Кіріспе
Генетика тарихы классикалық дәуірден басталады, оған Пифагор, Гиппократ, Аристотель, Эпикур және басқалар үлес қосты. Қазіргі заманғы генетика Августин монахы Грегор Иоганн Мендельдің еңбегімен басталды. Оның 1866 жылы жарияланған бұршақ өсімдіктері туралы жұмыстары, 1900 жылдары қайта ашылғанда, Мендельдік мұрагерлік теориясын құруға көмектесетін бастапқы дәлел болды. Көне Грецияда Гиппократ ата-ананың дене мүшелерінің барлығының жыныстық қатынас кезінде берілетін көзге көрінбейтін «тұқымдар» немесе кішірейтілген компоненттерді бөліп шығарады және ананың жатырында бірігіп, нәрестеге айналады деп болжаған. Жаңа заманда Уильям Харвидің «Жануарлардың пайда болуы туралы» кітабы Аристотельдің генетика және эмбриология теорияларына қарсы шықты. 1900 жылы Уго де Фрис, Карл Корренс және Эрих фон Чермак Мендельдің еңбегін қайта ашуы генетикада жылдам прогреске әкелді. 1915 жылға қарай Мендельдік генетиканың негізгі принциптері көптеген организмдерде зерттелді, ең маңыздысы – жеміс шыбығы Drosophila melanogaster. Томас Хант Морган және оның «дрозофилдер» әріптестерінің басшылығымен генетиктер Мендельдік модельді жасады, ол 1925 жылға қарай кеңінен қабылданды. Эксперименттік жұмыстармен қатар математиктер популяциялық генетиканың статистикалық негізін жасап, эволюцияны зерттеуге генетикалық түсіндірмелер енгізді. Мұрагерлік үлгілері анықталғаннан кейін көптеген биологтар геннің физикалық табиғатын зерттеуге көшті. 1940-шы және 1950-ші жылдардың басындағы эксперименттер ДНК-ның хромосомалардың (немесе басқа нуклеопротеиндердің) гендерді сақтайтын бөлігі екенін көрсетті. 1953 жылы ДНК-ның қос спиральді құрылымын ашу вирустар мен бактериялар сияқты жаңа модельді организмдерге назар аударумен бірге молекулалық генетика дәуірінің басталуын белгіледі. Келесі жылдары химиктер нуклеин қышқылдары мен белоктарды тізбектеу әдістерін жасады, ал басқалары осы екі биологиялық молекуланың арасындағы қатынасты анықтап, генетикалық кодты ашты. Гендік экспрессияны реттеу 1960-шы жылдары басты мәселе болды, ал 1970-шы жылдары гендік экспрессияны гендік инженерия арқылы бақылауға және өзгертуге мүмкіндік болды. 20-шы ғасырдың соңғы онжылдықтарында көптеген биологтар геномдарды толық тізбектеу сияқты ірі масштабты генетикалық жобаларға назар аударды.
The history of genetics dates from the classical era with contributions by Pythagoras, Hippocrates, Aristotle, Epicurus, and others. Modern genetics began with the work of the Augustinian friar Gregor Johann Mendel. His works on pea plants, published in 1866, provided the initial evidence that, on its rediscovery in 1900's, helped to establish the theory of Mendelian inheritance. In ancient Greece, Hippocrates suggested that all organs of the body of a parent gave off invisible “seeds,” miniaturised components, that were transmitted during sexual intercourse and combined in the mother's womb to form a baby. In the Early Modern times, William Harvey's
book On Animal Generation contradicted Aristotle's theories of genetics and embryology. The 1900 rediscovery of Mendel's work by Hugo de Vries, Carl Correns and Erich von Tschermak led to rapid advances in genetics. By 1915 the basic principles of Mendelian genetics had been studied in a wide variety of organisms — most notably the fruit fly Drosophila melanogaster. Led by Thomas Hunt Morgan and his fellow "drosophilists", geneticists developed the Mendelian model, which was widely accepted by 1925. Alongside experimental work, mathematicians developed the statistical framework of population genetics, bringing genetic explanations into the study of evolution. With the basic patterns of genetic inheritance established, many biologists turned to investigations of the physical nature of the gene. In the 1940s and early 1950s, experiments pointed to DNA as the portion of chromosomes (and perhaps other nucleoproteins) that held genes. A focus on new model organisms such as viruses and bacteria, along with the discovery of the double helical structure of DNA in 1953, marked the transition to the era of molecular genetics. In the following years, chemists developed techniques for sequencing both nucleic acids and proteins, while many others worked out the relationship between these two forms of biological molecules and discovered the genetic code. The regulation of gene expression became a central issue in the 1960s; by the 1970s gene expression could be controlled and manipulated through genetic engineering. In the last decades of the 20th century, many biologists focused on large scale genetics projects, such as sequencing entire genomes.
