Наука – это накопление знаний и формирование на их основе крупных обобщений, которые по мере их осмысления превращаются в догмы. История науки – документальное фиксирование судьбы обобщений и догм, которые или имеют перспективу развития, или рушатся под напором новых фактов.

Цель данного сообщения – проследить судьбу крупных обобщений и догм, имеющих отношение к эволюции и генетике. К эволюции потому, что вся научная фактура в биологии, по выражению Ф.Г. Добржанского и Н.В. Тимофеева-Ресовского, имеет значение только тогда, когда она расширяет наши знания о механизмах происхождения и эволюции живых систем.

В одном обзоре невозможно рассмотреть все аспекты изменчивости: соотношение наследственной и ненаследственной изменчивости, спонтанной и индуцированной, изменчивости в экосистемах, качественные и количественные закономерности изменчивости, значение разных типов изменчивости в эволюции и т. д. Мы сосредоточимся преимущественно на первом аспекте – соотношении наследственной и ненаследственной изменчивости с неизбежными экскурсами в сопредельные области.

Эпигенетика – наука о наследуемых свойствах организма, которые не связаны с изменением собственно нуклеотидной последовательности ДНК и могут быть не прямо, а опосредованно закодированы в геноме. К числу известных эпигенетических механизмов (сигналов) относятся: энзиматическое метилирование ДНК, гистоновый код (разные энзиматические модификации гистонов – ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитинирование и др.) и замалчивание генов малыми РНК (miRNA, siRNA). Обычно все эти процессы взаимосвязаны и иногда даже частично взаимозаменяемы. Это, скорее всего, служит обеспечению надежности реализации соответствующей эпигенетической сигнализации. Так или иначе эти процессы связаны с изменением структурной и функциональной организации хроматина.Метилирование ДНК у растений и животных, осуществляемое сайт-специфическими ферментами -цитозиновыми ДНК-метилтрансферазами, – приводит к возникновению в ней остатков 5-метилцитозина (m5C) в последовательностях CG, СNG и СNN. У растений открыто еще и адениновое метилирование ДНК. Появление остатков m5C в ДНК существенно сказывается на взаимодействии ДНК с разными, в том числе и регуляторными, белками. Часто метилирование ДНК блокирует связывание ДНК с такими белками и препятствует транскрипции генов, а иногда оно наоборот является обязательным условием для связывания белков. Существуют даже специальные m5CрG ДНК связывающие белки. Связывание таких белков с ДНК аранжирует весь ансамбль белков транскрипционного аппарата и необходимо для его активности.Таким образом, метилирование ДНК может служить сигналом как позитивного, так и негативного контроля за активностью генов. Метилирование ДНК у эукариот видо- и тканеспецифично, оно контролируется гормонами, изменяется с возрастом и является одним из механизмов клеточной и половой дифференцировки. Метилирование ДНК контролирует все генетические процессы (репликация ДНК, репарация, рекомбинация, транскрипция и др.). Нарушение метилирования ДНК и искажение других эпигенетических сигналов приводят к преждевременному старению и таким заболеваниям, как рак, диабет, астма, различные тяжелые психические расстройства и др. Профиль метилирования ДНК изменяется при канцерогенезе, служит надежным диагностическим признаком разных форм рака уже на ранних этапах канцерогенеза. Эпигенетические параметры имеют первостепенное значение для расшифровки механизмов сомаклональной изменчивости, характеристики и идентификации клонов и клеточных культур (стволовые клетки) и их направленной дифференцировки. Целенаправленное изменение метилирования ДНК служит эффективным биотехнологическим средством активации экспрессии генов запасных белков семян у растений и, например, наследуемого увеличения белковости зерна пшениц. Ингибитор метилирования ДНК (5-азацитидин) используется для лечения рака кожи. Разные регуляторы энзиматических модификаций гистонов уже нашли клиническое применение при лечении некоторых болезней человека и животных. Большие надежды возлагаются сегодня на использование специфических малых РНК в терапии рака и других болезней, это преимущественно связывают с направленным ингибированием активности генов, отвечающих за раковую трансформацию клеток и метастазирование. Терапевтическое действие многих коротких биологически активных пептидов во многом может определяться их действием на эпигенетическом уровне. Таким образом, фенотип на самом деле представляет собой продукт совокупной реализации генома и эпигенома. В этой  связи вполне справедливо известное выражение Нобелевского лауреата Питера Медавара «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает». Эпигенетика является бурно развивающейся, очень перспективной наукой XXI в., уже основательно проросшей в передовые биотехнологии, медицину и сельское хозяйство.

