Томас Хант Морган не ставив собі за мету відкрити генетику. Він був зоологом із Лексінгтона, штат Кентуккі, який на початку своєї кар’єри вивчав те, як з яєць розвиваються тварини. На момент своєї смерті в Пасадені в 1945 році він отримав Нобелівську премію і кардинально змінив наше розуміння спадковості. Але шлях до цього був хаотичним. Він чинив опір ідеї прославитися самому.
Морган виріс у сім’ї з глибокими зв’язками з американською історією. Його батько Чарлтон Хант Морган служив консулом США. Його дядько Джон Хант Морган був генералом армії Конфедерації. Юний Томас пішов своїм шляхом. Він вивчав зоологію в Університеті Кентуккі (нині Університет Кентуккі), а потім закінчив Університет Джонса Хопкінса. Там він навчався у відомого морфолога Вільяма Кіта Брукса. Морган отримав ступінь доктора філософії у 1890 році. Він провів рік в Університеті Джонса Хопкінса, а потім прийняв пропозицію викладати в Коледжі Брін-Мор, де познайомився зі своєю дружиною Ліліан Сампсон, видатним цитологом.
Кинувши виклик Дарвіну та Менделю
У період із 1893 по 1910 рік Морган зосередився на ембріології. Він хотів зрозуміти причини та наслідки розвитку. Він препарував ранні ембріональні клітини. Він тестував, як солоність впливає на запліднені та незапліднені яйця. Він вивчав, як фізична орієнтація яйця визначає його майбутню форму. Це безперечно експериментальна наука.
Проте, попри його емпіричний підхід, Морган скептично ставився до домінуючої теорії тогочасної еволюції. Він вважає, що теорія природного відбору Дарвіна неповна. Відсутня чіткий механізм успадкування ознак. Дарвін висунув гіпотезу «пангенези», але вона не витримала перевірки. Еволюція здається фактом, але як це відбувається залишається незрозумілим.
Скептицизм Моргана заглиблювався. Він вивчав менделівську і хромосомну теорії, що зароджувалися, і розпізнавав у них відлуння старої і неспроможної ідеї «преформізму». Ця ідея XVIII століття свідчила, що всередині сперматозоїда або яйцеклітини знаходиться крихітне, повністю сформоване доросле тіло, яке очікує розвитку. Для Моргана ідея окремих «одиниць» зі специфічними властивостями, або хромосом, здавалася поверненням до застарілого способу мислення. Хоча він визнавав, що хромосоми можуть відігравати певну роль, він стверджував у 1895 році, а пізніше у 1909–1910 роках, що жодна окрема хромосома не може відповідати за певну спадкову ознаку.
Він вважав менделівську генетику суто гіпотетичною. Звичайно, ми можемо пророкувати результати схрещування. Але процес не пояснюється. Його не переконало те, що хромосоми поділяються під час поділу клітини таким чином, що відображає математичні пропорції Менделя. Збіг, думав він. Це не причинно-наслідковий зв’язок.
Мушка, яка змінила все
Все змінилося у Колумбійському університеті. У 1904 році Морган одружився з Ліліан Сампсон і прийняв посаду професора експериментальної зоології в Колумбійському університеті. Він працював там 24 роки. У «Кімнаті з мушками» в Колумбійському університеті він почав перевіряти свої підозри на плодовій мушці Drosophila melanogaster.
Вибір організмів був прагматичним. Плодові мушки швидко розмножуються. Їхній зміст обходиться дешево. Вони виробляють тисячі нащадків. Але були ризики. Морган залишався поза мейнстриму генетики. Йому потрібні були докази, які були чимось більшим, ніж просто математика.
Він почав шукати мутації. Природні зміни. Він шукав відхилення від норми, які передавалися з покоління до покоління. 1910 року він знайшов одну. У самців мушок були білі очі замість звичайних червоних.
Це була не просто зміна кольору. То була підказка. Коли Морган схрестив самця з білими очима та самку з червоними очима, всі нащадки першого покоління мали червоні очі. Ця ознака, здавалося, зникла. Однак у другому поколінні білі очі з’явилися знову. Дивно, але більшість мушок із білими очима були самцями.
