Внутриклеточный пангенезис г.Де Фриза (1889)

Знакомое слово пангенезис. Его де Фриз взял у Дарвина, а также взял идею того, что есть наследственные единицы, которые передаются из поколения в поколение. Вслед за Вейсманом и нек. др. он отверг влияние геммул соматических клеток на наследуемые единицы. По де Фризу эти наследуемые единицы – «пангены» связаны с отдельными признаками, которые могли рекомбинировать, перераспределяться в потомстве (Де-Фриз, 1932). О вкладе де Фриза в развитие генетики см. далее.

Дарвин, опубликовавший свой пангенезис в 1868 г писал (1867) еще до выхода книги «Изменчивость домашних животных и культурных растений» Аза-Грею: «Глава, которую я назвал «Пангенезис», вероятно, будет названа безумным бредом. Но в глубине души я считаю, что она содержит много правильного». Пангенезис доставил Дарвину много беспокойства… В 1868 г он писал Гукеру: «Наступит время, когда моя гипотеза найдет другого отца, который даст ей другое имя». Таким новым («приемным») отцом пангенезиса стал Г. де Фриз.

Переоткрытие законов Менделя

В 1900 г. трое исследователей в разных странах вновь обнаружили те же закономерности, которые Г.И.Мендель опубликовал в Трудах Брюннского общества естествоиспытателей в 1866 г.:

Гуго де Фриз (16.02.1848 – 21.05.1935) в Голландии (рис. 27).

Карл Эрих Корренс (19.09.1864 – 14.02.1933) в Германии (рис. 28).

Эрих Чермак (15.09.1871 – 11.10.1962) в Австрии (рис.29).

Их публикации, посвященные этому «переоткрытию» суммированы в табл. (рис. 30).

Мы уже упоминали Г. де Фриза в связи с развитием теорий наследственности. Он одним из первых присоединился к теории Жордана об элементарных видах. Все это послужило предпосылками к созданию его мутационной теории в дальнейшем. Он наиболее активно работал в области гибридизации в девяностых гг XIX в. Как правило он скрещивал близкие виды, контрастно различающиеся по окраске цветков, опушенности и т.д. Он наблюдал доминирование и расщепление у кукурузы, мака, энотеры, дурмана и многих других растений.

По свидетельству самого де Фриза, он наткнулся на ссылку на работу Менделя в 1895 г в сводке по селекции растений (Bailey L. Plant breeding. N.Y. 1895). Сам же Бейли в 1908 г. отмечал, что он работы Менделя не читал, а перенес ссылку из книги Focke W.O. (Cross-breeding and hybridisation. 1892). В то же время в сводке Бейли список литературы появился только во втором издании (1902 г). Следовательно де Фриз что-то перепутал, и был знаком именно с книгой Focke “Cross-breeding …”1892. Есть, правда, еще одна пикантная деталь, которую раскопал M.H.MacRoberts и представил в своей работе 1984 г, а именно, что Бейли в свою очередь тоже что-то путает, поскольку его ссылка на Менделя не соответствует по библиографии, приведенной Фоке. Бйли взял ее, скорее всего, судя по характеру цитирования, из Royal Society ”Catalogue of Scientific Papers 1879”.

По данным, которые приводит Stomps (1954) (оригинала я тоже не видел), де Фриз получил оттиск Менделя от Бейеринка в 1899 г. Ясно, что как бы де Фриз не добрался до «Опытов» Менделя, но он сразу понял, с чем имел дело в своих опытах.

Так или иначе, он направляет в немецкий ботанический журнал большую работу – итоги своих экспериментов (получена в редакции - 14 марта, доложена на заседании 30 марта 1900г). В этой работе де Фриз дважды кратко упоминает Менделя. Де Фриз формулирует два положения: о проявлении в F₁ (у бастардов) лишь одного из двух антагонистических признаков и о разделении этих признаков при образовании гамет. Кроме того, он пишет: «Существеннейшие моменты обоих этих положений были уже давно установлены Менделем для одного специального случая (горох). Они были, однако, снова преданы забвению и не признаны»… и далее «Эта важная статья цитируется настолько редко, что я сам ознакомился с ней лишь после того, как закончил большинство моих опытов и вывел из них приведенные в тексте положения» (de Vries 1900 “Das Spaltundsgesetz der Bastarde”).