Исследования последнего десятилетия свидетельствуют о том, что подавляющее большинство фенотипических признаков человека, животных, растений и микроорганизмов (молекулярных, биохимических, клеточных, физиологических, морфологических, поведенческих и т. д.) контролируются очень сложным образом и что в основе их формирования лежат генные сети, т. е. группы координированно функционирующих генов, взаимодействующих друг с другом как через свои первичные продукты (РНК и белки), так и через разнообразные метаболиты и другие вторичные продукты функционирования генных сетей.

Стволовые клетки – это особый тип клеток, которые имеют способность к самообновлению и в то же время могут давать при делении иные специализированные клетки. Важно отметить, что стволовые клетки могут существовать как внутри организма, так и вне его. Стволовые клетки являются уникальной моделью и одновременно инструментом для того, чтобы изучать механизмы раннего развития, клеточной дифференцировки, поддержания и регенерации тканей. Уникальные способности стволовых клеток к длительной пролиферации и к дифференцировке делают их перспективным инструментом для клеточной терапии, а учитывая результаты последних исследований по вовлеченности стволовых клеток в процесс опухолеобразования – одновременно и мишенью воздействия на организм.

Эволюционную биологию преподавать трудно. Дарвиновская идея эволюции путем естественного отбора случайных наследственных отклонений встречает мощное сопротивление нашего разума по нескольким причинам.

1. Эволюция настроила наш разум таким образом, что он во всем пытается искать план, цель и смысл. Те особи, которые жили одновременно с нашими предками, но не обладали этой склонностью, проигрывали в приспособленности и потомков не оставили. Отсюда такая популярность конспирологических теорий. Нам трудно поверить, что метеорит падает на наш дом случайно, а не для того, чтобы нам навредить. Нам трудно поверить, что так сложно устроенные и так идеально приспособленные к среде обитания организмы могли возникнуть из простых форм путем естественного отбора случайных наследственных отклонений, а не были созданы для определенной цели по заранее продуманному плану. На этих наших вполне естественных предубеждениях базируются идеи «разумного плана».

2. Мы видим, как хорошо живые организмы приспосабливаются к изменению условий. Мы знаем, что упражнение мышц делает их более сильными и крупными. Обучение приводит к образованию полезных навыков. Мы склонны экстраполировать назад изменения, которые происходят у нас на глазах. Идея о том, что сложные инстинкты животных возникли за счет обучения, а наследственные –адаптации –за счет физиологических приспособлений, кажется нам интуитивно верной. В этом причина живучести ламаркистских идей.

