Развитие генетики как науки началось с переоткрытия в 1900 г. законов Менделя. Генетические исследования широко проводились и ранее, и хотя их вклад в развитие теоретических основ генетики был относительно небольшим, они все же представляли самостоятельный интерес. Начало им было положено Френсисом Гальтоном, который подытожил свои методические разработки и результаты в труде "Естественное наследование" (1889), а затем они были продолжены Карлом Пирсоном и его учениками. Эти исследования в значительной мере стимулировали применение статистических методов к решению биологических проблем, и уже поэтому они знаменуют важный шаг в развитии количественной биологии.
Однако основная цель всех этих работ - выяснение наследственных взаимосвязей родителей и потомков - достигнута не была. Тому было несколько причин. Еще Мендель объяснял неудачи своих предшественников тем, что их эксперименты не позволяли определить число различных форм в гибридном потомстве, достоверно классифицировать эти формы и установить четкие статистические соотношения между ними. Что касается этого последнего аспекта, то работу Гальтона вряд ли можно рассматривать как безрезультатную; в отношении же двух других неудачным оказался выбор самого объекта исследования. Гальтон использовал данные по человеку, но малочисленность семей и отсутствие "генетических" сведений о предках создавало множество трудностей; главное же, что обрекло его работу на неудачу с точки зрения раскрытия законов наследования, - это выбор для изучения метрических, или количественных, признаков, таких, как рост человека. Эти признаки характеризуются значительной изменчивостью и имеют непрерывное распределение. При этом наиболее вероятным для любой семьи или популяции является "типичное" значение признака, а частота крайних его значений весьма мала (см. рис. 2). Иногда (например, в случае роста человека) частотные распределения степени выраженности признака достаточно близки к нормальному распределению. В других случаях они отклоняются "т этой идеальной кривой, например являются асимметричными. Простота менделевских соотношений, отражающих дискретную природу наследования, обусловлена использованием таких признаков, которые позволяют однозначно классифицировать индивидов на небольшое число (обычно две) четко различающихся групп. При непрерывной изменчивости получить такие соотношения невозможно. Действительно, еще Мендель отказался от изучения непрерывной изменчивости, по-видимому ясно осознавая, что это может существенно усложнить анализ. И все же непрерывная изменчивость не была полностью исключена из рассмотрения. Еще Дарвин указывал на важность малых кумулятивных сдвигов в эволюции, а исследование различных видов, в особенности наиболее изученного из всех - человека, показало, как часто они встречаются. Таким образом, проблема непрерывной изменчивости настоятельно требовала своего решения; и хотя Гальтон и Пирсон не смогли вскрыть механизм наследования количественных признаков, но, опираясь на биометрический подход, они четко показали, что непрерывная изменчивость - по крайней мере отчасти - обусловлена факторами наследственной природы. Ни гальтоновский, ни менделевский подход сами по себе не способны были привести к решению проблемы. Для понимания природы непрерывной изменчивости необходимо было объединить оба подхода - генетический и биометрический, каждый из которых восполнял недостатки другого. Один из них наметил те принципы, на которых должен основываться анализ, тогда как другой показал, каким образом следует оперировать непрерывной изменчивостью, как представлять ее в наиболее удобной для анализа форме.
Объединению этих двух подходов, однако, мешало соперничество между представителями биометрической школы и менделистами, возникшее вскоре после переоткрытия законов Менделя. Оно обострилось в связи с разной оценкой роли непрерывной и дискретной изменчивости в эволюции и постоянно подогревалось непрекращающейся полемикой между сторонниками разных школ. Со временем сложилась такая ситуация, что примирения не желала ни одна из сторон. Вначале разногласие возникло потому, что ни те, ни другие не поняли всей важности введенных Менделем понятий фактора и эффекта (генотипа и фенотипа). Сторонники биометрического подхода рассматривали непрерывную фенотипическую изменчивость как следствие непрерывности генетической изменчивости, а менделисты считали, что дискретная генетическая изменчивость всегда приводит к дискретной фенотипической изменчивости. Более того, де Фриз утверждал, что непрерывность фенотипической изменчивости является свидетельством ее ненаследственной природы.