Де Фриз предложил термины: моногибриды, дигибриды, полигибриды. Он предложил понятие «закон расщепления».

По странному обстоятельству де Фриз почти сразу же после отправки первой статьи (Немецкий ботанич.ж.) направляет ее краткое изложение в Comptes Rendus de L'Academie des Sciences, Paris (представлена в академии 26 марта и опубликована 21 апреля 1900 г). В этом cообщении вообще отсутствует упоминание Менделя. Несмоттря на то, что эта статья была получена позже первой, вышла она раньше.

К жизни и творчеству Г.де Фриза мы вернемся позже.

Карл Корренс прочел эту публикацию 21 апреля и послал 22 апреля статью «Правило Менделя о поведении потомства расовых гибридов» в тот же немецкий ботанический журнал, в редакции которого уже была статья де Фриза. Статья Корренса была получена 24 и доложени 27 апреля 1900 г.

К.Корренс был учеником К.Нэгели в последние годы его жизни. По словам Корренса Нэгели говорил ему только о работе Менделя с ястребинками. Сам Корренс начал заниматься гибридизацией только после смерти Нэгели – с 1894 г., интересовался ксениями, скрещивал кукурузу, горох, лилии, левкои. Ссылку на Менделя обнаружил у Фоке, когда уже заканчивал свои опыты. В 1899 г прочел работу Менделя и успел сослаться на нее в работе о Ксениях 1899 г. Прочитав краткое сообщение де Фриза и не найдя там ссылок на Менделя, он поспешил со своим сообщением. «Там он специально подчеркивает» роль Менделя и отмечает, что хотя и был знаком с его работой, не считал нужным подчеркивать свой приоритет «вторичного открытия при помощи особого предварительного сообщения» (по: Гайсинович, 1967, 1988.). Корренс язвит в адрес де Фриза по поводу совпадения терминологии с менделевской (доминантный, рецессивный), и только после изложения основных положений Менделя, приводит свои данные только для гороха. Корренс сразу же говорит о ядре как носителе доминантных и рецессивных задатков и связывает с делением ядра гаметическое соотношение 1А : 1а. Он не только не соглашается с обязательностью доминирования (в отличие от де Фриза), но и подвергает сомнению универсальность правила расщепления.

В 1897 – 1903 гг К.Корренс работал в Тюбингенском университете, 1903 – 1907 – профессор Лейденского университета, а 1909 – 1914 – Мюнстерского университета. 1914 – 1933 – директор Биологического института Кайзера Вильгельма. С его именем связано открытие (1908) и изучение «цитоплазматической (пластидной) наследственности» у растений (Биологи, 1984).

Эрих Чермак – внук Фенцла (Fenzl), у которого Мендель изучал ботанику и микроскопию в Вене. Чермак занимался гибридизацией гороха с 1898 г, выполняя диссертационную работу. В 1899 г обнаружил закономерности наследования у гороха и вскоре нашел у Фоке ссылку на Менделя. Прочел, увидел, что он не первый. К январю 1900 закончил диссертацию. В апреле, также как и Корренс, прочел работу де Фриза и сдал в печать собственную статью. Еще до ее выхода прочел в немецком ботаническом журнале статьи: сначала де Фриза, а потом Корренса. Тогда он тоже шлет свое краткое сообщение в Немецкий ботанический журнал (получена 26 и доложена на редколлегии 29 июня).

Э.Чермак работал в Высшей земледельческой школе в Вене (профессор с 1906 г), скрещивал растения, применял генетические закономерности в селекции цветов, бобовых, зерновых и овощных культур. Исследовал закономерности оплодотворения и ксении. Был иностранным почетным членом АН СССР (Биологи, 1984).

