Леонід Завальський
На частку генів ДНК, які кодують білок, у людини припадає менше 2% геному, які вважаються носіями всіх генетичних ознак. Крім ДНК, існує механізм передачі спадкової інформації, пов'язаний з хромосомами.
Англійська біолог Вільям Бетсон був одним з тих, хто володів рідкісним якістю відокремлювати "істотне від несуттєвого" і формулювати цілі наукові напрямки. Після того як в 1900 році були заново відкриті закони Менделя, "генетика" ще не була самостійною дисципліною, але гілкою експериментальної біології, що має справу із спадковою мінливістю. Саме Бетсон вперше запропонував термін "генетика" в 1906 році. Микола Іванович Вавілов називав англійського вченого своїм учителем.
У 1894 році Бетсон опублікував фундаментальну працю "Матеріали з вивчення переривчастої мінливості в походження видів" (609 сторінок тексту з 210 малюнками). Життя по суті дискретна і переривчаста, в основі її лежить дискретність спадковості. Природний відбір, як припускав Дарвін, діє на основі дрібних відхилень, плавною мінливості, яка загадковим чином призводить до дискретності видів - в цьому протиріччі Бетсон бачив основні труднощі дарвінізму в поясненні видоутворення. Щоб зняти протиріччя, Бетсон постулював дискретність мінливості і, в кінцевому рахунку, мав рацію. Його грандіозна зведення прикладів переривчастої мінливості, за скромним висловом автора, "не містить нової доктрини, а всього лише зводить разом матеріали, які в майбутньому допоможуть іншим продовжити вирішення цієї проблеми".
Для позначення дискретних ознак мало не кожен дослідник пропонував власну назву: Де Фриз - мутації; Морган - найменші ознаки, окремі варіації; Корренс - незалежні ознаки; Кастл - Менделя ознаки; Осборн - біологічні ознаки і т.д. Якщо додати до цього списку "одиничні ознаки" Дарвіна, "константні ознаки" Менделя і "переривчасті варіації" Бетсона, стає зрозумілою необхідність проведення уніфікації загалом близьких і однорідних понять. Поряд з впровадженням нової термінології генетика почала формуватися як самостійна наукова дисципліна на початку 20 століття. У 1909 році знаменитий датський генетик Вільгельм Иоганнсен публікує книгу "Елементи точного вчення про спадковість", в яку вводить і понині використовуються в науці терміни "ген", "генотип", "фенотип", "аллель".
За Іоганнсену, ген - це реально існуюча, незалежна, комбінуюча і розщеплюється одиниця спадковості, самостійно наследующихся фактор. Сукупність генів становить генотип. Разом з геном Иоганнсен ввів поняття "фен", під яким розумів "елементарний генетично обумовлений ознака". Фенотипом він назвав сукупність всіх зовнішніх і внутрішніх ознак. "Фенотип є вираженням дуже складних взаємин". Аллели - форми стану гена, що викликають фенотипічні відмінності, локалізовані на гомологічних ділянках парних хромосом.
Здавалося б, був заданий повний спектр потрібних генетикам ознак. Проте щоразу виникали труднощі при спробі позначення окремого ознаки фенотипу. Немає ні однієї ознаки, який визначався б діями лише одного гена (принцип плейотропних гена). Одні ознаки виявляються суворо генетично детермінованими, тоді як у виразі інших ознак зміни умов середовища можуть відігравати важливу роль. Як правило, розмірні і вагові ознаки (зріст і вагу організму) виявляються надзвичайно полігенними.
Мабуть, часткове використання не цілком суворої термінології завжди вживалося і буде вживатися у складних галузях науки. Наприклад, мутація, з одного боку, є переривчасте зміна спадковості, а з іншого боку - сам мутантний ознака, чи мутант, що виник в результаті мутації. Аллель - одночасно форма стану гена, альтернативний спадковий ознака і особина, що несе така ознака.
