживаемых у потомков, принимают участие оба родительских организма. Кельрейтер ввел также метод обратных скрещиваний с одним из исходных родителей, благодаря чему ему удалось доказать наследование признаков и равноправие мужских и женских элементов в формировании дочерних особей. Точный метод скрещивания, разработанный Кельрейтером, обусловил быстрый прогресс в изучении наследственной передачи признаков.

   В конце XVIII – начале XIX в. английский селекционер-растениевод Т. Э. Найт, проводя скрещивания различных  сортов, столкнулся с проблемой сочетания признаков родителей у потомков. Подбирая разные пары для скрещиваний, он обнаружил, что каждый сорт характеризуется комплексом присущих ему мелких признаков. Число признаков, которыми два сорта отличаются друг от друга, тем больше, чем меньше степень их родства. Важным выводом Найта явилось обнаружение неделимости мелких признаков при различных скрещиваниях. Дискретность наследственного материала, провозглашенная еще в древности, получила в его исследованиях первое научное обоснование. Найту принадлежит заслуга открытия «элементарных наследственных признаков».

   Дальнейшие  существенные успехи в развитии метода скрещиваний связаны с французской  школой селекционеров, особенно с ее наиболее яркими представителями –  О. Сажрэ и Ш. Нодэном. Интересы обоих  ученых формировались под непосредственным влиянием Кельрейтера и Найта. Они сделали шаг вперед в отношении подбора объектов исследований, целиком перейдя к опытам с относительно быстро развивающимися растениями (овощными культурами), вегетационный цикл которых ограничивается несколькими месяцами. Излюбленными объектами Сажрэ и Нодэна стали представители семейства тыквенных.

   Крупнейшим  достижением Сажрэ явилось обнаружение  феномена доминантности. При скрещивании  сортов, различающихся наследственными  задатками, он нередко наблюдал подавление признака одного родителя признаком  другого. Это явление в максимальной степени проявлялось в первом поколении после скрещивания, а  затем подавленные признаки снова  выявлялись у части потомков следующих  поколений. Тем самым Сажрэ подтвердил, что элементарные наследственные признаки при скрещиваниях не исчезают. К этому же выводу вполне самостоятельно пришел и Нодэн в 1852–1869 гг. Но Нодэн пошел еще дальше, приступив к количественному изучению перекомбинации наследственных задатков при скрещиваниях. Видимо, он сознавал, что именно количественное описание результатов скрещиваний может дать в руки исследователей ту нить, которая позволит разобраться в сути процессов, развертывающихся при гибридизации. Однако на этом пути Нодэна ждало разочарование. Неверный методический прием – одновременное изучение большого количества признаков – привел к такой путанице в результатах, что он был вынужден отказаться от своей попытки. Немалую долю неопределенности в трактовку полученных результатов внесли и объекты, использовавшиеся Нодэном: он еще не смог уяснить роль самоопылителей в проведении таких опытов. Недостатки, присущие опытам Нодэна и его предшественников, были устранены в работе Г. Менделя.³

«Эра  классической генетики». Примерная хронология

   • 1865 Грегор Мендель делает доклад «Опыты над растительными гибридами»

   • 1869 Фридрих Мишер открыл главную составную часть ядер, названную им нуклеином (Nuclein)

   • 1903 Высказано предположение о том, что хромосомы являются носителями наследственности.

   • 1905 Уильям Бэтсон в письме к Адаму Сэджвику вводит термин генетика.

   • 1908 Открыт закон Харди-Вайнберга.

   • 1910 Томас Хант Морган доказывает, что гены расположены в хромосомах.

   • 1913 Альфред Стертевант составляет первую генетическую карту хромосомы.

   • 1918 Рональд Фишер публикует работу «On the correlation between relatives on the supposition of Mendelian inheritance», которая знаменует начало работ по созданию Синтетической теории эволюции.

   • 1927 Для обозначения изменений в генах введен термин мутация.

   • 1928 Фредерик Гриффит обнаруживает молекулу наследственности, которая передаётся от бактерии к бактерии (Эксперимент Гриффита)

   • 1931 Кроссинговер как причина рекомбинации (Барбара Мак-Клинток)

   • 1941 Эдвард Тейтем и Джордж Бидл показывают, что в генах закодирована информация о структуре белков.⁴

Опыты Г.Менделя

   В 1856–66 годах чешским монахом Грегором Менделем были поставлены знаменитые опыты, результатом которых стало  появление новой науки – генетики. Объектом для экспериментов был выбран огородный горох, так как существует множество его сортов, чётко различающихся по ряду признаков; растения легко выращивать и скрещивать. Успех Менделя объясняется тщательным планированием и аккуратным проведением экспериментов, а также наличие большого количества опытов, позволявших получить статистически достоверные сведения.