На сей раз законы Менделя быстро завоевали умы исследователей. 35 лет не прошли даром.

Лекция 5

Первые шаги генетики. Г. де Фриз и его мутационная теория. У. Бэтсон и становление менделизма.

Г. де Фриз и его мутационная теория

Гуго де Фриз (Hugo de Vries 16.02.1848 – 21.01.1935)

Основные даты биографии

16 февраля 1848 г родился в Гаарлеме (Голландия)

1861 – премия за собранный гербарий

1863 – начало занятий микроскопией

1868 – окончил Лейденский университет. Золотая медаль Гронингенского университета за работу о влиянии тепла на растения

1875 – переезд в Вюрцбург (Германия). Защита диссертации. Доцент университета в Халле

1878 – экстраординарный проф. университета в Халле

1881-1918 – ординарный проф. университета в Халле

1887 – начало работы с энотерой

1889 – «Внутриклеточный пангенезис»

1895 – знакомство с работой Менделя (по Робертсу, 1929)

1899 – I конференция по гибридизации в Лондоне (I МГК)-доклад

1900 – переоткрытие законов Менделя

1901 – «Мутационная теория….» I том, 1903 – II том

1908 – книга по селекции (Свалефская ст., Л.Бербанк и пр.)

1913 – «Групповое видообразование – экспериментальное исследование над формообразованием в р. Энотера

1918 – переезд в Люнтерен (Голландия)

1932 – избрание иностранным почетным членом АН СССР

21 января 1935 г – скончался в Люнтерене

1936 – «О зачатках у Oenothera Lamarkiana»

Табл. представлена также на рис. 31.

Г.де Фриз – фигура, несомненно, яркая и драматическая. Родился в Гарлеме (Голландия). Отец – юрист, занимал различные юридические должности вплоть до министра юстиции. Мать – дочь известного лейденского профессора Рейвенса. В семье (в роду) де Фризов были: не только юристы, но и литераторы, один из сыновей Г. де Фриза – крупный агрохимик. Дальнейшее изложение его биографии в основном почерпнуто из статьи Н.И.Вавилова (1936).

В 13 лет Гуго де Фриз получил премию за собранный им гербарий. Уже с 15 лет он занимается микроскопией. Окончив Лйденский университет, в 20 лет получил золотую медаль Гронингенского университета за работу о влиянии тепла на растения. Большое влияние на формирование его взглядов оказало «Происхождение видов» Ч.Дарвина. В 1870 г., после окончания университета уезжает в Германию. В течение 4-х лет проводит каникулы в лучших ботанических лабораториях: Гейдельбега (у Гофмейстера), Вюрцбурга (у Сакса). Зарабатывает преподаванием в средних школах Амстердама.

Под влиянием Сакса увлекается физиологией растений. В 1875 г переселяется в Вюрцбург, где пишет работу о механических причинах клеточного растяжения, которую защищает в качестве диссертации и получает право преподавать в немецких университетах. Работает доцентом университета в Халле. Затем преподает физиологию растений в Амстердаме. С 1878 г. – экстраординарный, а с 1881 – ординарный профессор, коим и оставался до 1918 г. По правилам университетов Голландии профессор не мог быть старше 70 лет. В этом возрасте он переезжает в Люнтерен – маленькую деревушку между Утрехтом и Арнемом, где живет и активно работает до конца дней.

Трижды в течение жизни он выезжал в США для чтения лекций в Нью-Йоркском и Калифорнийском университетах. Путешествовал мало, если не считать путешествия по Калифорнии. Как говорил Блэкман, английский биолог, «Для физиолога достаточно проблем в нескольких картофелинах». Написал 17 томов сочинений. Большая часть - журнальные статьи (в основном по-немецки) собрана в 7 томах: 129 работ объемом 4300 стр. плюс 6 книг по эволюции, наследственности и изменчивости, плюс 3 тома описаний его путешествия по США и руководство по ботанике.