На початку 20 століття англійський селекціонер і рослинництва Найт у результаті аналізу великої кількості ознак у різних сортів культурних рослин встановив, що всі відмінності визначаються різними комбінаціями ознак, які далі не діляться. Ці ознаки він назвав елементарними (unit character). Фени Иоганнсен відповідають елементарним ознаками Найта. Основною властивістю фена є його дискретність і неподільність. Кошти, виділені фени можуть бути різними за генетичну природу: одні генетично "елементарні", інші утворюються в результаті поєднань дії декількох генів, але зберігають дискретний характер прояву як елементарного фенотипического ознаки.
Порівняння долі понять "ген" і "фен" свідчить не на користь останнього. Поняття "ген" став основним у сучасній генетиці багато в чому завдяки тому, що крок за кроком підтверджувалася матеріальна структура гена і його локалізація в хромосомах. З поняттям "фен" сталося щось протилежне. У міру вивчення проявів генотипу з'ясовувалася все більша складність відносин між генотипом і фенотипом. Шлях від гена до фену, від "спадкового потенціалу" до "спадкоємному здійсненню" до цих пір залишається однією з найбільш неопрацьованих областей сучасної біології. У процесі розвитку організму кожен ген впливає на безліч фенотипічних ознак, а один і той самий ознака виявляється під впливом багатьох генів.
Подібна неясність і складність генетичного визначення окремих ознак і послужила головною причиною того, що розуміння фена як спадково обумовленого ознаки організму не отримало широкого розповсюдження. Ген виявився на магістральній лінії розвитку біології, а фен "забули" на узбіччі. Втім, забули тимчасово, до повного розбирання з геномом окремих видів і особин.
Перш за все, при будь-якому вивченні природних популяцій виникає завдання виділення тих чи інших ознак або властивостей. Дуже важливим є виявлення можливих фенів і постійне уточнення виділених елементарних ознак. У Adalia bipunctata, наприклад, генетичний аналіз показав обумовленість виділених фенів (кілька десятків) певними генетичними характеристиками.
Фени, мабуть, можуть бути виділені не на кожному матеріалі. При дослідженні кількісних ознак виникають значні труднощі у виділенні фенів. У таких випадках фенами може виявитися прояв "головних" генів, як, наприклад, при порівнянні короткостеблових і Длінностебельноє гороху (Pisum sativum) в класичних дослідах Менделя (у цьому випадку можливе виділення фенів "Длінностебельноє" і "короткостебловості"). Якщо на протязі ареалу виду виявляються чіткі розриви в значенні тих чи інших кількісних ознак, властивих кожному регіону, то такі кількісні ознаки, які характеризують кожну з обмежених регіонів, можна вважати фенами.
Фенетіка - наука кількісна. По-перше, більшість морфологічних і фізіологічних особливостей організму є вимірюваними величинами. По-друге, кількісні ознаки навколишнього середовища виявляються в її впливі на організм. По-третє, за кількісними ознаками стоїть величезне число генів. До цих пір немає чітко сформульованої теорії кількісних ознак, і залишається неясним, наскільки детально слід "маркувати" особина кількісно. Важливо мати набори ознак, кожен з яких детально описує певну структуру чи функцію організму. При вивченні будь-якого органу виділяється якийсь ознака, яка складається з набору субпрізнаков. Наскільки докладно можна витягати ці субпрізнакі? Л. А. Животовський, порівнюючи співвідношення між коефіцієнтами варіацій ознаки та складових його субпрізнаков, з'ясував, що коефіцієнт варіації ознаки (С) в середньому тим менше коефіцієнтів варіації субпрізнаков (Сi), чим менше кореляція між ними, причому залежність між коефіцієнтами варіації ознаки і субпрізнаков лінійна: чим нижчий рівень ієрархії субпрізнаков в системі ознаки, тим в середньому вище їх варіабельність.