     Для своих первых опытов Мендель выбирал растения, чётко различающиеся по какой-либо паре признаков, например, по расположению цветов («пазушные» или «верхушечные»). Выращивая растения каждого типа на протяжении нескольких поколений, Мендель убедился в их пригодности для проведения эксперимента. Мендель проводил скрещивание – опылял растения одного типа пыльцой растений другого типа. Ряд предосторожностей (например, удаление тычинок у цветков, которые впоследствии опылялись, и надевание колпачков на цветы, чтобы избежать дополнительного опыления со стороны других растений) позволили получить достоверные результаты. Во всех случаях из семян, собранных с этих гибридов, вырастали растения с пазушными цветками. Признак «пазушные цветки», наблюдаемый у гибридов первого поколения, был назван доминантным, признак «верхушечные цветки» – рецессивным.

   Далее растениям первого гибридного поколения  была предоставлена возможность  самоопылиться. Во втором гибридном  поколении у части растений образовались пазушные цветки, а у другой части  – верхушечные. Мендель предположил, что признак «верхушечные цветки»  присутствовал и в первом поколении, но в скрытом виде. Во всех подобных опытах, проведённых с какой-либо парой признаков, примерно три четверти гибридов второго поколения обладали признаком, проявлявшимся и в  первом поколении гибридов (его назвали доминантным), а четверть потомства второго поколения обладала признаком, не проявившимся у гибридов первого поколения (рецессивным). Важно, что чем больше опытов было поставлено, тем ближе был полученный результат к отношению 3:1.

   На  основании этой серии опытов были сделаны следующие выводы:

   - У родительских растений было  по два одинаковых «фактора»  (например, «пазушные цветки» либо  «верхушечные цветки»).

   - Гибриды первого поколения получили  по одному фактору от каждого  родителя, причём эти факторы  не слились, а сохранили свою  индивидуальность.

   Таким образом, был сформулирован закон расщепления (первый закон Менделя).

   Признаки  данного организма  детерминируются  парами внутренних факторов (генов). Второе поколение потомков от моногибридного скрещивания примерно на четверть состоит из особей с рецессивным признаком.

     <…>

     В описанных опытах проводилось моногибридное скрещивание – брались особи, различавшиеся только по одному признаку. В дальнейшем Мендель перешёл к изучению дигибридного скрещивания, когда по той же методике ставились опыты над чистосортными (гомозиготными) особями, различающимися по двум признакам (например, жёлтые и зелёные семена, морщинистые и гладкие семена). В результате, во втором поколении могли получиться особи с семенами четырёх типов: жёлтые и гладкие, жёлтые и морщинистые, зелёные и гладкие, зелёные и морщинистые. Соотношение разных фенотипов во втором поколении составило примерно 9:3:3:1(Приложение 2). При этом для каждой пары признаков приближённо выполнялось соотношение 3:1. На основании этого Мендель вывел принцип независимого распределения (второй закон Менделя).

   Каждый  признак из одной  пары признаков может  сочетаться с любым  признаком из другой пары. При этом пары признаков распределяются по потомкам независимо одна от другой.

     Схему дигибридного скрещивания  удобно записывать в специальной  таблице – так называемой решётке Пеннета; при этом количество возможных ошибок при определении генотипа потомства сводится к минимуму. Все генотипы мужских гамет вносятся в заголовки вертикальных столбцов, а все генотипы женских гамет – в заголовки горизонтальных. Если вернуться к примеру с семенами гороха, то можно выяснить, что вероятность появления во втором поколении особей с гладкими семенами (доминантный аллель) равняется 3/4, с морщинистыми семенами – 1/4 (рецессивный аллель), с жёлтыми семенами – 3/4 (доминантный аллель) и с зелёными семенами – 1/4 (рецессивный аллель). Таким образом, вероятности сочетания аллелей в генотипе равны:

   - гладкие и жёлтые – 9/16 (3/4 ∙  3/4);

   - гладкие и зелёные – 3/16 (3/4 ∙  1/4);

   - морщинистые и жёлтые – 3/16 (1/4 ∙ 3/4);

   - морщинистые и зелёные – 1/16 (1/4 ∙ 1/4);

     Законы Менделя не были восприняты мировым научным сообществом. В 1900 году Хуго де Фриз, Карл Корренс и Эрих Чермак независимо друг от друга заново открыли законы Менделя, сформулировав их в форме, близкой к современной.⁵

Современные формулировки законов Менделя:

   1-й  закон Менделя – закон единообразия гибридов первого поколения.

