Puuviljakärbse lugu

Toivo Maimets

Thomas Hunt Morgan on erakordne isik loodusteaduse ajaloos nii oma isiklike võimete poolest kui ka seetõttu, et tema teaduslik aktiivsusperiood langes aega, kui otsiti vastuseid põhimõttelistele küsimustele pärilikkuse olemuse kohta. Tol ajal leitud vastused ja kokkulepped mõjutasid suurel määral kogu XX sajandi molekulaarbioloogiat ja geneetikat. Nobeli auhind määrati talle 1933. aastal „avastuste eest kromosoomide rolli kohta pärilikkuses”. Tõsi, kromatiini põhiline olemus oli selge juba 30 aastat enne, kui Morgan hakkas uurima puuviljakärbest Drosophila ning ka kromosoomide käitumist mitoosis ning meioosis oli enne teda põhjalikult kirjeldatud. Teada oli isegi sugukromosoomide roll sugude määratlemisel. Ometigi oli just Morgan see, kes 1910. aastal veenvalt kinnitas, et kromosoomid ongi pärilike tunnuste edasikandjaks. Eric Kandel rõhutab Morgani tähtsaimat rolli selles arusaamas, et geen, mis asub kromosoomi mingis piirkonnas, on ühtlasi ka mendellik pärilikkuseühik, darvinistliku evolutsiooni käivitav jõud ja arengu kontroll-lüliti. Väga oluline – ning teadusajaloo seisukohast ülimalt tähenduslik – on see, et veel 1906. aastal oli ta väga skeptiline nende mõtete osas, mis väitsid kromosoome olevat pärilike tunnuste kandjaks. Oma kirjades saksa embrüoloogile Hans Drieschile kinnitas ta, et tema kolleeg Edmund Beecher Wilson on „kromosoomihull” ning rakkude tsütoplasma on sama aktiivne pärilikkuse mõjutaja kui tuum (kus asuvad kromosoomid). Teises kirjas seisab, et ta isiklikult „ei tunne mingit sümpaatiat selle kaasaegse mõtteviisi vastu, mis omistab kõik (tähtsuse) kromosoomidele”. Oma tolleaegsetes artiklites ajakirjale Science meenutab ta probleeme, mis tekkisid ajaloos preformismiteooriatega, ning osutab, et kromosoomide tunnistamine ainsaks pärilikkuse determineerijaks toob tagasi kõik need ületamatud vastuolud. Aga juba 1910. aastaks oli ta hakanud senises kahtlema. Põhjuseid oli selleks vähemalt kaks. Esiteks käivitas Morgan teadussuuna, mis kontrollis hüpoteeside paikapidavust eksperimentide kaudu. Sellega oli loodud alus eksperimentaalbioloogiale, mis kogu XX sajandi jooksul on läbinud erakordselt viljaka arengutee. Võib arvata, et just see jääb Morgani panuseks teaduslukku, mis kestab tema muudest saavutustest kõige kauem. Teiseks – ja selle asjaolu sisulise hindamiseni hakkame alles jõudma – eristas ta pärilikkuse protsessid indiviidi arengubioloogia protsessidest ning keskendus vaid esimestele (geneetikale). See võimaldas hüpoteese lihtsustada ning neile oma eksperimentaalse mudeli piires selgeid vastuseid saada. Esimest korda sai võimalikuks esitada konkreetseid küsimusi geenide struktuuri ja funktsiooni kohta – ning neile ka vastuseid saada. Mis on geenide keemiline olemus? Kuidas nad ennast paljundavad? Mis juhtub siis, kui geenid muteeruvad? Kuidas on geenid seotud geneetiliste haigustega? Morgan ja tema õpilased vastasid nendele küsimustele ning, nagu öeldud, määrasid geneetika paradigma peaaegu terveks sajandiks.