Ежелгі теориялар
Тұқым қуалаушылықтың ең ықпалды ертедегі теориялары Гиппократ пен Аристотельге тән болды. Гиппократтың теориясы (мүмкін, Анаксагордың іліміне негізделген) кейін Дарвиннің пангенез туралы идеяларымен ұқсас болды, онда тұқым қуалайтын материал организмнің барлық бөлігінен жиналады. Аристотельдің пікірінше, организмнің (материалдық емес) форма беретін принципі шәует (ол қанның тазартылған түрі деп есептеген) және ананың етеккір қаны арқылы беріледі, олар ана құрсағында өзара әрекеттесіп, организмнің ерте дамуын бағыттайды. Афиналық философ Эпикур отбасыларды зерттеп, тұқым қуалайтын белгілерге еркектер мен әйелдердің үлесін енгізді ("сперма атомдары"), мұрагерліктегі басым және рецессивті типтерді байқады, сондай-ақ "сперма атомдарының" бөлінуін және тәуелсіз таралуын сипаттады. 9 ғасырда афро-араб жазушысы Әл-Жахиз жануарлардың тірі қалу ықтималдығына ортаның әсерін қарастырды. 1000 жылы араб дәрігері Әбу әл-Қасым әл-Захрави (Батыста Альбукасис ретінде белгілі) гемофилияның тұқым қуалайтын сипатын "Әл-Тасриф" еңбегінде ең алғаш рет нақты сипаттады. 1140 жылы Джуда Халеви "Кузари" еңбегінде доминантты және рецессивті генетикалық белгілерді сипаттады.
Алдын ала қалыптасу теориясы
Алдын ала қалыптасу теориясы – ежелгі грек философы Анаксагордың ұсынған даму биологиялық теориясы. Ол 17 ғасырда қайта пайда болып, содан кейін 19 ғасырға дейін басым болды. Сол кездегі тағы бір жиі кездесетін термин – эволюция теориясы, бірақ «эволюция» (таза өсу процесі ретіндегі даму мағынасында) қазіргі мағынасынан мүлдем өзгеше болған. Преформистер организмнің толыққанды түрі сперматозоидта (жануарлық түйіршік теориясы) немесе жұмыртқада (овизм немесе овулизм) алдын ала қалыптасқан және одан тек қана ашылып, өседі деп есептеді. Бұл эпигенез теориясына қарсы қойылды, соған сәйкес организмнің құрылымдары мен мүшелері жеке даму кезеңінде (онтогенез) ғана дамиды. Эпигенез ежелгі заманнан бастап 17 ғасырға дейін басым пікір болды, бірақ кейін алдын ала қалыптасу идеяларымен ығыстырылды. 19 ғасырдан бері эпигенез бүгінгі күнге дейін қолданылатын дұрыс көзқарас ретінде қайта орнықты.
Өсімдіктер жүйелілігі және будандастыру
18 ғасырда өсімдіктер мен жануарлардың әртүрлілігі туралы білімнің артуымен және таксономияға назар аударудың күшеюімен байланысты, тұқым қуалау туралы жаңа ойлар пайда бола бастады. Линней және басқалар (соның ішінде Джозеф Готлиб Кёльреутер, Карл Фридрих фон Гертнер және Чарльз Наудин) гибридтеумен, әсіресе түрлер арасындағы гибридтермен кең ауқымды тәжірибелер жүргізді. Түрлерді будандастырушылар тұқым қуалаудың алуан құбылыстарын сипаттады, оның ішінде гибридтік сүйсіздік және кері будандастырудың жоғары өзгеруге бейімділігі де бар. Өсімдіктерді селекциялаушылар да көптеген маңызды өсімдік түрлерінің тұрақты сорттарын дамытып келді. 19 ғасырдың басында Августин Сагерет үстемдік концепциясын қалыптастырды, ол кейбір өсімдік сорттарын будандастырғанда, белгілі бір қасиеттердің (бір ата-анада болатын) ұрпақта көрінуі жиі болатынын анықтады; сондай-ақ, екі ата-ананың ешқайсысында табылмайтын кейбір ата-бабалық қасиеттер де ұрпақта пайда болуы мүмкін екенін байқады. Дегенмен, өсімдіктерді селекциялаушылар өз жұмыстарының теориялық негізін құруға немесе өз білімдерін физиологияның қазіргі зерттеулерімен бөлісуге көп көңіл бөлген жоқ, алайда Англиядағы Гартонның егістік өсімдік селекционерлері өздерінің жүйесін түсіндірді.