3. Наш разум –результат миллионов лет эволюции –хорошо справляется с минутами, часами и днями, с трудом воспринимает годы, а миллионы лет для него пустой звук. За краткие годы нашей жизни мир вокруг нас, конечно, меняется, но мыши остаются мышами, а воробьи –воробьями. Поэтому так привлекательна идея о неизменности видов. Нам трудно представить себе, что мыши и воробьи, а вместе с мышами и все млекопитающие (включая и нас с вами), а вместе с воробьями и все птицы, происходят от общего предка, который жил на Земле 324,5 млн лет назад (http://www.timetree.org/). Мышь и воробей так мало похожи друг на друга, что кажется невероятным их происхождение от этого самого общего предка за счет накопления мелких случайных различий. Наш разум не привык оперировать с долгими временами и мелкими различиями. Мы скорее поверим в большой скачок. Поэтому такой популярностью до сих пор пользуются сальтационистские идеи эволюции. Наши студенты приходят к нам в аудитории со всеми перечисленными выше врожденными предубеждениями. Телевидение, радио, газеты и журналы, миллионы страниц Интернета неустанно работают против дарвиновской идеи эволюции. Каждый день мы слышим и читаем, что британские (японские, российские – нужное подчеркнуть) ученые доказали, что никакой эволюции нет, а если она есть, то идет скачками в заранее заданном направлении, и что вообще Ламарк был прав, а Дарвин заблуждался. Именно с этими представлениями приходят к нам студенты. А мы начинаем рассказывать им про уравнение Харди–Вайнберга, дрейф генов, правило Бергмана и модусы филэмбриогенеза. Они успешно сдают нам экзамены и живут дальше в гармонии со своими заблуждениями. Преподавание эволюционной биологии радикальным образом отличается от преподавания анатомии и физиологии. Из 100 аргументов против дарвиновской идеи эволюции 99 начинаются словами «я не могу поверить, что…». Наша задача заключается в том, чтобы показать нашим студентам, что дарвиновская идея эволюции не является предметом веры. Она дает убедительное и непротиворечивое объяснение фантастического разнообразия почти идеально приспособленных живых существ. Она была высказана более полутора веков назад и с тех пор прошла бесчисленное множество очень строгих проверок фактами, полученными в результате наблюдений и прямых экспериментов. Именно этим она отличается от альтернативных точек зрения. Противники дарвиновской идеи эволюции постоянно жалуются, что эволюция преподается безальтернативно. Давайте пойдем им навстречу и рассмотрим альтернативы. Лучше всего это делать не на уровне общих рассуждений,а на конкретных примерах. Здесь будет представлено нескольких примеров из современной литературы, которые касаются трех ключевых проблем эволюционной биологии: возникновения адаптаций, видообразования и макроэволюции. Мы рассмотрим факты, дарвиновские объяснения этих фактов, а затем предложим студентам объяснить их с альтернативных точек зрения.

Около 15 тысячелетий назад, не зная понятия «эксперимент» и вообще располагая довольно ограниченным запасом слов, человечество приступило к величайшему биологическому опыту. Речь идет об одомашнивании животных и растений (доместикации) как процессе их исторического преобразования из диких в домашние. Это был первый этап науки и технологии в истории человечества, обеспечивший человека мощными продуцентами – породами животных, сортами растений и штаммами микроорганизмов.

И хотя сегодня достижения научно-технического прогресса значительно расширили рамки человеческих возможностей, тем не менее, механизмы этого процесса во многом загадочны, до сих пор они бросают вызов научной мысли.

Ученые прибегают к помощи всесильной генетики, но даже изученные ныне генетические механизмы не в состоянии пока ответить на вопросы: почему столь высоки темпы изменения домашних животных,откуда такое невообразимое количество их пород?Проблема остается открытой, хотя в свое время именно она привлекла внимание Ч.Дарвина и послужила одним из стимулов к созданию теории естественного отбора.

История доместикации растений тесно переплетена с историей человечества. Если не считать собаку, то растения были доместицированы значительно раньше животных. Одомашнивание последних стало возможным только благодаря дополнительной кормовой базе, созданной посредством возделывания растений. Освоение человеком базовых навыков земледелия – событие революционное, коренным образом изменившее его существование. При этом доминирующее положение в истории человечества заняли культуры Востока, ориентированные на возделывание злаков. Селекция злаков – одно из самых ранних интеллектуальных достижений человечества. Она началась тогда, когда человек стал доместицировать растения и выращивать их, отбирая формы, наиболее полно обеспечивающие его надежными источниками питания.

Мировая тенденция индустриализации сельского хозяйства несет в себе множество рисков. Один из них – это сокращение национальных генетических ресурсов или генофондов животных и растений (доктрина продовольственной безопасности РФ, 2010). Включение в мировое сельское хозяйство транснациональных животноводческих индустрий создает опасность сокращения национальных генетических ресурсов сельскохозяйственных видов, зависимость от импорта продовольствия и селекционных достижений, а также угрозу глобализации распространения инфекций и скрытых генетических дефектов. Отсюда следует все возрастающая важность сохранения генофондов локальных сельскохозяйственных видов животных.