Samas juhtis individuaalse arengu protsesside alahindamine (mille objektiivseks põhjuseks oli muidugi ka sel ajal sobivate uurimismeetodite puudumine) tähelepanu eemale asjaolult, et individuaalse arengu käigus toimuvad sündmused on lõpptulemuse (organismi omaduste) seisukohalt vähemalt sama olulised kui kromosoomide poolt juhitud pärilikkuseprotsessid. Organismide individuaalse arengu bioloogia – sama mündi teine pool – jäi ootama oma aega kuni XX sajandi lõpuni ja uue alguseni. Just tänapäeval oleme ilmselt muutuste keskel, mis Morgani maailmapildile „teist poolt” liites võimaldavad näha tervikut ning selle käigus tuleb ka paratamatult ümber hinnata mõndagi, mida me seni geenide olemusest tõsikindlaks oleme pidanud.

Scott F. Gilbert kirjutab: „Populatsioonigeneetika matemaatilised meetodid, mille rakendamist alustas Morgan ja mida edukalt täiendasid tema järglased, pakkusid kindlaid ja (eksperimetaalselt) tõestatavaid mehaanilisi seletusi loodusliku valiku mõistmiseks. Et aga populatsioonigeneetika suudab uurida ainult omavahel ristuvaid populatsioone ning barjääre, mis taolist ristumist takistavad, siis muutus evolutsioonibioloogia eksplanandum (see, mida tuleb seletada) erinevate liikide fülogeneesi määratlevate faktorite väljaselgitamisest (mis oli seni evolutsioonilise morfoloogia eesmärk) hoopiski loodusliku valiku kvantiteerimiseks ühe ja sama liigi sees.” Oma raamatutes „Geneetika tõus” (The Rise of Genetics, 1932) ja „Evolutsiooni teaduslik alus” (The Scietific Basis of Evolution, 1932) vastandas Morgan moodsa geneetika „vanamoodsale” embrüoloogiale. „Geneetika ja ainult geneetika,” kirjutas ta, „moodustab evolutsiooni teadusliku aluse.” Evolutsiooni uurimise õigeks ühikuks, leiab ta, peab olema populatsioon (ühik, mis evolutsioneerub) ja mitte indiviid (mille tasemel tegelikult toimib looduslik valik).

Morgani geneetika täiendamine Fisheri, Haldane’i ja Wrighti matemaatiliste mudelitega viis modernse sünteesi teooria formuleerimiseni, mille keskmeks oli arusaam, et fenotüüp on genotüübi otsene tulem (readout), eitades individuaalse arengu plastilisust (seda on ka nimetatud reaktsiooninormiks) ja selle mõju evolutsioonile. Iga keskkonnaefektidest tekitatud kõrvalekalle genotüüp-fenotüüp raudkindlast korrelatsioonist sai „geneetilise” seletuse, kasutades näiteks selliseid termineid nagu „penetrantsus” ja „ekspressiivsus”. Nagu öeldud, oli selles Morgani ja järglaste ideede tugevus, mis kindlustas nende püsimise kogu XX sajandiks, aga ka nõrkus, mille tõsise kriitikani on jõudnud eksperimentaalteadus XXI sajandi alguseks.

***

Thomas Hunt Morgan sündis 25. septembril 1866. aastal USA Kentucky osariigis Lexingtonis. Bakalaureusekraadi omandas ta Kentucky ülikoolis (1886), seejärel oli kraadiõppes Johns Hopkinsi ülikoolis, kus ta õppis W. K. Brooksi juures morfoloogiat ning H. Newell Martini juures füsioloogiat.

Juba lapsena ilmnes tema huvi loodusteaduse vastu: kümneaastasena kogus ta kodukandi linde, nende mune ja fossiilseid organisme. 1887. aastal, aasta pärast ülikooli lõpetamist töötas ta Alphaeus Hyatti mereuurimislaboris. Järgmise suve veetis ta USA kalanduskomisjoni uurimistööga Woods Hole’is, paar aastat hiljem sealsamas merebioloogia laboratooriumis (MBL).

1890. aastal omandas Morgan Johns Hopkinsi ülikooli doktorikraadi, misjärel läks tänu Adam Bruce’i stipendiumile Euroopasse. Ta töötas korduvalt Napolis merezooloogia laboratooriumis, kus kohtas ka oma hilisemat head kolleegi Hans Drieschi. Ilmselt just viimase mõjul hakkas Morgan üha enam mõtlema eksperimentaalse embrüoloogia peale, vastandades seda varasemale kirjeldavale embrüoloogiale.