   При скрещивании гомозигот  все гибриды первого  поколения единообразны по генотипу и фенотипу.

   Правило чистоты гамет.

   При гаметогенезе у гетерозигот  в каждую из гамет  с равной вероятностью переходит один из двух аллелей

   2-й  закон Менделя – закон расщепления.

   При моногибридном скрещивании  гетерозигот примерно четвертая часть  их потомков обладает рецессивным вариантом признака.

   3-й  закон Менделя – закон независимого  наследования отдельных признаков.

   Отдельные признаки наследуются  независимо друг от друга, если гены, отвечающие за развитие этих признаков, не сцеплены между собой.

Условия выполнения законов Менделя

   Законы  И. Менделя являются фундаментальными законами генетики (подобно законам  Ньютона в физике). Однако они (как  и любые законы природы) выполняются  только при наличии определенных условий:

1. Подразумевается моногенное наследование. Это означает, что за один признак отвечает один ген. Тогда выстраивается логическая цепочка: «один ген – один полипептид; один полипептид – один фермент; один фермент – одна реакция; одна реакция  – один признак».
2. Гены, отвечающие за развитие разных признаков (например, А и В) не влияют друг на друга, не взаимодействуют между собой.
3. Гены, отвечающие за развитие разных признаков (например, А и В), не сцеплены между собой, а сочетания их аллелей образуются случайным образом в равных соотношениях.
4. Выполняется правило чистоты гамет (правило чистоты гамет не является законом).
5. Равновероятность встречи гамет и образования зигот.
6. Жизнеспособность особей не зависит от их генотипа и фенотипа.
7. Законы Менделя носят статистический характер: отклонение от теоретически ожидаемого расщепления тем меньше, чем больше число наблюдений.
8. Каждому генотипу соответствует определенный фенотип (100%-ная пенетрантность признаков).
9. У всех особей с данным генотипом признак выражен в равной степени (100%-ная экспрессивность признаков).
10. Изучаемые признаки не сцеплены с полом.

   При несоблюдении перечисленных условий  наследование признаков приобретает  более сложный характер.⁶

Хромосомная теория наследственности: зарождение и развитие

   Своими  исследованиями Мендель определил  развитие науки на десятилетия. В 60-е  годы XIXв о наследственности и  наследовании признаков создавались  самые невероятные теории. Ученые лишь шаг за шагом приближались к  истине, хотя и с другого направления. В 1875 г. Оскар Гертвиг описал процесс  оплодотворения как соединения двух клеток. Обобщив исследования, касающиеся деления клеток, Август Вейсман назвал носителями наследственных свойств  ядра клеток. Изучение хромосом привело  к предположениям о том, как могут  распределяться наследственные факторы  между двумя клетками. Эти «цветные тельца» в клеточном ядре были открыты Фридрихом Антоном Шнейдером  в 1873 г. Вскоре выяснилось, что у каждого  определенного вида растений и животных число хромосом одинаково. В 1883 г. Эдуард Ван Бенеден заметил, что в  половых клетках их в два раза меньше. При их соединении получается двойной набор хромосом, характерный  для взрослых индивидуумов. Так, в  начале нашего века эмбриология и  цитология заложили надежную основу для исследования материальных носителей  наследственности. Оставалось только «открыть генетику». Это сделали  Карл Эрих Корренс, Хуго Де Фриз и Эрих Чермак, работавшие соответственно в  Германии, Нидерландах и Австрии.

     В 1900 г. эти трое ученых опубликовали  независимо друг от друга результаты  исследований по скрещиванию  растений. Чемрак обнаружил забытую  работу Менделя, и она была  вновь напечатана в 1901 г. Вскоре  после этого два цитолога, Уолтер  Сеттен и Теодор Бовери, показали, что законы Менделя очень хорошо  объясняют распределение хромосом  при делении клеток. Так медленно  набирала темпы хромосомная теория  наследственности.

     В первое десятилетие нашего  века развитие генетики происходило  довольно бурно. При исследовании  наследственности умело пользовались  математической статистикой, но  мало интересовались биологической  стороной вопроса, искали средние  показатели количественных признаков  и отклонения от них. Позже стало понятно, что эти признаки определяются большим числом генов и их анализ крайне затруднителен. Однако в 1908 г. Уильям Бетсон и его сотрудник Р. Пеннет, исследуя парные признаки, установили, что их распределение не согласуется с законами Менделя. Молодая наука генетика попала в кризисную ситуацию.