Спонтанно возникающие природные гибриды между двумя видами растений известны ботаникам с начала XVIII в. В 1716 г. К. Мэзер (Cotton Mather) наблюдал естественную гибридизацию между двумя видами тыкв; в 1717 г. Т.Файрчайлд (T. Fairchild) впервые получил искусственные гибриды между двумя видами гвоздики (Dianthus cariophyllus и D. barbatus) (Вульф, 1940. С. 42). Открытие пола у растений и последовательное экспериментальное исследование феномена межвидовой и межлинейной гибридизации у растений, начатое в Ботаническом саду Академии наук в Санкт-Петербурге Йозефом Кёлрейтером и продолженное затем О. Нодэном, Г. Менделем, Г. де Фризом, К.Э. Корренсом, У. Бэтсоном, закономерно привело к появлению генетики. Примечательно, что само название нашей науки впервые было обнародовано и принято на конференции, посвященной проблеме гибридизации у растений. А именно на III конференции по гибридизации и селекции растений в Лондоне в июле 1906 г. У. Бэтсон, президент конференции, в своем обращении к участникам, названном «The Progress of Genetic Research», ярко и убедительно продемонстрировал, что уже появилась наука, направленная на изучение явлений наследственности и изменчивости, подразумевающая выходы на проблемы эволюции и систематики, на решение практических проблем селекции животных и растений – новая наука, у которой еще нет короткого и ясного названия, – и предложил назвать ее «genetics». Выступление Бэтсона было настолько убедительным, что редактор трудов этой конференции У. Уилкс (W. Wilks), подготовив к изданию том с материалами конференции, дал ему название «Report of the Third International Conference 1906 on Genetics; Hybridization (the cross-breeding of genera or species), the crossbreeding of varieties, and general plant-breeding» (Report … 1906). Напомним, что официальное название конференции было «International Conference on Hybridisation and Plant Breeding». Открывался том трудов этой конференции портретом Г. Менделя.

Генетическая адаптация популяций человека к локальным условиям среды может быть представлена как возникновение новых аллелей в результате мутаций и последующее изменение частот аллелей в поколениях вследствие естественного отбора признаков, ассоциированных с этими аллелями и важных для выживания и успешной репродукции человека. Помимо процессов адаптации, на изменение частот аллелей влияют генетический дрейф и миграции. Исследование генетической адаптации человека занимает одно из центральных мест в биологической антропологии, генетике человека и эволюционной биологии и уже дало значительный вклад в понимание взаимодействия средовых и генетических факторов, влияющих на здоровье человека.

Ниже будут описаны подходы к поиску аллелей, определяющих приспособленность человека к действию факторов окружающей среды. Эти подходы потенциально приложимы не только к человеку, но и к другим животным и растениям. Исходной посылкой для применения этих подходов является перекрывание ареала действия конкретного фактора среды и ареала повышенной популяционной частоты аллеля, что позволяет предполагать их связь,хотя и не доказывает ее. Такое совпадение ареалов, после вычитания вклада случайных причин (генетический дрейф, генетическая подразделенность популяций), является основой для выдвижения и дальнейшей проверки гипотезы о роли данного фактора отбора в повышении частоты данного аллеля в популяциях человека. Прямое доказательство таких гипотез может быть получено, если удастся показать связь генотипа и фенотипа с приспособленностью к данному фактору отбора (выживаемость или репродуктивный успех) (Hancock et al., 2008, 2010а).

Мы привыкли сравнивать генетические особенности индивидов друг с другом. Индивид как единица учета был и остается необходимым, но позволяет установить лишь наличие аллеля, но не его частоту. Для придания «смысла» гену и конкретному аллелю нужно применить эволюционный подход. Для этого единицей учета должна стать популяция, а учитываемым признаком станет частота аллеля. При этом сравнивать друг с другом нужно признаки популяций (условия среды и частоты аллелей), а не признаки индивидов.

Этногеномика – это раздел популяционной генетики, изучающий особенности геномного полиморфизма и геномного разнообразия отдельных популяций, этносов и реконструкция на этой основе их генетической истории.

Эволюция популяций человека, их происхождение, родство, историческое развитие всегда были в центре внимания многих наук. Для решения этих проблем необходимо исследовать множество полиморфных признаков в большом числе популяций и этно-территориальных групп. В качестве таких признаков в распоряжении исследователей в течение долгого времени находились полиморфные белки, которые использовались как генетические маркеры в популяционных исследованиях. С помощью таких маркеров получено довольно много интересных сведений о популяциях различных регионов мира. Подлинный переворот в популяционных исследованиях произошел при появлении нового инструмента в виде полиморфных маркеров ДНК.

