Набор хромосом, в котором из каждой пары присутствует только один партнер, называют гаплоидным, или ординарным. Все половые клетки, или гаметы, содержат гаплоидный набор хромосом. (Это значит, что в спермиях и в яйцеклетках человека только по двадцать три хромосомы.) Иначе при оплодотворении яйца, когда сливаются материнская и отцовская гаметы, получалась бы зигота с числом хромосом вдвое больше нормального.
Мейоз, предшествующий образованию спермиев и яйцеклеток, призван наделить гаметы вдвое меньшим, гаплоидным, числом хромосом. А когда гаметы сольются, в зиготе будет уже нормальное диплоидное число хромосом. Половина от матери, половина от отца.
Понятно теперь, почему все хромосомы в зиготе парные?
Ведь каждой материнской хромосоме соответствует точно такая же по форме, величине и характеру наследственной информации отцовская хромосома. Парные хромосомы называют гомологичными.
Мейоз начинается с того, что однотипные по конфигурации хромосомы объединяются в пары, конъюгируют. Затем каждая из хромосом каждой пары создает из веществ, растворенных в протоплазме, своего двойника. Как и в митозе.
Теперь однотипных хромосом уже не две, а четыре. Четверками, или тетрадами, плотно прижавшись друг к другу, выстраиваются они вдоль экватора клетки. Нити веретена разъединяют четверки снова на пары, растаскивая их к разным полюсам.
Клетка делится пополам, а потом еще, но теперь в другой плоскости, перпендикулярной к первой. На этот раз хромосомы не удваиваются. Выстроившиеся по экватору пары расходятся поодиночке в разные концы клетки.
У каждого полюса их теперь вдвое меньше, чем при митозе или в первой фазе мейоза. Поэтому, когда клетка разрывается пополам, рожденные из нее две новые гаметы получают гаплоидное число хромосом. Так как в первой фазе мейоза из одной клетки рождаются две диплоидные клетки, то в конце второй его фазы мы имеем четыре гаметы. И в каждой, повторяю, гаплоидное число хромосом. Если это гаметы человеческие, значит в них будет по двадцать три хромосомы. А когда при оплодотворении они сольются в одну зиготу, хромосом снова в ней станет сорок шесть.
Зигота дает начало человеческому зародышу, все клетки в котором будут с 46 хромосомами.
Механикой клеточного деления в мейозе — расхождением по разным гаметам парных хромосом, каждая из которых ведет свой род либо от отца, либо от матери, — объясняются многие законы наследственности и изменчивости, открытые Грегором Менделем и другими генетиками.
Польские ученые недавно методом цейтраферной съемки сделали отличный фильм о митозе. Все фазы митоза на экране ускорены в несколько сот раз. В действительности же движения хромосом во время деления происходят значительно медленнее. Я видел этот фильм, и он поразил меня сильнее, чем лучшие из лучших художественных фильмов.
В нем необычные актеры — хромосомы. Они сходятся и расходятся, выстраиваются в ряд и разбегаются в разные стороны, словно танцоры на балу, исполняющие сложные па старинного танца. Американский биолог Мёллер, основатель радиационной генетики, назвал танцем хромосом их странные перемещения во время деления клетки.
Каждую секунду в нашем теле совершаются миллионы митозов! И сотни миллионов неодушевленных, но очень дисциплинированных маленьких балерин исполняют древнейший на земле танец. Танец жизни. В таких танцах клетки тела пополняют свои ряды. И мы растем и существуем.
На согласованном расхождении хромосом к разным полюсам клетки основаны все явления наследственности и жизни. Ведь каждая хромосома — сложное соединение гигантских нуклеиновых кислот и белков. А нуклеиновые кислоты несут в себе великое множество наследственных единиц — генов, то есть суть всего сущего на Земле.
Могут ли от блондинов родиться брюнеты?
На некоторых хромосомах гены или комплексы генов заметны в виде черных поперечных полос. Иные хромосомы человека содержат до 40 тысяч генов, а возможно, даже и больше. Каждый из них расположен на строго определенном месте.