Мендель
1856-1865 жылдар аралығында Грегор Мендель бұршақ өсімдігі *Pisum sativum*-ды пайдалана отырып, селекциялық тәжірибелер жүргізді және белгілі бір белгілердің мұрагерлік үлгілерін анықтады. Осы тәжірибелер арқылы Мендель ұрпақтың генотиптері мен фенотиптерінің болжамды екенін, сондай-ақ кейбір белгілердің басқаларына қарағанда үстем екенін көрді. Мендельдік мұрагерлік үлгілері статистиканы мұрагерлікке қолданудың тиімділігін көрсетті. Олар сонымен қатар 19 ғасырғы араласу теориясына қарсы шығып, гибридтеудің бірнеше буынында геномдардың дискретті болып қалатынын көрсетті. Статистикалық талдауынан Мендель өзі "белгі" деп сипаттаған ұғымды анықтады (ол бұл ұғымды сол белгінің анықтамасы деп те есептеді). Тарихи еңбегінің бір ғана сөйлемінде ол "сипатты жасайтын материалды" білдіретін "факторлар" терминін қолданды: "Қолда бар тәжірибеге сәйкес, тұрақты ұрпақ тек жұмыртқа жасушалары мен тозаңдану тозаңы сипатқа ұқсас болғанда ғана пайда болады, яғни екеуі де толыққанды ұқсас жеке тұлғаларды жасауға қабілетті материалмен жабдықталған, таза түрлердің қалыпты тозаңдануы сияқты. Сондықтан гибридтік өсімдіктердегі тұрақты формаларды жасауда да дәл осындай факторлар жұмыс істеуі керек деп санаймыз" (Мендель, 1866). Мендельдің жұмысы 1866 жылы "Versuche über Pflanzen Hybriden" (Өсімдіктердің будандастырылуы бойынша тәжірибелер) деген атпен "Verhandlungen des Naturforschenden Vereins zu Brünn" (Брюнн табиғатты зерттеушілер қоғамының мәжілістері) басылымында жарияланды, бұл жұмыс бойынша ол 1865 жылдың басында екі дәріс оқығаннан кейін болды.
Пангенез
Мендельдің еңбегі салыстырмалы түрде белеңді ғылыми журналда жарияланды және ғылыми қауымдастықта оған ешқандай назар берілмеді. Керісінше, тұқым қуалау жолдары туралы пікірталастарды Дарвиннің табиғи іріктеу арқылы эволюция теориясы жақтандырды, онда ламаркшыл емес тұқым қуалау механизмдері қажетті болып көрінді. Дарвиннің өзінің тұқым қуалау теориясы – пангенез, кеңінен қабылдауға ие болған жоқ. Дарвиннің Ламаркшылдық көзқарастарынан көп бөлігін алып тастаған пангенездің математикалық түрі, Дарвиннің туысы Фрэнсис Гальтонның «биометриялық» тұқым қуалау мектебі ретінде дамыды.
Тұқым плазмасы
1883 жылы Август Вейсман хирургиялық жолмен құйрықтары кесілген тышқандарды шағылыстыру арқылы тәжірибелер жүргізді. Оның нәтижелері – тышқанның құйрығын хирургиялық жолмен алып тастау оның балаларының құйрығына ешқандай әсер етпеді – пангенез және ламаркизм теорияларына қайшы келді, бұл теориялар организмнің өмірінде болатын өзгерістер ұрпақтарына беріледі деп есептеді. Вейсманн мұрагерлік туралы герм-плазмалық теорияны ұсынды, онда мұрагерлік ақпарат тек сперматозоидтар мен жұмыртқа жасушаларында ғана сақталады делінген.