Огромное множество полиморфных ДНК-маркеров, выявленных при расшифровке генома человека, стало мощным инструментом для описания на новом уровне генетических особенностей народов; восстановления истории их формирования, а также становления человека как биологического вида в целом. На основе развития этих исследований в рамках геномики возник новый раздел науки – этногеномика. Геном человека, состоящий примерно из 3 млрд нуклеотидных пар, расшифрован почти полностью. Однако завершение гигантского по замыслу и грандиозного по реализации международного научного проекта по расшифровке структуры генома человека отнюдь не означает, что процесс познания генома завершен. Скорее, это только начало. Уже сейчас очевидно, что не существует какого-то «усредненного» генома человека: каждый геном, как и каждый человек, сугубо индивидуален. Эта индивидуальность генома проявляется на уровне не только отдельной личности, но и этнических групп, отдельных сообществ и рас.Различия между двумя людьми на уровне ДНК составляют в среднем 1 нуклеотид на 1000. Именно эти различия обусловливают наследственные индивидуальные особенности каждого человека. Заметим, что различия между ДНК человека и шимпанзе – его ближайшего сородича в животном мире – на порядок больше.

Человек был и остается одним из наиболее интенсивно и разносторонне исследуемых объектов. Среди научных направлений, занятых изучением человека, в последние десятилетия ключевую роль играет молекулярная генетика, исследующая генетическое разнообразие популяций человека, принципы организации и функционирования генома человека. Геном представляет собой совокупность наследственного материала (ДНК), заключенного в клетке человека: ядерный геном, включающий 23 пары хромосом, и митохондриальную ДНК (мтДНК) (всего ~ 3 млрд пар оснований). Расшифровка полной последовательности генома человека в рамках международной программы «Геном человека» позволила молекулярной генетике стать ведущим направлением биомедицинских исследований человека. Несмотря на интенсивные исследования, огромное количество молекулярно-генетических проблем, связанных с происхождением и эволюцией человека как вида, историей популяций человека, функционированием генома, развитием заболеваний, все еще остаются до конца не решенными. Для их решения в рамках комплексного молекулярно-генетического исследования человека формируются и получают развитие все новые направления и подходы. Непрерывное совершенствование методов получения и анализа структуры образцов ДНК позволило не только полноценно использовать молекулярно-генетические методы для анализа материалов, полученных от ныне живущих людей, но и включить в число объектов исследования ДНК из останков человека различного возраста, т. е. проводить генетическое исследование древних людей. Рассмотрению этого направления молекулярной генетики, получившего название палеогенетики человека, посвящена данная статья.

К прокариотам относятся два домена (царства) организмов – бактерии и археи, которые в отличие от эукариот (третий домен живого мира) не содержат клеточных ядер и размножаются бинарным делением. Между собой археи и бактерии различаются по структуре клеточных стенок и мембран, структуре рибосом, ферментативным механизмам процессов реализации генетической информации (Адхья и др., 2009). В частности, археи имеют сходный с эукариотами, а не с бактериями аппарат репликации и репарации ДНК, а также компоненты транскрипционного комплекса. За 3,5 млрд лет обитания на планете бактерии и археи сформировали биогеохимические циклы, определяющие облик биосферы (Заварзин, 2010). В геномах более 108 видов прокариот содержится почти 90 % всей информации о генетическом биоразнообразии в понятиях молекулярной филогении.

Системный контроль является одним из фундаментальных свойств многоклеточных организмов, от которых в решающей степени зависит адаптация к меняющимся условиям среды. Л. фон Берталанфи определил систему как «комплекс взаимодействующих компонентов» или как «совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой». Эти понятия до сих пор лежат в основе использования понятий «системы» (цит. по: Карпин, 2005). Простота данного определения позволяет распространять его на многие объекты окружающего мира, и в первую очередь на живые организмы, для которых системность проявляется в скоординированном изменении элементов в интересах выживания многоклеточного организма как целого.

Генетика развития изучает процесс реализации генетической информации в ходе индивидуального развития, т. е. путь от гена к признаку. Развитие организма включает в себя такие понятия, как рост и дифференцировка. Рост – это количественные, а дифференцировка – качественные изменения в организме. Дифференцировка может осуществляться на всех уровнях организации – клеточном, тканевом, органном. Органный уровень дифференцировки часто обозначают термином «морфогенез».