Морган зрозумів, що це випадковість. Ознака кольору очей пов’язана зі статтю. Якщо гени – це просто абстрактні елементи, що плавають у цитоплазмі, чому вони мають сегрегувати разом із чоловічою статтю? Ця закономірність узгоджується з поведінкою Х-хромосоми. У самок дві Х-хромосоми. У самців одна Х-і одна Y-хромосома. Мутація білих очей знаходиться на Х-хромосомі.
Це просте, але елегантне пояснення. Воно спрацювало. Морган виявив перший фізичний доказ того, що гени розташовані на конкретних хромосомах. Він переклав генетику в галузі абстрактної ймовірності в область конкретної біології.
Точки з’єднання
Морган не зупинився на одному гені. Він шукав більше. Він знайшов варіації форми крил, кольору тіла та розміру щетинок. Він склав їхню карту. Він виявив, що гени, розташовані близько один до одного на одній хромосомі, схильні успадковуватися разом. Вони «зчеплені». Гени, що знаходяться далеко один від одного на одній хромосомі, з більшою ймовірністю поділяються під час поділу клітини, що називається кросинговером.
Це дозволило Моргану та його студентам створити першу генетичну карту. З частоти генетичної рекомбінації, можна визначити відносне розташування генів на хромосомах. Це схоже на створення карти міста, вимірюючи, як часто ви робите об’їзди під час автомобільної подорожі.
Теорія хромосомного наслідування перестала бути гіпотезою. Це – робоча модель. Морган показав, що хромосоми є носіями генетичної інформації. Він показав, що гени розташовані лінійно вздовж хромосом. Кожен ген контролює певну, ідентифіковану ознаку.
Це була велика зміна. До Моргана генетика була «чорною скринькою». Ми могли використовувати математику для прогнозування результату, але не знали механізму. Морган дав спадковості тіло.
Чому це важливо?
Дослідження Моргана заклали основу сучасної генетики. Це показує, що біологічні ознаки – це не просто невиразний вплив середовища і випадковості. Це фізичні структури, які кодуються та передаються з покоління до покоління. Завдяки цьому розуміння сьогодні ми можемо відслідковувати захворювання, розуміти еволюційні зв’язки та навіть редагувати гени.
Але шлях Моргана був нелегким. Він був переконаним експериментатором, який відкидав теорію, але зрештою прийняв її. Він вимагав фізичних доказів. Він відмовлявся приймати статистичну кореляцію за причинно-наслідковий зв’язок. Його скептицизм і відмова приймати теорію, яка здавалася «надто ідеальною» без доказів, призвели до її дослідження.
Плодові мушки колись вважалися шкідниками, але сьогодні вони
До 1908 року Томас Хант Морган глибоко займався розведенням плодових мушок (Drosophila melanogaster) в Колумбійському університеті, але він не був готовий вирощувати єдину муху з білими очима в тисячах колб. Це не просто дивна мутація. Це ключ до розуміння того, як стать визначає спадковість.
Коли Морган схрестив самця з білими очима із самкою з нормальними червоними очима, перше покоління (F1 ) складалося виключно з мух із червоними очима. Ця ознака, здавалося, зникла. Але коли ці брати та сестри розмножуються, друге покоління (F2 ) розповідає іншу історію. У деяких нащадків були білі очі. Усі вони були самцями.
Це невипадково. То була закономірність.
Прорив, пов’язаний зі статтю
Морган не проігнорував дані. Він висунув гіпотези про їхню інтерпретацію. Він припустив, що ця ознака пов’язана з Х-хромосомою, концепцією, яка тепер називається зчепленою зі статтю успадкуванням. Логіка проста, але глибока. У самиць дві Х-хромосоми, а у самців одна Х-хромосома. Якщо ген білих очей знаходиться на Х-хромосомі, самець виявить його, тому що немає іншої Х-хромосоми, щоб приховати його.
