В поле зрения Н.К.Кольцова постоянно находились вопросы генетики. Еще в 1921 г. им была опубликована экспериментальная работа "Генетический анализ окраски у морских свинок". Проводились генетические исследования на дрозофиле. В этих работах ученый видел установление важнейшей связи между генетикой и эволюционным учением. Позднее начались работы по химическому мутагенезу.
Н.К.Кольцов глубоко понимал значение генетики для практики животноводства. В 1918 г. им была организована Аниковская генетическая станция, специализирующаяся по генетике сельскохозяйственных животных. Несколько позже была организована в Тульской области другая станция по птицеводству. В начале 1920 г. обе станции слились в одну. В 1925 г. станция получила название Центральной станции по генетике сельскохозяйственных животных, директором которой в разные годы был Кольцов и его ученики.
Вывод по разделу три
Н.К. Кольцов предугадал дальнейшее развитие генетики, указав таким образом своим последователям путь. Именно благодаря ему и его идеям было сделано множество открытий, таких как химический мутагенез. Еще одна заслуга Кольцова состоит в том, что он привлек для работы на станции много талантливых людей известных впоследствии как создатели целых направлений в генетике и селекции отдельных видов сельскохозяйственных животных.
Крупнейшим достижением экспериментальной генетики было обнаружение возможности искусственно вызывать мутации при помощи разнообразных физических и химических агентов. Немалый вклад в открытие этой возможности внесли русские ученые.
Одними из первых опыты в данной области проделали русские ученые Георгий Адамович Надсон и его молодой сотрудник Григорий Семенович Филиппов, работавшие в Институте рентгенологии и радиологии.
Они получили мутации у дрожжей и низших грибов под действием радия и рентгенных лучей. В результате экспериментов вырастали колонии, отличавшиеся величиной, формой, окраской, дрожжевые клетки изменяли свои биохимические свойства. Таким образом была открыта способность радиации вызывать наследственные изменения.
Также Г.А. Надсон совместно с Э.Я. Рохлиной опубликовал ряд работ, в которых впервые поднимался вопрос о практическом использовании экспериментально полученных мутантов.
Кроме дрожжей и низших грибов, в лабораториях Г.А.Надсона изучалось генетическое действие излучений на бактерии. Было заложено новое направление в науке - популяционная генетика микроорганизмов. Значительное внимание Г.А.Надсон уделял также изучению и анализу роли внутренних и внешних факторов в процессе экспериментального мутагенеза, например, почему разные виды микроорганизмов по-разному реагируют на облучение и как интенсивность и доза облучения влияют на индукцию мутаций. Еще одно направление работ школы Г.А.Надсона - химический мутагенез. Его учениками в 1928 г. были получены данные о возникновении наследственных изменений у дрожжей под действием хлороформа, в 1939 г. - под действием каменноугольной смолы и цианистого калия.
В середине 30-х годов была сформулирована теория, описывающая кинетические зависимости ни активирующего и мутагенного эффекта ионизирующих излучений - так называемая "теория мишени". Важнейшие эксперименты, ставшие основой этой теории, были проведены в период 1931 - 1937 гг. несколькими исследователями, среди которых был и Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, ставший одним из основателей количественной биофизики ионизирующих излучений.
Тимофеев-Ресовский развивал идеи Н. Кольцова, предполагавшего, что молекулярные наследственные структуры образуются посредством матричного синтеза. Он вел исследования по биофизическому анализу мутационного процесса, впоследствии приведшие к формированию молекулярной биологии как новой синтетической дисциплины. Тимофеев-Ресовский показал, что мутационные изменения затрагивают относительно ограниченную группу атомов в хромосоме. Это открытие впервые переводило мутационный процесс на молекулярный уровень понимания.
Также Николай Владимирович считается одним из основоположников радиобиологии. Ему удалось установить, как влияет доза излучения на интенсивность мутационного процесса. Он обнаружил явление радиостимуляции малыми дозами и провел анализ первичных пусковых механизмов возникновения мутаций под влиянием излучений.
Этот исследователь первым указал на то, что помимо прямых последствий воздействия ионизирующего излучения (т. е. злокачественных новообразований, ожогов, лучевой болезни) существует серьезная опасность возникновения вредных мутаций и накопления их в популяциях.
Одной из важнейших составных частей количественной теории мутационного процесса стали исследования русского ученого по вероятностям возникновения прямых и обратных мутаций.