Aastail 1891–1904 oli ta dotsent (associate professor) Bryn Mawri naistekolledžis ning seejärel valiti ta Columbia ülikooli (New York) eksperimentaalzooloogia professoriks. 1928. aastal sai ta koha Pasadenas California ülikooli tehnoloogiainstituudi (Caltech) bioloogiaprofessori ja G. Kerkhoffi labori direktorina, kus ta töötas kuni 1945. aastani. Veel hilises eas töötas ta oma eralaboris Corona del Maris (California).

***

Kui Morgan saabus 1904. aastal Columbia ülikooli, suhtles ta tihedalt oma kauaaegse sõbra ja kolleegi Edwin Wilsoniga, kes oli zooloogia osakonna juhataja ja tolle aja väljapaistvamaid tsütolooge. Morgan suutis köita erakordselt andekaid üliõpilasi: A. H. Sturtevant, C. B. Bridges ja H. J. Muller (Nobeli auhind 1946. aastal avastuse eest, et röntgenkiirgus tekitab mutatsioone). Töötades puuviljakärbestega Columbia ülikooli „kärbselaboris” (fly room) seadsid nad kahtluse alla mitmeid seni kehtinud dogmasid ning suutsid avastada olulisi senitundmatuid geneetika seaduspärasusi. Morgan oli väga skeptiline formalistliku geneetika suhtes, mis valitses alates Mendeli tööde taasavastamisest 1901. aastal. Ta lausa naeruvääristas ristamiskatsete seletusi, mis postuleerisid üha enam ja enam uusi pärilikkusefaktoreid, saamata sammugi lähemale nende faktorite füüsikalisele olemusele. XX sajandi alguse levinud arvamuseks oli, et kromosoomid ei saa olla geneetilise informatsiooni kandjaks. Kontrollimaks seda väidet valis Morgan oma eksperimentide mudelliigiks puuviljakärbse, kuna sel on lühike reproduktsioonitsükkel (12 päeva), ta on väga viljakas ning neid on lihtne (ja üsna odav) kasvatada. Isaseid ja emaseid järglasi on väga lihtne eristada, ning kuna embrüonaalne areng toimub kehaväliselt, on ka lihtne jälgida erinevate mutatsioonide mõju fenotüüpsetele tunnustele. Algul uuriti kärbseid tavaliste läätsedega, hiljem konstrueeris Bridges stereomikroskoobi. Samuti oli Bridgesi leiutiseks standardne agaril põhinev kasvukeskkond – enne seda kasvatati kärbseid lihtsalt banaanidel. Bridges koostas ka mutantide kollektsiooni ja kõigi mutatsioonide kaardid – need olid esialgu nn rekombinatsioonikaardid (vt allpool). Ent hiljem, juba Caltechi perioodil, koostas Bridges ka esimese kromosoomi füüsilise kaardi. Selleks kasutas ta Drosophila larvistaadiumi süljenäärmetes esinevaid hiiglaslikke paljuahelalisi kromosoome, mida oli varem iseloomustanud Theophilus Painter. Selliseid hiidsuuri kromosoome on lihtne suure detailsusastmega mikroskoobi all vaadelda ning tänu iseloomulikele triipudele suutis Bridges kirjeldada 1024 erinevat subregiooni X-kromosoomil.

Morgani eesmärgiks sai 1907. aastal paljundada järjest uusi kärbseid ning leida mõni detekteeritav mutatsioon, mida hiljaaegu oli taimedel kirjeldanud taani bioloog Hugo de Vries. Algus oli üsna edutu: kahe aastaga ei saanud ta mingit tulemust. Ent 1910. aastal hakkas asi arenema. Esimeseks väärtuslikuks leiuks oli isase kärbse mutatsioon valgesilmne kärbes (white-eyed fly) – kärbse normaalne silmavärv on punane. Muide, just Morgan alustas traditsiooni, mis kestab senini ja tekitab aeg-ajalt tõsist segadust: geeni nimetatakse selle järgi, millist tunnust tekitab tema muteerimine (näiteks „valge silmavärvi geen”).