Участок хромосомы, занимаемый геном, называют локусом. В каждом локусе располагается только один из двух антагонистических или альтернативных по своему действию генов. Возьмем для примера гены, определяющие такую всем хорошо знакомую наследственную черту, как цвет волос у человека. В одном локусе в этом случае может быть только либо ген темных, либо ген светлых волос. Но никогда оба вместе. Таких два родственных, но взаимно исключающих друг друга гена называют аллелями. Обычно у каждого локуса два аллеля. Но нередко бывает их и несколько. Тогда говорят о множественных аллелях.
Обозначим для удобства аллель темных волос большой буквой «А», а аллель светлых — малой буквой «а».
Итак, каждая хромосома содержит в себе только один из двух аллелей. Либо «А» — большое, либо «а» — малое. Но не оба одновременно. Второй аллель может найти пристанище только в другой гомологичной, парной, хромосоме. Ведь клетки всех животных и высших растений диплоидные. В них каждая хромосома имеет свою внешне во всем подобную пару, с которой конъюгирует в мейозе. Не забудьте, что один член гомологичной пары получен от отца, а другой — от матери.
И вот что происходит.
Допустим, что многие поколения предков нашего гипотетического индивидуума не имели в своем роду блондинов. Вполне возможно тогда, что в клетках его родителей обе парные хромосомы, несущие гены, определяющие цвет волос, будут содержать по одному аллелю, обозначенному нами большой буквой «А».
В каждую родительскую гамету при делении половых клеток попадет, значит, по одной хромосоме с аллелем «А» — большое. При делении клеток они разойдутся по разным гаметам. А когда гаметы отца и матери сольются, в зиготе их потомка окажутся снова две гомологичные хромосомы. Каждая с аллелем «А» — большое. Значит, человек, который разовьется из этой зиготы, будет темноволосым. Сходную картину получим и когда родители блондины.
Но совсем иную, когда один из родителей — блондин, а второй — брюнет. В этом случае их потомок будет иметь в своих клетках хромосомы с двумя разными аллелями, определяющими цвет волос: «А» — большое и «а» — малое. Иначе говоря, одна из его гомологичных хромосом будет в соответствующем локусе нести ген темных волос, а другая в том же локусе — ген светлых волос.
Генотипы, в которых присутствуют альтернативные аллели, называют гетерозиготными по этим аллелям. А те, где аллели одинаковые, как в первых разобранных нами случаях, — гомозиготными.
Какого же цвета волосы будут у гетерозиготного человека, у которого один из родителей был блондином, а другой — шатеном? Наверное, какого-нибудь промежуточного оттенка? Нет. Совсем нет. Волосы у него будут… темные.
Очень многие гены ведут себя так: когда в одной клетке встречаются два аллеля, то один из них подавляет действие другого. Подавляет так сильно, будто слабого аллеля и вовсе нет в зиготе.
Сильные гены, которые подавляют своих слабых партнеров, называют доминантными. А слабые, подавленные аллели — рецессивными, отступающими. Гены, определяющие цвет волос блондинов, рецессивны по отношению к генам темных волос. Поэтому блондины родятся только от блондинов или от гетерозиготных брюнетов и шатенов, то есть людей, в роду которых были блондины. И никогда от блондинов не могут родиться брюнеты. Никогда.
Почему? Потому, что блондины всегда гомозиготны. Иначе говоря, не имеют в своем генотипе задатков темных волос.
Наследственность квантуется, как всякое вещество и энергия!
Этот очень важный закон наследственности — закон доминирования одних генов над другими — был открыт Грегором Менделем, сыном крестьянина и августинским монахом. Сто лет назад в монастырском саду в городе Брно в Чехословакии, а в то время — в Австро-Венгрии, он проводил свои основательно продуманные и тщательно выполненные опыты над растительными гибридами.
Мендель скрещивал разные сорта гороха, фасоли, кукурузы и других растений. Исследовал более 10 тысяч гибридов. Две статьи, в которых он изложил результаты своих опытов, были опубликованы в трудах местного общества естествоиспытателей в 1865 и 1869 годах.