Эпиграфами к упомянутой его диссертации были: слова Гете «Чтобы познать тебя, природа, в бесконечном, нужен анализ, затем синтез» и из Унгера «Задачи современной физиологии свести явления жизни к известным химическим и физическим законам». Он был ярым врагом витализма.

Первый период его творчества – (1868 – 1885) – исследования по физиологии растений: проницаемость протоплазмы, действие температуры, движения вьющихся растений, продолжительность жизни растений, исследование галлообразования. Наиболее существенные работы – о роли осмотического давления в жизни растительных клеток. Его работы послужили основой для установления закона диссоциации разбавленных растворов Вант-Гоффа. Когда последний получил Нобелевскую премию по химии (1901) за разработку теории растворов, то послал телеграмму де Фризу с выражением благодарности, т.к. появление его теории в значительной степени было обязано опытам де Фриза. Сам де Фриз подошел к теории электролитической дисслциации, разработанной Аррениусом.

В 1899 г выходит его «Внутриклеточный пангенезис», о котором мы уже упоминали. Де Фриз придал пангенезису аспект корпускулярной концепции наследственности. Позже Иоганнсен «урезал» пангены до генов, хотя представления эти не совсем совпадают. Так, по де Фризу пангены могли переходить из ядра в цитоплазму. Как мы знаем гены этого, как правило, не делают. Интересно, что эта идея де Фриза была значительно позже возрождена К.К.Линдегреном – в 50-е гг XX в. – в его теории цитогена.

[Согласно Линдегрену (Lindegren, …) ген состоит из двух сущностей – хромогена (в ядре) и цитогена (в цитоплазме). Перед мейозом цитоген встраивается в хромосому, но иногда путает свое место, выбирая «не ту» гомологичную хромосому. Что приводит к нарушению (якобы обнаруженному Линдегреном) Менделевского расщепления, в частности по признаку сбраживания некоторых сахаров. Все оказалось иначе. Просто Линдегрен проглядел явление долговременной адаптации, позже более подробно исследованное и объясненное О.Винге (Winge & Roberts).]

Очевидным отличием взглядов де Фриза от взглядов Дарвина было отрицание переноса геммул и тем самым отрицание наследования «приобретенных» признаков. «Внутриклеточный пангенезис» стимулировал и других исследователей. Страсбургер: «Внутриклеточный пангенезис Гуго де Фриза стимулировал мою работу, и я чрезвычайно обязан его автору. Творческим воображением Гуго де Фриз предвидел многое, что действительно фактически в последующие десятилетия было доказано гистологическими и цитологическими исследованиями». Это написано в предисловии к английскому изданию «Внутриклеточного пангенезиса».

От теории де Фриз перешел к экспериментам в области наследственности и изменчивости. В этот период, после 1889 г. он проверяет «законы наследственности» Ф.Гальтона (о них речь впереди). В 1899 г. де Фриз выступает на Первой конференции по гибридизации в Лондоне (где выступал и У.Бэтсон), которую теперь ретроспективно считают I Международным Генетическим Конгрессом. Далее следуют знаменательные события 1900 г. и публикация трех статей с изложением работы по переоткрытию законов Менделя. Н.И.Вавилов считал, что два кратких сообщения де Фриза превосходят по ясности изложения статью Чермака.

С 1887 г. де Фриз начинает наблюдения над энотерой (Oenothera lamarkiana), завезенной в Европу из Америки в XVIII в, исследует ее изменчивость в окрестностях Амстердама. В 1901 г выходит «Мутационная теория» с подзаголовком «Опыты и наблюдения над происхождением видов в растительном мире» на немецком языке. Первый том – происхождение видов путем мутаций.

Подчеркнем, что де Фриз разрабатывал мутационную теорию именно происхождения видов. Ее не следует путать с теорией мутационного процесса, сформировавшейся значительно позже, инициированной школой Моргана и непосредственно открытием Г.Дж.Мёллера в 1927 (Müller, 1927). Об этом см далее.