Morgani jaoks oli mutatsiooni leidmise tähtsus ilmselge: nüüd oli võimalik uurida, mis määrab ära silma värvuse. Ta ristas mutantse isase normaalse (punasesilmse) õega ning avastas, et valge silmavärv kandub edasi iseäralikul moel. Esimeses õdede-vendade järglaste põlvkonnas (F1) olid ainult punasesilmsed järglased, mistõttu oli selge, et punane värv on dominantne ja valge retsessiivne. Omakorda selle põlvkonna õdede-vendade ristamine (F2) andis tulemuse, et kolme punasilmse järglase kohta oli üks valgesilmne järglane – just nagu võiski eeldada mendellikust (retsessiivsest) pärilikkusest. Siis aga tuli üllatus. Ta eeldas, et F2 isaste ja emaste hulgas võiks olla võrdne arv valgete silmadega mutante, kuid see eeldus osutus valeks: kõik emased olid punaste silmadega ning valgete silmadega oli vaid üks osa isastest kärbestest. Oli selge, et valge silmavärv ei ole mitte ainult retsessiivne tunnus, vaid see on kuidagiviisi seotud ka kärbse sooga. Mõne aja pärast detekteeris ta kaks uut mutatsiooni, mis samuti olid seotud kärbse sooga – „rudimentaarsed tiivad” ja „kollane keha värvus”. See kinnitas veelgi Morgani arvamust, et kõik need kolm geeni asuvad ühel kromosoomil (nagu öeldud, on puuviljakärbsel neid neli paari) ja see kromosoom on sugukromosoom.

1910. aastaks oli juba teada, et kromosoomid esinevad paaridena ning juba mitukümmend aastat oli neid mikroskoobi abil kirjeldatud. Ent keegi ei teadnud, mis funktsioone kromosoomid kannavad. Kui Morgan vaatas mikroskoobis puuviljakärbse kromosoome, siis oli kohe selge, et mitte kõik neist ei ole sarnased. Emastel kärbestel oli kaks sarnast X-kromosoomi, aga isaste ainus X oli paaris hoopis Y-kromosoomiga, mis nägi erinev välja ja esineski ainult isastel. Morgan järeldas, et isased pärivad X-kromosoomi oma emalt ja Y-kromosoomi isalt ning täheldas kohe korrelatsiooni selliste sugukromosoomide ja silma värvi määravate „faktorite” käitumise vahel. Kui ema oli homosügootne ja tal oli kaks koopiat punaste silmade geene, siis olid ka tema isastel järglastel silmad alati punased, seda isegi juhul, kui vastavate järglaste isadel olid valged silmad. Kui aga emal olid valged silmad, siis olid valged ka tema isaste järglaste silmad – ka siis, kui nende isad olid punasilmsed. Ent kui emane kärbes saab ühe X-kromosoomi isalt ja teise emalt ja kas või üks neist kannab dominantset punasilmsuse geeni, siis on järglastel igal juhul punased silmad. Retsessiivne tunnus – valged silmad – avaldub emasel kärbsel vaid siis, kui ta on mõlemalt vanemalt saanud mutantse valgesilmsuse geeni. Neist tulemustest järeldas Morgan, et alleel, mis põhjustab silmade värvi, asub sugukromosoomis X. See oli esimene seos konkreetse kromosoomi ja indiviidi tunnuse vahel ning esimene suguliitelise pärilikkuse olemasolu tõestus.

Need tööd, mille Morgan avaldas aastatel 1910–1911, võttis ta kokku kolme järeldusena: 1) geenid peavad asuma kromosoomides; 2) iga geen asub mingis kindlas kromosoomis ja 3) silmade värvust määrav geen peab asuma sugukromosoomis, kusjuures valge silma lookus on (mutantne) Y-kromosoomis ja punase silma lookus asub X-kromosoomis. See moodustas Morgani kõige tähtsama teadusliku idee: pärilikkuse kromosomaalse teooria. Ta pakkus välja, et kõik kromosoomid sisaldavad väikeste ühikute kollektsioone, mida ta nimetas geenideks (laenates selle sõna taani botaanikult ja füsioloogilt Wilhelm Johannsenilt, kes oli just Columbia ülikoolis 1909. aastal loenguid pidanud). Need ühikud asuvad kromosoomides kindlates kohtades.

