Мендель начал с простых опытов: сначала изучил генетическую стабильность сортов гороха, затем обнаружил правиле доминирования, затем расщепления, после этого проанализировал количественные закономерности расщепления для организмов, отличавшихся одним, двумя и тремя признаками, наконец, дал формулы для любых скрещиваний, и так, все усложняя свою работу, поднимался ступенька за ступенькой к вершине своей теории - предсказанию принципов устройства генетического материала. И именно в этих предсказаниях он опередил современную ему науку почти на полстолетие. В его время ничего не было известно о материальных носителях наследственности, а Мендель описал, их свойства, подобно астрономам, предсказывавшим еще никем не виденные планеты. Мендель предположил, что раз существуют доминантность и рецессивность, проявляющиеся при скрещиваниях, значит половые клетки несут наследственные факторы, определяющие один свойство доминантности, другой свойство рецессивности. Так он, по сути дела, предсказал существование генов, каждый из которых отвечает за свойство вполне определенного признака.
Он предположил, что раз эти половые факторы сочетаются в клетках гибридного организма, то значит все клетки тела несут по два фактора одного признака, и в зависимости от природы этих факторов организм 'будет содержать одинаковые факторы (такие организмы стали именовать гомозиготными) или разные факторы (гетерозиготный организм по данному признаку). Это и объясняет, почему при скрещивании организмов, внешне абсолютно похожих друг на друга, вдруг в потомстве вылепляются особи, по своему виду непохожие на своих прямых родителей, а напоминающие по признакам деда или бабушку.
И, наконец, Мендель высказывает предположение, которое по праву считают одним из самых важных его законов. Он приходит к мысли, что половые клетки (гаметы) несут только 'по одному задатку каждого из признаков и чисты от других задатков этого же признака. Этот закон получил название «закон чистоты гамет».
После восьмилетнего труда Мендель мог уверенно сообщить о своих результатах. Видимо, в силу исключительной скромности он не решился передать свои выводы для опубликования в какой-нибудь широко известный научный журнал. Работа Г. Менделя появилась в четвертом номере журнала Брюннского общества естествоиспытателей. Это провинциальное издание было мало распространено среди ученых, издавалось оно небольшим тиражом, и не мудрено, что никакого эффекта в ученом мире статья Менделя не произвела.
После 1868 г. Мендель начал слепнуть. Сказалось нечеловеческое напряжение, с каким он на протяжении более 10 лет разглядывал и сортировал десятки тысяч растений, цветков, стеблей, листьев, семян. В 1884 г., так и не получив признания, великий чешский ученый Иоганн Грегор Мендель скончался. А спустя 16 лет, де Фриз, Корренс и Чермак известили научный мир об открытиях Менделя. Все трое занимались изучением закономерностей наследования признаков при скрещиваниях: де Фриз - у энотеры, мака и дурмана, Корренс - у кукурузы а Чермак - у гороха. Все трое открыли закон расщепления а затем разом натолкнулись на работу Менделя, который гораздо более тщательнее, доказательнее и глубже изучил эту проблему. Тогда все трое опубликовали восторженные статьи о Менделе, начав период менделизма в генетике. Сотни исследователей во всем мире стали продолжать исследования Менделя, законы Менделя удалось объяснить поведением хромосом. И уже в наши дни гены были изучены на молекулярном уровне, и материальные носители наследственности, существование которых предсказал Мендель, стали изучать с помощью методов биологии, физики, химии и математики.
2. ДНК - хранитель наследственной информации
Почти одновременно с Менделем выдающийся австрийский биохимик Фридрих Мишер сделал открытие, также много десятилетий остававшееся малоизвестным. Мишер обнаружил, что в ядрах высших организмов содержатся молекулы, до него не известные ученым. Они отличались по своему строению и свойствам от белков, липидов и углеводов, имели высокий молекулярный вес и главное обнаруживались в ядрах клеток. По имени ядра (нуклеус по-латыни) Мишер назвал новый класс веществ нуклеинами.
Через несколько лет, когда удалось улучшить методы очистки нуклеина, стало ясно, что нуклеины состоят из двух сортов молекул - простых белков и особых кислот, названных нуклеиновыми. Еще через несколько десятилетий биохимики установили, что нуклеиновые кислоты делятся на два типа - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК).
Некоторые биологи еще в прошлом веке высказывали догадки о возможной роли нуклеиновых кислот в передаче наследственности (в частности, братья Оскар и Рихард Гертвиги). Их предположения основывались на том, что именно ядра играли роль в - передаче наследственности. Позднее было найдено, что в ядрах находятся хромосомы, 'поведение которых указывало на их роль в хранении наследственных признаков. Но как раз в хроматиновом материале ядер биохимики и обнаруживали максимальное количество нуклеиновых кислот.