Фенотипічні кореляції між субпрізнакамі в середньому менше генотипових кореляцій. Відбір, значний щодо важливої ознаки, розщеплюється по субпрізнакам. Якщо ознака складається з субпрізнаков, то з пониженням рівня ієрархії збільшується внесок випадковості в їх формування.
Вибір об'єкта для фенетичних досліджень проводиться у відповідності з наступними вимогами:
Висока чисельність популяції,
Широкий спектр мінливості різних морфологічних структур на внутрипопуляционной і міжпопуляційної рівнях.
Послідовність виділення фенів:
Виділення основних елементів конституції,
Виявлення для кожного елемента конституції основних варіантів,
Аналіз дрібних особливостей окремих варіантів, які теж є альтернативними.
Є безліч альтернативно варіюють ознак, які насправді мають кількісну основу варіювання. У ході розвитку на їх варіювання накладаються епігенетичні порогові обмеження. Після досягнення критичної величини такої кількісний ознака може проявитися у фенотипі і варіює як звичайний кількісний ознака. Якщо в процесі ембріональної закладки пороговий рівень не досягається, ознака взагалі не проявляється у фенотипі. Один і той же пороговий ознака може мати в ході кількісного варіювання кілька стійких станів (порогових рівнів), долаючи які, він якісно змінюється. Переважна більшість таких морфологічно добре помітних і дискретних стійких станів порогових ознак на практиці розглядаються як фени. Є всі підстави розуміти фен як стійкий стан порогового ознаки. Необхідно розрізняти фени та їх композиції. Композиції (фенокомплекси) - це поєднання фенів різних ознак.
При вирішенні певних популяційних завдань можуть бути використані фенокомплекси, що дозволяють охарактеризувати особина, а згодом і популяцію, певним поєднанням окремих варіацій (фенів). Фенокомплекси можуть розглядатися як фени більш високого рівня ієрархії. Фени найбільш високого рівня маркують певною частотою групи популяцій найвищих рангів. Фени наступного рівня - варіанти основних елементів конституції - виявляють сувору закономірність у зміні частоти протягом всього ареалу.
Фенотип багатоклітинного організму розглядається зараз не як мозаїка ознак, контрольованих окремими генами, а як загальний продукт взаємодії багатьох тисяч генів у онтогенезі. Отже, генотип організму, що розвивається є епігенетичні систему, або епігенотіп. Відомо, що не самі гени взаємодіють один з одним, а їхні продукти. Функціонування епігенотіпа "стисло" таким чином, що процес розвитку виявляється жорстко спрямованим. Поряд з основною траєкторією розвитку, яка веде до формування нормального для популяції чи лінії фенотипу ("дикого типу"), є набір субтраекторій, спрямованих в ході розвитку на реалізацію певних, відмінних від норми стійких станів фенотипу. Епігенетичні спадковий матеріал представлений хімічними "мітками" на хромосомах, не порушують нуклеотидну послідовність ДНК. Ці гени розкидані по некодуючих областям ДНК і єдиний їхній продукт - молекули РНК, через які здійснюється контроль звичайних генів. Епігенетичні елементи названі так тому, що драматично впливають на весь спадковий механізм.
Уоддінгтон ввів вдалу метафору - "епігенетичні ландшафт". Це поняття було створено для опису морфогенезу особини, де кожна "рівнина" веде до формування того чи іншого органу або частини організму. Цілком можна говорити про епігенетичної ландшафті популяції, маючи на увазі передбачуваність фенотипического вигляду кожної популяції виду як за кількісними параметрами, які характеризують форму, так і по частотах альтернативних варіацій ознак.
За М.А. Шишкіну, "всі зиготи одного виду мають один і той же потенційний спектр шляхів розвитку і розрізняються лише за ймовірністю їх здійснення". Кожна зигота популяції в ході розвитку може реалізувати будь-який з наявних у конкретній популяції шляхів розвитку з певною, заданої для цієї популяції ймовірністю їх здійснення. У цьому сенсі кожна особина містить інформацію про єдиний для популяції епігенетичної ландшафті.