Teine põhimõtteline läbimurre, milleni Morgan jõudis 1911. aastal, oli kromosoomide rekombinatsiooni avastamine. Kuna kromosoomid olid järjestikku asuvate geenide komplektid, siis oli loogiline, et ühel kromosoomil asuvate geenide mutatsioonid pärandusid üheskoos – kui järglasel esines üks mutatsioon, siis oli tal üldjuhul olemas ka teine sama kromosoomi mutatsioon. Ometigi ei olnud see alati nii – mõnedel juhtudel hakkasid sellised ühele kromosoomile „aheldatud” tunnused ka lahknema – päranduma üksteisest sõltumatult. See viis Morgani järeldusele, et kaks paarilist kromosoomi võivad teatud juhtudel geene vahetada (crossingover). Edasi järeldas ta, et sellise rekombinatsiooni sagedus on kromosoomis asuvate geenide vahelise kauguse funktsioon – mida kaugemal nad üksteisest on, seda tõenäosem on nende lahknemine rekombinatsiooni protsessis. Ja vastupidi, mida lähemal geenid üksteisele asuvad, seda tõenäolisem on nende üheskoos kandumine järgmisse põlvkonda.

Morgani õpilane Alfred Henry Sturtevant tuli samal aastal mõttele, et sellise korrelatsiooni alusel saab määrata geenide suhtelisi kaugusi üksteisest. Hiljem on Sturtevant ise kirjeldanud, kuidas ta veetis terve öö, moodustades selleks ajaks teada oleva viie suguliitelise mutatsiooni põhjal vastavate geenide kaarti – esimest kromosoomikaarti. Geenide suhtelise kauguse ühikuks sai muidugi üks Morgan. Just see Morgani laborist pärit 19-aastase tudengi Sturtevanti idee – et geenid asuvad kromosoomis teatud vahemaadega üksteise järel justkui pärlid kees – pani aluse kontseptsioonile, mille järgi saab inimese haiguste geene leida aheldumisanalüüsiga ning genoomide kaardistamisega. XX sajandi lõpuks jõudis see idee oma hiilgefaasi.

Morganist kirjutades iseloomustavad pea kõik elulookirjutajad teda väga hea suhtlejana, nii teadlaste ringis kui ka kaugel väljaspool. Seetõttu oli ta väga edukas leidmaks tolle aja andekamaid üliõpilasi oma laborisse, ent ka hiljem Caltechis bioloogiaosakonna juhina, kus suutis geneetika finantseerimise (algul eraannetajate, hiljem ka riigi poolt) viia enneolematule tasemele. Koos Morganiga saabusid Caltechi Sturtevant, Bridges ja ka Theodosius Dobzhanski, hilisem evolutsioonibioloog ja modernse sünteesi teooria loomise võtmefiguure. Mitmed tolleaegsed Morgani õpilased on meenutanud Morgani loodud erakordselt viljakat ja inspireerivat tööõhkkonda laboris. Lewis kirjutab, et lisaks tuntud teadlastele – tulevastele nobelistidele (J. Monod, B. McClintock) külastas Morganit ka näiteks kirjanik H. G. Wells.

Kasutatud allikad:
K. R. Benson (2001). T. H. Morgan’s resistance to the chromosome theory. Nat Rev Genet. Jun;2(6):469-74. Nobeli preemiate veebisait http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1933/morgan-bio.html
E. B. Lewis (1998). Thomas Hunt Morgan and his legacy. http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/articles/lewis/index.html
A. H. Sturtevant (1965). A history of genetics. Harper and Rowe, New York, pp. 1-165.
E. R. Kandel (1999). Thomas Hunt Morgan at Columbia University. Genes, Chromosomes, and the Origins of Modern Biology http://www.columbia.edu/cu/alumni/Magazine/Morgan/morgan.html
S. F. Gilbert and D. Epel (2009). Ecological Developmental Biology. Integrating Epigenetics, Medicine and Evolution. Sinauer Associates Inc., pp. 1-480.

Kui sulle meeldis see postitus jaga seda oma sõpradega

[LoginRadius_Share]
 

Leia veel huvitavat lugemist

Värske Rõhk
Hea laps
LR
Keel ja kirjandus
Akadeemia
Kunstel
Muusika
Õpetajate leht
Täheke
TeaterMuusikaKino
Vikerkaar
Looming