Докази швидко нагромаджувалися. Інші варіації у популяції мух Моргана слідували тієї ж закономірності. Вони успадковуються як єдине ціле. Морган усвідомив, що ці “дискретні одиниці спадковості” (які він прийняв у термінології Вільгельма Йоганннена 1909 як “гени”) повинні знаходитися в самих хромосомах. Вони є абстрактними поняттями. Вони матеріальні.
Морган довгий час був скептиком по відношенню до законів Менделя та хромосомної теорії. Переглянувши інформацію, він змінив свою думку. Експерименти з схрещування та цитологія (вивчення клітин) ідеально поєднувалися один з одним. Одне можна пояснити іншим.
Створення генетичної карти
Морган не працював у вакуумі. Він мав групу талановитих аспірантів у Колумбійському університеті: А.Г. Стертевант, К.Б. Бріджес та Х.Дж. Мюллер. Разом вони перетворили цю цікавість на всеосяжну теорію спадковості.
Стертевант зробив рішучий крок уперед. Він показав, що гени можуть бути розташовані в лінійному порядку вздовж хромосом. Він розрахував відносну відстань між ознаками, аналізуючи частоту їхнього спільного наслідування. Це створює карту хромосом.
Цитологічне дослідження швидко підтвердило це. Дослідники фактично змогли підтвердити фізичне місце розташування на хромосомі, яке відповідало місцезнаходженням на карті Стертеванта. Це був чіткий доказ. Абстрактні фактори Менделя мали конкретну фізичну основу.
1915 року група опублікувала роботу «Механізм менделівської спадковості». Вона стала основним текстом, що узагальнює те, як працюють гени у багатоклітинних організмів. До 1916 Морган також змінив свою позицію щодо еволюції, все більше приймаючи теорії Дарвіна і свої генетичні відкриття.
Від Колумбійського університету до Каліфорнійського технологічного інституту
Незважаючи на очевидний успіх Моргана у Колумбійському університеті, його тягнуло на захід. 1928 року він прийняв запрошення організувати біологічне відділення в Каліфорнійському технологічному інституті (Caltech). Він також допоміг створити Морську лабораторію в Корона дель Мар, щоб включити польову біологію до навчальної програми.
Робота з мушками тривала у Caltech, але власний фокус Моргана змістився. Він завжди цікавився експериментальною ембріологією. Хоча він розумів теоретичний зв’язок між генетикою та розвитком, подолання цього розриву виявилося експериментально складним на той час. Він зробив перерву у щоденному розведенні «плодових мушок» і повернувся до своєї ранньої пристрасті, хоча все ще не міг пов’язати всі крапки.
Нагороди та спадщина
Вклад Моргана був швидко і широко визнаний науковим співтовариством.
- 1924: Медаль Дарвіна
- 1927–1931: Президент Національної академії наук
- 1930: Президент Американської асоціації сприяння розвитку науки
- 1932: Президент Шостого Міжнародного конгресу генетиків
1933: Отримав Нобелівську премію за відкриття «генетичного механізму передачі у Drosophila». - 1939: Медаль Коплі від Лондонського королівського товариства
Морган залишався викладачем Каліфорнійського технологічного інституту до смерті, залишивши по собі корпус робіт, який сформував біологію.
Він опублікував книги у трьох різних областях: еволюція, генетика та ембріологія. Хоча Дарвін суворо критикував його у роботі «Еволюція та пристосування» (1903), він значно пом’якшив цю позицію в «Критиці теорії еволюції» (1916). Його твори про спадковість, особливо “Спадковість і стать” (1913) і “Теорія гена” (1926), підтримували рамки Менделя для всього складного життя. У той же час «Ембріологія і генетика» (1934) представляла його спробу, що триває, хоча і неповну, пов’язати генетичну теорію з фізичними процесами розвитку.
Мухи з білими очима — лише невелика аномалія. Карта, яку вона допомогла створити, була величезною. Який зв’язок між генами і ембріоном, що розвивається? Історія лише починається.