Різні популяції виду в силу унікальності їх взаємодії з конкретною локальної екологічною обстановкою будуть епігенетичні різними. Суміжні, сусідні популяції тому будуть мати подібним, але нетотожні епігенетичних ландшафтом. Мінливість в протіканні розвитку епігенетичної системи популяції називають "аберратівной" (епігенетичної) мінливістю.
М.М. Філіппов у 60-х роках минулого століття вивчав аберратівную мінливість малюнка надкрила жуків. З його роботи, зокрема, випливає:
Аберратівная мінливість малюнка надкрила жуків завжди дискретна;
Виразність елементів малюнка, незважаючи на дискретність, має кількісну природу;
Розташування кожного елемента рисунка по відношенню до інших строго визначена і невипадково;
У малюнку є стійкі і нестійкі елементи;
Розвиток малюнка у кожного виду суворо специфічно.
При вивченні малюнка надкрила жуків (Coleoptera) виконується правило моделі про заповнення пігментом спочатку центрів пігментації (плям), потім перемичок між ними і повного заливання пігментом надкрила. Для того щоб здійснювалося таке правильне формування структури малюнка, повинна існувати єдина Епігенетична система популяції. Інша популяція буде мати інший, хоча і подібний ландшафт. Ці деталі, що відрізняють "ландшафт" однієї популяції від іншої, призводять до того, що поряд із загальними, перекриваються композиціями вони будуть мати унікальні, властиві тільки даній популяції поєднання, які в силу іншого "рельєфу розвитку" в іншої популяції ніколи не зможуть з'явитися.
Нуклеотидні послідовності ДНК однояйцевих близнюків ідентичні, проте, в одного з них виникають спадкові онкологічні захворювання, діабет, алергія, маніакально-депресивний психоз, шизофренія - а в іншого не виникають. Певну роль у такому відмінності відіграють фактори навколишнього середовища. Але головною причиною, як вважає більшість сучасних біологів, є Епігенетична залежність певних захворювань.
Отже, предметом фенетікі є внутрішньовидова мінливість, заснована на розгляді фенів. Методи фенетікі - виділення фенів і кількісне вивчення такої мінливості в популяціях і географічно різних частинах видових ареалів. Протягом останніх років учені вивчали фенотипическую конституцію популяцій людей в різних регіонах планети, намагаючись виявити зв'язок між походженням і расовою приналежністю. Деякі групи людей різняться фенотипічно за окремими ознаками, визначальним колір шкіри, структуру волосся, форму обличчя, розріз очей тощо. Численні генетичні дослідження показали, що генетична розмаїтість людей на 90% обумовлено відмінностями в межах однієї географічної популяції, і лише 10% - міжконтинентальними відмінностями. Іншими словами, "генетичний розкид" між представниками однієї раси приблизно в 10 разів вище, ніж міжрасові відмінності в генотипі. Отже, представники різних рас відрізняються один від одного лише трохи більше, ніж представники однієї раси.
Незначними генетичними відмінностями пояснюється і різна стійкість популяцій до тих чи інших захворювань. Серповидно-клітинна анемія, наприклад, поширена серед жителів Африки і Середземномор'я, а муковісцидоз (кістозний фіброз) найбільше вражає корінних європейців. Чутливість афро-американців до ряду ліків серцево-судинних захворювань набагато менше, ніж у представників інших груп. Генетичними відмінностями пояснюється і неоднакова чутливість людей до вірусу СНІДу. Гіпертензія, діабет і багато інших хвороб виникають внаслідок кумулятивного дії поліморфізмів в декількох генах, кожен з яких окремо викликає лише ледь помітний ефект відхилення організму від норми. Знання "географічних" коріння набуває великого значення для лікування ряду захворювань, поширених у певних національних групах.