Большой вклад в создание основ генетики развития внесли отечественные ученые. Несомненная роль в развитии этой науки принадлежит М.Е. Лобашеву, Н.К. Кольцову, Б.Л. Астаурову, Н.В. Тимофееву-Ресовскому. На первых этапах своего существования, в 20–50-е годы ХХ в., генетика развития носила описательный характер, отвечала на вопрос: как выглядит объект и носила название «феногенетика». С 60-х годов ХХ в. начался новый этап генетики развития, который можно обозначить как «молекулярно-генетический», позволивший отвечать на вопрос: почему так выглядит объект. Сегодня благодаря реализации геномных проектов и развитию новых методов проведения исследований, начали открываться молекулярно-генетические механизмы развития многоклеточных организмов.

Основная задача генетики развития – расшифровка программ развития, т. е. изучение молекулярно-генетических механизмов, лежащих в основе принципов управления онтогенезом.

Термин «геном» впервые был введен немецким ботаником Гансом Винклером в 1920 г. для обозначения генетического материала, составляющего гаплоидный набор хромосом у растений. Гаплоидный набор хромосом обозначают как 1n, а диплоидный – 2n.

Хромосомный анализ растений – это комплекс методов, направленных на выявление особенностей хромосомной организации генома вида, идентификацию его хромосом, анализ их функциональной активности. История хромосомного анализа насчитывает свыше 130 лет и в настоящее время он широко используется в генетических исследованиях растений.

Митотические хромосомы первым наблюдал В. Флемминг в 1879 г., изучая деление клеток аксолотля. Немного позже (в 1882 г.) Э. Страсбургер обнаружил сходные структуры в клетках растений, а в 1881 г. Э. Бальбиани описал гигантские хромосомы из клеток слюнных желез личинок Chironomus plumosus. В 1883 г. Дж.Л.М. Ван Бенеден показал, что число хромосом в гаметах вдвое меньше, чем в соматических клетках, а Т. Бовери предположил (1890), что редукция числа хромосом происходит во время оогенеза. Однако для обозначения структур, появляющихся в ядре во время деления клетки, эти авторы использовали различные названия («нити», «петли», «сегменты», «элементы» и др.). Термин хромосома(chromo – окрашенное, soma – тело) первым применил немецкий ученый В. Вальдейер (W. Waldeyer) в 1888 г., поскольку описанные структуры интенсивно окрашивались основными красителями.

Еще в первые десятилетия развития генетики стало ясно, что генетические маркеры могут быть полезными при анализе сложных признаков. Однако низкая встречаемость и ряд других недостатков не позволили классическим генетическим маркерам, а впоследствии и белковым маркерам широко войти в селекционную практику. Последнее поколение генетических маркеров (молекулярные, или ДНК-маркеры) характеризуется более высокой частотой встречаемости в геноме и основано на универсальных, а значит широко востребованных и постоянно развивающихся методах анализа. Это стало залогом бурного развития направлений генетики и селекции, связанных с использованием ДНК-маркеров.

В настоящей статье рассматриваются основные типы молекулярных маркеров и направления их использования.

Геном клетки любого животного и растения постоянно контактирует с чужеродной ДНК других видов или прокариотической ДНК бактерий, грибов, вирусов и т. д. Как правило, цитоплазма клетки «справляется» с этим потоком чужеродной ДНК, поступающей с продуктами питания, расщепляя ее до нуклеотидов в специализированных цитоплазматических структурах, таких как лизосомы. В результате чужеродная ДНК не доходит до ядра клеток и, следовательно, лишена возможности «включиться» в ее геном.

Исключением являются ретровирусы, способные проникать через клеточные мембраны и достигать ядра клетки и даже встраиваться в ее геном, становясь его облигатным наследуемым компонентом. Это отдельная тема, связанная с эволюцией взаимоотношений геномов вирусов (паразитов) и клеток животных и растений, в ходе которой выработался специальный механизм, позволяющий чужеродной ДНК встраиваться в геном клеток-мишеней, тем самым его модифицируя.