Прежде чем биометрический и генетический подходы смогли объединиться, должны были произойти два важных события. В 1909 г. Иогансен опубликовал труд "Элементы точного учения об изменчивости и наследственности". В нем он описал свои опыты с фасолью, которые привели его к построению теории чистых линий. В частности, он показал, что изменчивость массы семян определяется как наследственными, так и ненаследственными факторами, что их эффекты - величины одного порядка и только гибридологический метод позволяет определить вклад каждой из компонент в общую изменчивость. Таким образом, начинали проясняться связи между генотипом и фенотипом. Выявилось, в частности, что под действием средовых факторов эффекты генотипической дискретности могут сглаживаться, реализуясь на уровне фенотипа в непрерывную изменчивость. В том же году произошло еще одно событие. Другой скандинавский генетик, Нильсон-Эле, обнаружил, что у пшеницы и овса имеются наследственные факторы, оказывающие очень сходное (а возможно, и полностью совпадающее) влияние на фенотип. Например, у пшеницы было три таких фактора, которые определяли различия между семенами по окраске (красная и белая). Каждый из них, рассматриваемый по отдельности, давал в F2 соотношение 3 красных: 1 белое. Если анализ расщепления проводился одновременно по двум факторам, то получалось соотношение 15 красных : 1 белое, а при учете всех трех факторов наблюдалось расщепление 63 : 1. То обстоятельство, что растения с красными семенами в поколении F2 имели разные генотипы, следовало из анализа семян от растений поколения F3. Одни из них обнаруживали расщепление 3 красных : 1 белое, другие -15 красных : 1 белое, третьи - 63 : 1, а были еще такие, у которых не наблюдалось никакого расщепления и все семена были красными. Каждый из факторов в отдельности одинаково влиял на степень окраски семян. Однако интенсивность окраски менялась в зависимости от числа этих факторов. Наименее окрашенными были семена растений Aabbcc, aaBbcc и aabbCc; более интенсивная окраска наблюдалась у семян растений с генотипами AAbbcc, aaBBcc, aabbCC, AaBbcc, AabbCc и ааВbСс и т. д. Таким образом, различные факторы действовали кумулятивно.
Указанные три фактора окраски семян у пшеницы и овса оказывали достаточно сильное влияние на фенотип, что позволило провести анализ расщепления по этому признаку. Но, как отмечали Нильсон-Эле и Ист, существование большого числа факторов со слабым влиянием на фенотип может приводить к непрерывной количественной изменчивости, хотя каждый из них наследуется в соответствии с законами Менделя и расщепление по нему носит дискретный (качественный) характер. Но если таких факторов много, то будет существовать множество разных их сочетаний, причем промежуточные комбинации будут встречаться наиболее часто (рис. 1). Если степень выраженности признака пропорциональна числу факторов, то изменчивость будет количественной (т. е. соответствовать гальтоновским частотным кривым) и практически непрерывной. При наличии средовых факторов непрерывность станет полной, поскольку границы фенотипической изменчивости для разных генотипов будут перекрываться.
В течение последующих десяти лет эта концепция, получившая название концепции множественных факторов, использовалась для объяснения данных по разным организмам, главным образом Истом и его сотрудниками, а также Фишером. Ист показал, что наследование многих непрерывно варьирующих признаков у табака и кукурузы можно полностью объяснить на основе этой концепции<…>. Фишер осуществил дальнейшую интеграцию.
Теория полигенных (множественных) факторов. Распределение фенотипов в поколении F2 в случае расщепления по двум генам с равными аддитивными эффектами без доминирования и в отсутствие ненаследственной изменчивости. Степень фенотипического выражения пропорциональна числу заглавных букв в генотипе. В случае трех генов число фенотипических классов будет равно семи, в случае четырех - девяти, а для k генов - 2k + 1.
Он продемонстрировал, что результаты, полученные представителями биометрической школы, в частности корреляции между родственниками у человека, объясняются в рамках этой новой концепции. Опираясь на их же данные, Фишер выявил наличие доминирования по количественным признакам и попытался прежде всего разложить непрерывную изменчивость на компоненты, представление о которых появилось у него в связи с концепцией множественных факторов.
