Но нужны еще несколько условий:
• отсутствие мутаций;
• отсутствие отбора;
• большие размеры популяции;
• отсутствие миграции (прибытия в популяцию новых членов и ухода из популяции старых).
Конечно, далеко не в каждой популяции все эти условия соблюдаются полностью. Но в целом закон Харди – Вайнберга надежен. И применяется он в генетике достаточно широко, например, в животноводстве позволяет просчитать вероятность формирования нужных качеств, а в медицине – спрогнозировать возможность проявления наследственных заболеваний. Ситуацию, описанную в законе Харди – Вайнберга, когда на протяжении многих поколений распределение разных аллелей в популяции остается неизменным, называют генетическим равновесием.
Если на распределение генов повлияли какие-то случайные события, происходит явление, которое принято называть дрейфом генов.
Например, в популяции диких лошадей, для которых в целом характерна ровная гнедая окраска, было несколько пятнистых особей, то есть они несли в себе особый вариант гена, отвечающего за масть. В результате нападения хищников все пятнистые лошади погибли – следовательно, они перестали влиять на популяцию, и частота распределения генов изменилась. Гены «дрейфуют». Собственно термин «дрейф генов» был введен американским ученым Сьюэлом Райтом (1889–1988 гг.) около 1931 г., но соответствующие исследования велись задолго до того.
Большой вклад в изучение генетики популяций внес российский ученый Сергей Сергеевич Четвериков (1880–1959 гг.). В своих работах (например в статье «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики», 1926 г.) он убедительно увязывает современные ему данные генетики и эволюционной теории, между которыми долгое время существовали разногласия. Так, Четвериков доказывает, что рассуждения Дарвина о постепенном нарастании изменений и мутационная теория в целом не противоречат друг другу. В крупных популяциях (особое внимание ученый уделял насекомым, в частности, бабочкам) мутации накапливаются постепенно и дают возможность для естественного отбора и изменчивости. Причем они могут проявиться не сразу, а некоторое время «выжидать» благоприятных условий. Учитывая все это, нет смысла изучать мутации отдельных организмов, нужно делать срез в масштабах популяции, заниматься рассмотрением как можно большего числа представителей того или иного вида – вот основы популяционной генетики.
2.7. Закон академика Вавилова о близких видах
В России и позднее в Советском Союзе многие фундаментальные исследования в области генетики 1910–1930-х гг. были связаны с именем Николая Ивановича Вавилова. О его заслугах и разработках можно рассказывать долго: президент Всесоюзной Академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ), основатель Всесоюзного института растениеводства, создатель крупнейшей в мире коллекции семян культурных растений, организатор научных экспедиций в самые отдаленные уголки мира.
Вавилов активно разрабатывал теорию о центрах происхождения культурных растений. Опираясь на идеи Чарлза Дарвина и на собственные исследования, он выделил на земном шаре семь основных центров происхождения культурных растений, например, южноазиатский и восточноазиатский. С точки зрения Николая Ивановича, именно в этих центрах за несколько тысячелетий до новой эры началось одомашнивание и примитивная селекция диких растений, которые представляли интерес для человека – в первую очередь как еда. Впоследствии, с развитием сухопутных и морских торговых путей, потомки этих растений распространялись по свету и уже в новых местах пребывания формировались новые сорта и подвиды. Ведь, например, даже огурцы или помидоры, которые ныне едят во всем мире, изначально не были распространены повсеместно.
Теория о центрах происхождения культурных растений была логически связана с еще более ранним исследованием Вавилова – законом гомологических рядов в наследственной изменчивости. С докладом на эту тему Николай Иванович выступил в 1920 г. в Саратове на III Всероссийском съезде по селекции и семеноводству. Результат был ошеломляющим – значимость материалов, представленных в докладе, современники сравнили с открытием периодической системы элементов Менделеева. В чем же суть закона?
Вавилов занимался в первую очередь растениями, которым посвящена большая часть его работ. Но впоследствии было выяснено, что закон гомологических рядов действует и применительно к животным и микроорганизмам.