     Эти противоречия, в сущности, стали  началом нового открытия. И его  сделал Томас Морган, профессор  экспериментальной зоологии Колумбийского  университета в Нью-Йорке. Он  сумел объединить данные статистики  и результаты исследования процессов,  происходящих в клетках. В 1908 г. Морган начал генетическое  изучение плодовой мушки Drosophila melanogaster. Это маленькое насекомое  идеально подходит для генетических  исследований: у мушки 4 хромосомы,  она начинает размножаться через  2 недели после появления на  свет, и ее легко изучать в  течение жизни, продолжительность  которой 3 месяца. Морган и его  коллеги по Колумбийскому университету  пришли к убеждению, что хромосомы  действительно напрямую связаны  с наследственностью.

     Результаты некоторых проведенных  Морганом экспериментов по разведению  плодовой мушки, казалось, противоречили  менделевскому закону независимого  наследования. Группа, руководимая  Морганом, установила, что некоторые  признаки, очевидно, связаны между собой. Иными словами, их сочетание встречается у потомков чаще, чем предполагают статистические законы Менделя. Так, например, белоглазость – мутантный признак – почти всегда встречалась только у самцов. Морган назвал это явление сцеплением с полом. Тенденция к сцеплению подсказала Моргану, что гены, по-видимому, располагаются в тесной близости друг к другу на одной и той же хромосоме. Были обнаружены четыре такие сцепленные группы генов у плодовой мушки, которые соответствовали четырем ее парам хромосом.⁷

   Благодаря цитолого-генетическим экспериментам <…> удалось установить участие некоторых хромосом в определении пола. У дрозофилы, например, наряду с тремя парами хромосом (аутосом), не имеющих отношения к определению пола, была обнаружена пара половых хромосом. Половые хромосомы, в свою очередь оказались двух типов – длинные палочковидные Х-хромосомы и маленькие изогнутые Y-хромосомы. Их сочетаниями и определяется пол мухи. Дальнейшие эксперименты показали, что у дрозофилы, как и у большинства млекопитающих (в том числе человека), амфибий, рыб и большинства растений попадание в зиготу двух Х-хромосом приводит к формированию женской особи, объединение же одной Х-хромосомы и одной Y-хромосомы дает начало мужской особи. Следовательно, все женские гаметы одинаковы – они несут по одной Х-хромосоме; мужские особи дают гаметы двух типов: половина содержит Х-хромосому, половина – Y-хромосому. Поэтому при оплодотворении половина зигот получает набор хромосом XX, а половина – XY, и отношение полов равняется 1:1.

   У большинства птиц, насекомых и  части растений определение пола происходит иным образом: мужской пол  получается от сочетания двух Х-хромосом; женский пол характеризуется  сочетанием Х- и Y-хромосом.⁸

     В начале 1912 г. к группе исследователей, работавших вместе с Морганом, в «мушиной комнате», присоединились  два студента Колумбийского университета  – Альфред Х. Стертевант и Кальвин Б.Бриджис. Спустя два года их примеру последовал студент-выпускник Герман Дж. Меллер. К своему удивлению, Морган и его сотрудники отмечали, что гены, расположенные на одной и той же хромосоме, наследовались вместе реже, чем этого можно было ожидать. В большинстве клеток организма имелось по две хромосомы каждого типа, и Морган подозревал, что хромосомы в паре могут расщепляться и рекомбинировать, тем самым позволяя производить обмен генами. Эта мысль подтверждалась полученными под микроскопом данными переплетающихся хромосом, которые, по мнению впервые наблюдавшего их в 1909 г. бельгийского ученого Ф. А. Янсена, могли обмениваться между собой своими участками.

     Чем больше расстояние между  двумя генами в одной хромосоме,  рассуждал Морган, тем больше  вероятность разрыва. Если это  так, то гены не будут наследоваться  вместе. И наоборот, гены, расположенные  в хромосоме близко друг от  друга, имеют меньше шансов  быть разделенными. Уже в 1911 г. Стертевант осознал, что степенью сцепления двух генов в хромосоме может служить величина линейного расстояния между ними. Представление о том, что гены локализуются в хромосоме в специфической линейной последовательности и, далее, что основу сцепления составляет близость двух генов на хромосоме, можно отнести к числу основных достижений генетической теории.