В 1934 году Тимофеев-Ресовский провел ряд блестящих экспериментов, впервые показавших, что сочетание нескольких рецессивных мутаций, каждая из которых порознь снижает жизнеспособность, может привести к повышению жизнеспособности особей — носителей этих комбинаций. Данные исследования позволили в полной мере понять эволюционное значение явлений рецессивности и доминантности.
Совместно с М. Дельбрюком (впоследствии лауреатом Нобелевской премии) Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский провел работы по моделированию структуры генов. В тот же период в соавторстве с физиком Р. Ромпе он открыл и описал «принцип усилителя» в биологии, ставший одним из общих важнейших принципов современной теоретической биологии. Согласно этому принципу, единичное изменение способно изменить свойства целой особи и привести в действие силы, на несколько порядков большие по затрачиваемой энергии.
Первым, кто обратил внимание на мутации, вызванные химическими веществами, был Н.К.Кольцов, предложивший своему последователю, В.В. Сахарову, продолжить исследования в данной области.
В.В. Сахаров, работая по замыслу Кольцова, использовал 10% раствор йода. По анализу видимых мутаций, сцепленных с полом, в потомстве второго поколения он нашел передаваемые по наследству новые мутации Notch и "prune".
Впервые в мире в 1938 г. В.В. Сахаров сформулировал идею "о специфическом воздействии мутационных факторов", показал различие природы мутаций, возникших спонтанно, и индуцированных физическими и химическими мутагенами.
В наше время сформулированное В.В. Сахаровым положение о том, что специфичность мутагенеза обусловлена как структурой воздействующего фактора, так и особенностями организма, не утратило своего значения и является одним из важнейших обобщений генетики. Цикл работ по изучению мутационного процесса привел к обнаружению роли внутренних факторов (старение, инбридинг и гибридизация) в этом процессе.
Одним из первых В.В. Сахаров поднял вопрос о мутационном последействии колхицина и других мутагенов на растения, что в наши дни обрело ценность, став первоисточником для экологов и исследователей малых доз биологически активных веществ.
Другой исследователь М.Е.Лобашев первым связал процесс возникновения мутаций с репарацией поврежденных генетических структур.
Первые мутагены, открытые Сахаровым, Лобашевым и их сотрудниками, обладали низкой эффективностью, поэтому они не могли заинтересовать практиков.
Новый этап изучения роли химических факторов в процессе мутации был открыт И.А. Рапопортом (1943,46,47) указавшим на мощное мутагенное действие некоторых химических веществ. Он так же организовал широкие работы по использованию химических мутагенов в практике селекции сельскохозяйственных растений.
Так же до войны Рапопорт опубликовал ряд генетических исследований, посвященных другим актуальным проблемам того времени, в частности, он первый показал значение кислородного эффекта в механизме возникновения мутаций.
Вывод по разделу четыре
Русские ученые одними из первых во всем мире начали проводить эксперименты по искусственному получению мутаций, что позволило им сделать выводы о факторах, оказывающих влияние на изменчивость организмов, возможности практического использования новых организмов и возможных последствиях мутаций.
К началу 30-х годов XX в. сложились основы теории гена. Уже первые достижения гибридологического анализа подняли проблему дискретности наследственного материала. Считалось, что ген отвечает за развитие одного признака и передается при скрещиваниях как неделимое целое. Открытие мутации и кроссинговера (нарушения сцепления генов в результате обмена участками между хромосомами) подтверждали неделимость генов. В результате обобщения всех данных определение гена получило следующую формулировку: ген - это элементарная единица наследственности, характеризующаяся вполне определенной функцией, мутирующая во время кроссинговера как целое. Иначе говоря, ген – единица генетической функции, мутации и кроссинговера.
В 1928 г. в лаборатории А.С. Серебровского в Биологическом институте им. К.А. Тимирязева Н.П. Дубинин начал исследовать действие рентгеновых лучей на дрозофил и обнаружил необычную мутацию. Образование щетинок на теле мухи контролируется особым геном scute. Мутация гена scute, впервые обнаруженная американским генетиком Пейном (1920), не раз возникала в экспериментах, и при её появлении подавлялось развитие девяти щетинок. Выявленная Дубининым мутация, подавляла развитие всего четырех щетинок. После дальнейших экспериментов стало ясно, что ген не является неделимой генетической структурой, представляет собой область хромосомы, отдельные участки которой могут мутировать независимо друг от друга. Это явление Серебровским ступенчатым аллеломорфизмом.