Второй том (1903) посвящен гибридизации. В нем де Фриз развивает учение о пангенах, а в конце обращается к отношению мутационной теории к систематике, палеонтологии, селекции. В этом же томе он говорит о геологических мутационных периодах.

В своей мутационной теории происхождения видов де Фриз в отличие от Дарвина делает акцент не на мелких, а на крупных, качественных изменениях. Многие исследователи «на сотнях объектов, включая человека, … начинают проверять мутационную теорию, нередко, пытаясь опровергнуть ее или, наоборот, на основе фактов подтверждая ее» (Н.И.Вавилов, 1936).

В 1913 г выходит труд, который можно считать третьим томом «Мутационной теории» «Групповое видообразование - экспериментальное исследование над формообразованием в роде энотера». И далее, до конца жизни де Фриз не может расстаться с энотерой. Последняя его статья опубликована уже после смерти: «О зачатках у Oenothera lamarkiana», 1936.

Еще до 1913 г (в 1906) он пишет книгу: “Виды и разновидности и их происхождение путем мутаций», представляющую собой изложение его лекций в Калифорнии. В 1908 г. де Фриз публикует книгу по селекции растений, в которой, в числе прочего, он впервые знакомит читателей с достижениями знаменитой потом Свалёфской селекционной станции в Швеции, а также в научной форме излагает результаты работы американского селекционера – Л.Бербанка, своего рода американского Мичурина. Как повезло Л.Бербанку, которого пропагандировал де Фриз, и, как не повезло И.В.Мичурину, которого пропагандировал Лысенко! Почувствуйте разницу.

Вот, как все хорошо. Сплошные научные успехи. При этом стоит напомнить, что в 1899 г. в «Известиях Императорской Академии Наук (СПб)» вышла работа академика С.И.Коржинского (1861 – 1900) (рис. 32) «Гетерогенезис и эволюция (Предварительное сообщение)» (14 стр.), который независимо от де Фриза на большом материале культурных растений и домашних животных пришел к выводу о значении мутаций как основного фактора эволюции и происхождения культурных форм. В первом абзаце своей статьи С.И.Коржинский пишет: «Так как для окончания моего сочинения потребуется еще довольно много труда и времени, то я позволю себе здесь в кратких словах наметить основные выводы моей работы» (Коржинский, 1899). Увы, через год Коржинский скончался в возрасте 39 лет.

Здесь уместно напомнить основные положения мутационной теории де Фриза.

1. Мутации возникают внезапно как дискретные изменения признаков.

2. Новые формы устойчивы.

3. В отличие от ненаследственных изменений мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они представляют собой качественные изменения.

4. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными.

5. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

6. Сходные мутации могут возникать неоднократно.

Как и многие генетики раннего периода, Г. Де Фриз ошибочно считал, что мутации могут сразу давать начало новым видам, т. е. минуя естественный отбор.

Критика мутационной теории современниками. Параллельно с публикациями де Фриза стали появляться критические замечания по поводу его мутационной теории, прежде всего по поводу ее экспериментальной проверки. Развивающийся Менделизм ищет альтернативные объяснения фактов, наблюденных де Фризом. Голландец Я.П.Лотси рассматривает «мутации» как результат расщепления гибридов. В 1916 г он публикует книгу «Эволюция путем гибридизации» (Lotsy, 1916) , в которой пытается доказать, что исходные формы, дающие мутации, в действительности – гибриды, и пытается отрицать роль мутаций в эволюции.

Главным козырем де Фриза была энотера. У.Бэтсон после выхода двух томов «Мутационной теории» тоже обращается к исследованию Oenothera lamarkiana и предполагает, что это растение имеет сложную гибридную природу. Большая часть пыльцы у нее бесплодна, как впрочем, и у других видов Oenothera. Сам де Фриз выявил при гибридизации энотеры сложную картину: «Первое поколение гибридов энотеры Ламарка с другими видами в отличие от обычной однородности обнаруживает резкое расщепление на два и большее число типов. При этом, что наиболее удивительно, эти различные типы остаются константными в дальнейших поколениях» (Н.И.Вавилов, 1936).