Вавилов, изучив огромное количество собранных им материалов и обобщив статистические данные, пришел к выводу, что у генетически близких видов и родов вариации наследственной изменчивости весьма схожи. «Виды и роды, генетически близкие между собой, характеризуются тождественными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм для одного вида, можно предвидеть нахождение тождественных форм у других видов и родов». Изучив ряд форм у одного вида, можно достаточно точно спрогнозировать, какие формы может представить родственный ему вид. Это дает растениеводам возможность планировать, к примеру, какие качества можно получить, одомашнив плохо изученное пока растение, родственник которого уже давно прописался на наших огородах.
В принципе, подобные предположения – о сходстве в изменчивости родственных видов – высказывались биологами давно, в частности, такую точку зрения высказывал Дарвин. Но только Вавилов обосновал эти предположения экспериментально и статистически. Кроме того, выявленная закономерность позволяла прогнозировать появление мутаций, которые, как мы уже выяснили, возникают спонтанно: у схожих видов схожими будут и мутации. Конечно, в открытом Вавиловым законе гомологических рядов возможны исключения. Ведь, как мы знаем, уже в эпоху древнего мира виды растений, ранее локально произраставшие в небольших регионах, начали распространяться по свету, следовательно, нельзя сбрасывать со счетов воздействие климата, разный состав почвы и многое другое. Но уже много раз этот закон помогал селекционерам планировать возможные варианты создания новых сортов или направить их по верному пути в поисках еще неизвестных форм.
2.8. Эра ДНК. Хранилища генетической информации
Новый прорыв в изучении наследственности был совершен в 1930-е – 1950-е гг. Ученым удалось проникнуть еще глубже в клетку и хромосому и описать вещество, которое непосредственно отвечает за генетическую информацию. Казалось бы, что еще можно изучать? Роль хромосом в наследственности уже ни для кого не была секретом. Но здесь можно привести такой образный пример. Человек может научиться водить машину, особо не вникая в работу ее механизмов. Если автомобиль заглохнет – такой водитель разберется в причинах, только если они будут, как говорится, лежать на поверхности. В случае сложной поломки владелец машины не сможет решить проблему. Генетики первой трети XX в. отчасти напоминали таких автомобилистов. Они решили многие вопросы наследственности, но отдельные моменты передачи признаков, наследования заболеваний и механизма работы генов по-прежнему были неочевидны. Новая страница в истории генетики была открыта, когда на первый план вышла аббревиатура, известная сегодня каждому школьнику – ДНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота. Известная, но понятная ли?
Самое удивительное, что ДНК как химическое вещество была получена еще в 1869 г., но тогда открытию не придали особого значения. Дело было так. Однажды швейцарский физиолог и химик Иоганн Фридрих Мишер (1844–1895 гг.), исследуя клетки гноя, оставшиеся на старых бинтах, обнаружил в составе их ядер странную небелковую субстанцию (в то время считалось, что основой животной клетки является белок). Ученый назвал ее нуклеином (от лат. nucleus – ядро). (На самом деле Иоганн Фридрих Мишер открыл два схожих вещества – ДНК и РНК – рибонуклеиновую кислоту, но в то время разница между ними не была досконально изучена). После того как выяснилось, что у вещества есть свойства кислоты, его стали именовать нуклеиновой кислотой. Но функции данной кислоты долгое время оставались невыясненными. Постепенно установили, что она содержит азот, кислород и в значительном количестве фосфор. Наиболее популярное объяснение гласило, что нуклеиновая кислота – это просто хранилище фосфора, который, видимо, зачем-то необходим клеткам. Увязать это вещество с вопросами наследственности ученые не могли на протяжении нескольких десятилетий, хотя довольно быстро было установлено, что состав нуклеина и уже знакомого вам хроматина в составе хромосом весьма схожи. Многие исследователи считали, что нуклеиновая кислота «слишком проста», чтобы содержать сложнейшую генетическую информацию, и уделяли внимание в основном белковым соединениям: именно белки считали ответственными за наследственность.