Мендельдің қайта ашылуы
Гюго де Врис плазманың табиғаты қандай болуы мүмкін екенін ойлады, әсіресе плазма бояу сияқты араластырыла ма, әлде ақпарат бұзылмай сақталатын дискретті пакеттерде бола ма деп ойлады. 1890 жылдары ол өсімдіктердің әртүрлі түрлерімен селекциялық тәжірибелер жүргізді және 1897 жылы нәтижелері туралы мақала жариялады, онда әрбір мұрагерлік қасиет екі дискретті ақпарат бөлшегімен басқарылады, олардың біреуі әр ата-анадан, және бұл бөлшектер келесі ұрпаққа өзгермей беріледі делінген. 1900 жылы ол одан әрі нәтижелері туралы тағы бір мақала дайындап жатқанда, досы де Вристің жұмысына қатысты болуы мүмкін деп ойлағандықтан, Мендельдің 1866 жылғы мақаласының көшірмесін көрсетті. Ол 1900 жылғы мақаласын Мендельдің басымдығын атамай жариялады. Сол жылы жүгері мен бұршақтармен гибридтеу тәжірибелерін жүргізген Карл Корренс өзінің нәтижелерін жариялау алдында осыған ұқсас тәжірибелерді іздеп, Мендельдің мақаласына тап болды, ол оның нәтижелерімен ұқсас болды. Корренс де Вристі Мендельдің мақаласынан терминологияны рұқсатсыз алғанын, оған тиісті мақтау бермегенін және оның басымдығын мойындамағанын айыптады. Сол кезде тағы бір ботаник, Эрих фон Чермак бұршақтарды өсірумен айналысып, Мендельге ұқсас нәтижелерге қол жеткізді. Ол да тиісті еңбектерді іздеп, Мендельдің мақаласын тапты. Кейінірек жарияланған мақаласында де Врис Мендельді мақтап, оның бұрынғы жұмысын кеңейткенін мойындады. Бұл кейінірек ондаған жылдардан соң генетикалық материалдың ДНК (дезоксирибонуклеин қышқылы) құрамынан тұратынын, бұрынғыдай ақуыздан емес екенін түсінуге әкелді. 1941 жылы Джордж Уэллс Бидл мен Эдвард Лори Татум гендердегі мутациялар метаболизм жолдарының нақты сатыларында қателерге себеп болатынын көрсетті. Бұл нақты гендер нақты ақуыздарды кодтайтынын көрсетіп, «бір ген – бір фермент» гипотезасына әкелді. 1944 жылы Освальд Эйвери, Колин Мунро МакЛеод және Маклин МакКарти ДНК ген ақпаратын сақтайтынын көрсетті. 1952 жылы Розалинд Франклин мен Реймонд Гослинг спиральді пішінге нұсқау беретін айқын рентгендік сәулелердің дифракциялық суретін жасады. Бұл рентгендік сәулелерді және ДНК химиясы туралы бұрыннан белгілі ақпаратты пайдаланып, Джеймс Д. Уотсон мен Фрэнсис Крик 1953 жылы ДНК-ның молекулалық құрылымын анықтады. Бұл жаңалықтар молекулалық биологияның орталық догмасын құрды, ол ақуыздар РНК-дан трансляцияланады, ал РНК ДНК-дан транскрипцияланады десті. Бұл догма кейінірек ретровирустардағы кері транскрипция сияқты ерекшеліктері бар екені дәлелденді. 1947 жылы Сальвадор Лурия сәулеленген фагтың қайта белсенділігін анықтады, бұл ДНК зақымдануын жөндеудің негізгі процестері туралы көптеген зерттеулерге әкелді. 1958 жылы Меселсон мен Шталь ДНК жартылай консервативті түрде көбейеді деп көрсетті, бұл екі тізбекті ДНК-ның әрбір тізбегі жаңа тізбекті синтездеу үшін қалып ретінде қызмет ететінін түсінуге әкелді. 1960 жылы Якоб және оның әріптестері операторлық ДНК-мен үйлестірілген экспрессиясы бар гендер тізбегін құрайтын оперонды тапты. 1961-1967 жылдар аралығында бірнеше зертханаларда жүргізілген жұмыстар нәтижесінде генетикалық кодтың табиғаты анықталды. 1972 жылы Гент университетінің профессоры Вальтер Фиерс және оның командасы алғаш рет геннің тізбесін анықтады: бактериофаг MS2 қаптал ақуызының генін. Ричард Робертс пен Филип Шарп 1977 жылы гендерді сегменттерге бөлуге болатынын анықтады. Бұл бір ген бірнеше ақуызды құрай алады деген ойға әкелді. Көптеген организмдердің геномдарын толық реттеу геннің молекулалық анықтамасын күрделендірді. Әсіресе, гендер әрқашан ДНК-да дискретті моншақтар сияқты жанында орналаспайды. Керісінше, ДНК-ның әртүрлі ақуыздарды өндіретін аймақтары бір-бірімен жабысып келуі мүмкін, сондықтан «гендер – бұл бір ұзын континуум» деген ой пайда болады. Бұл гипотеза алғаш рет 1986 жылы Уолтер Гилбертпен ұсынылды, егер РНК катализатор ретінде де, генетикалық ақпаратты сақтау процесі ретінде де қызмет ете алса, жердің өте ерте кезеңіндегідей примитивті жүйеде ДНҚ да, ақуыз да қажет емес. ДНК деңгейіндегі генетиканың қазіргі заманғы зерттелуі молекулалық генетика деп аталады, ал молекулалық генетиканы дәстүрлі Дарвиндік эволюциямен синтездеу қазіргі эволюциялық синтез деп аталады.