Дальнейшие цитологические и генетические исследования Реннера, Клиленда, Гейтса, Дарлингтона и др. вскрыли, что ряд видов энотеры – сложные гетерозиготы. Было установлено явление т.н. гетерогамии, т.е. существования наследственных различий половых клеток одного и того же растения. Половые клетки O. lamarkiana характеризуются двумя различными наследственными комплексами: velutina и caudens. Константность потомства объясняется тем, что гомозиготные сочетания этих комплексов летальны, а гетерозиготные представляют собой сбалансированные гетерозиготы.

Цитологи нашли кольца, образуемые хромосомами энотеры (рис. 33). Чем больше хромосом вне колец, тем чаще наблюдают менделевское расщепление по исследуемым признакам. Чем больше хромосом в кольце – тем реже. В 1922 г. многочисленные исследования энотеры были подытожены в книге Лемана «Исследования над энотерой» (Lehman, 1922). Оказалось, что явления, которые де Фриз считал мутациями, у энотеры объясняются в основном иначе. Итог 25 лет работы – энотера, объект мало пригодный для разработки мутационной теории. В частности Э.Баур (16.04.1875 – 2.12.1933), крупнейший немецкий генетик того времени считал, что «выводы, сделанные де Фризом о мутациях на энотере не убедительны» (см. Вавилов, 1936).

Еще при жизни де Фриза началась работа Т.Х.Моргана и его группы по выделению спонтанных мутантов у Drosophila melanogaster, попытки индуцировать мутации (в частности, известно, что Морган сам пытался заниматься химическим мутагенезом), завершившиеся открытием Г. Дж. Мёллера (1927), за которое он был удостоен Нобелевской премии, правда, уже в 1946 г. Обратите внимание на смещение акцента. Теперь уже речь идет не о «мутационной теории», а о «теории мутаций» или о «теории мутационного процесса». К ней мы вернемся позже.

Таким образом, теория мутаций, родившаяся на неадекватном экспериментальном материале, тем не менее, завоевала место в генетике. Видимо, нет смысла искать в материале де Фриза «реальных» мутантов. Например, форма Oenothera gigas оказалась тетраплоидом. Оставим пока в стороне очевидные проблемы теории мутационного процесса (не мутационной теории) и вопрос о том, можно ли относить полиплоиды к мутантам вообще. Не будем аргументировать (хотя и не забудем), что согласно теории O.Winge (1917), подтвержденной Г.Д.Карпеченко (см. Карпеченко, 1927) полиплоидия играет роль в видообразовании у растений (и не только). Главное, отметим, что идея прерывистой наследственной изменчивости нашла, в конце концов, подтверждение.

Мы не приняли периодичность мутаций, классификацию мутаций де Фриза на: прогрессивные, ретрогрессивные, дегрессивные. В то же время, ясно, что мутационную теорию видообразования сменила теория мутационного процесса, - раздел генетики, исследующий механизмы прерывистой, наследственной изменчивости, упомянутой ранее.

Быстро развивающаяся генетика дала еще один пример созидания и развенчания пророка, одного из основателей генетики - Гуго де Фриза. Де Фриз не оставил большой научной школы. Он работал, как правило, замкнуто. Возможно, поэтому чрезвычайно продуктивно – более 10 000 стр. преимущественно экспериментальных работ. Его характеризовали огромная трудоспособность, педантичность в ведении корреспонденции, простота в общении и внимание к начинающим работникам. В Люнтерене к нему почти ежедневно приходили за советами крестьяне. Он снабжал их семенами. На его могилу принесли венки не только организации, общества, университеты, принесли цветы простые крестьяне, что особенно тронуло семью покойного.

Итог этой большой жизни подвел Н.И.Вавилов: «Его труды поучительны своими великими достижениями и в то же время крупными ошибками» (Вавилов, 1936).