Тем не менее эти первоначальные, буквально пророческие •взгляды на роль нуклеиновых кислот были забыты уже в начале XX в. Хотя биологи и химики накапливали данные о возможной роли нуклеиновых кислот в хранении и реализации генетической информации, до начала 50-х годов большинство биологов связывало осуществление «генетических таинств» с активностью белковых молекул.
Переход от этих воззрений к реальному положению вещей был сделан только в 1953 г. двумя исследователями - англичанином, физиком по специальности Френсисом Криком, и американцем, биологом Джеймсом Уотсоном. Они предложили гипотезу о строении ДНК, гипотезу, объяснявшую не только бессвязные и потому противоречивые химические данные, но и генетические каноны. По мнению Уотсона и Крика, ДНК должна была состоять из двух нитевидных молекул, свернутых спиралью, которая могла раскручиваться, и тогда на каждой половине достраивался бы зеркально подобный партнер, завершая «размножение» молекул. Этот принцип «двойной молекулы» с зеркально располагаемыми радикалами в соседствующих частях молекулы был предложен еще в 1928 г. советским биологом Н.К. Кольцовым, но он не верил, что нуклеиновые кислоты несут наследственную запись и предложил свою модель «двойной молекулы» для белковых структур. Теперь принцип Кольцова получил химическое воплощение в структуре двойной спирали ДНК, предложенной Уотсоном и Криком.
Строение ДНК сегодня настолько широко известно, что достаточно дать только самое простое ее описание. Остов молекулы составляют остатки пятичленного сахара дезокси-рибозы и фосфатные остатки, соединенные друг с другом. К каждому сахарному остатку присоединено по одному азотистому основанию, которых в ДНК встречается четыре вида.
Первые два (аденин и гуанин) относятся к так называемым тгуриновым основаниям, а два вторых (цитозин и тимин) - к пиримидиновым основаниям.
Между каждым из оснований, входящих в пару, возникают слабые по своей энергии так называемые водородные связи. Между тимином и аденином их образуется две, а между гуанином и цитозином - три. Но хотя эти связи и слабые, молекула ДНК становится вполне стабильной. В силу того, что вдоль оси молекулы ДНК располагается огромное число пар оснований (сотни и тысячи таких пар), суммарная энергия связи двух нитей ДНК оказывается значительной.
В конце 1953 г. Уотсон и Крик, проанализировав результаты, полученные химиками (Эрвином Чаргаффом и другими) и физиками (в основном рентгеноструктурщиками Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин), пришли к выводу, что две нити молекулы ДНК только тогда могут приблизиться на расстояние, позволяющее возникнуть водородным связям (а это расстояние вполне определенное и не превышает двух ангстрем), если напротив аденина поместится тимин, а напротив гуанина - цитозин, да если к тому же обе нити ДНК будут антипараллельны.
Последнее замечание имеет глубокий смысл и связано с расположением молекул в сахаро-фосфатном каркасе нитей-ДНК. Оказалось, что остатки фосфорной кислоты, расположенные по обе стороны от молекулы сахара-дезоксирибозы, присоединяются всегда к разным атомам углерода сахара. Так как эти атомы имеют свои номера с первого по пятый (ведь дезоксирибоза - пятичленный, или пятиатомный сахар), то и получается, что предшествующий сахару фосфат присоединяется к атому углерода, имеющему номер 3' (три-штрих), а последующий - к атому углерода 5 (пять-штрих). Значок «штрих» у этих атомов ставят для того, чтобы отличать атомы углерода сахарного остатка от атомов углерода, входящих в состав азотистых оснований (в них есть свои атомы углерода под номером 3 и 5, но уже обозначаемые без штрихов). С помощью этих значков удается точно пронумеровать все атомы в нуклеотидах, составляющих ДНК. Таким образом, мы можем не только точно указать номера всех атомов в ДНК, но еще и указать направление одной нити. Его обозначают чаще всего для краткости как: 5' → 3'.
Когда Уотсон и Крик уже догадались, что спираль ДНК может 'быть стабильной, только если напротив аденилового нуклеотида поместить тимидиловый, а напротив гуанилового цитидиловый, им пришлось долго помучиться, прежде чем они нашли верное решение. Чтобы представлять себе точную пространственную картину сложнейшей молекулы ДНК, авторы изготовили так называемые шариковые модели Сахаров, фосфатов, оснований. Размеры каждого из атомов, слагающих эти молекулы, были физикам известны, расстояния между атомами и углы, образующиеся между ними, также были установлены, и Уотсон и Крик начали лепить каркасы молекул, пристраивая шарики нужного размера к стержням нужной длины, повернутым к тому же на нужный угол.