Рассмотрите рисунки 5-9. Из каких частей состоят такие биологические системы, как клетка, орга низм, сообщество организмов? Вспомните, какие химические соединения входят в состав организмов.
Рис. 5. Молекулярно-генетический уровень
Окружающая нас живая природа представляет собой биологические системы разных уровней организации и сложности. По наличию специфических структурно-функциональных единиц жизни и процессов, происходящих с ними, можно выделить шесть основных уровней живой природы: молекулярно-генетический, органоид-но-клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный (рис. 5-10).
Любая биологическая система всегда состоит из молекул нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов, а также других соединений. Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни является ген - участок молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), несущий наследственную информацию о структуре одного белка.
На молекулярно-генетическом уровне протекают важнейшие процессы жизнедеятельности - кодирование, передача и реализация наследственной информации. На этом же уровне организации жизни осуществляется процесс изменения наследственной информации.
Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни служит клетка. Из клеток и межклеточного вещества состоят ткани, а ткани образуют органы и системы органов. Отдельная клетка состоит из органоидов - внутриклеточных структур, образованных молекулами органических и неорганических веществ.
Рис. 6. Органоидно-клеточный уровень
На органоидно-клеточном уровне протекают важнейшие процессы жизнедеятельности: обмен веществ и превращение энергии в клетке, ее рост, развитие и деление. Следует подчеркнуть, что клетка, которая может выступать и как целостный организм, т. е. самостоятельная и автономная живая система.
Структурно-функциональная единица этого уровня организации жизни - организм. Он может быть одноклеточным, многоклеточным, или представлять из себя колонию.
На организменном уровне протекают процессы жизнедеятельности, обеспечивающие существование каждой особи как самостоятельной живой системы - питание, дыхание, выделение, размножение, рост, развитие и др. Целостность этой системы, т. е. организма, поддерживается взаимосвязью образующих его частей, выполняющих различные функции.
На этом же уровне организации жизни происходит реализация генетической программы организма и его самовоспроизведение. Взаимодействие со средой приводит к появлению у организмов изменчивости. Размножение организмов, осуществляющееся разными путями, обеспечивает не только самовоспроизведение жизни на этом уровне, но и комбинирует признаки родительских особей, участвовавших в размножении, в соответствии с законами наследственности.
Структурно-функциональной единицей этого уровня организации жизни служит вид организма, представленный в природе живущими на определенной территории особями, связанными родственными связями - популяциями. В популяциях на основе наследственной изменчивости выживают наиболее приспособленные особи, обладающие полезными при определенных условиях признаками. От этих особей постепенно в ходе исторического развития органического мира образуются новые виды организмов, т. е. происходит видообразование.
Рис. 7. Организменный уровень
Популяции разных видов растений, животных, грибов и микроорганизмов вместе с условиями неживой среды, например светом, влагой, воздухом, образуют биогеоценоз. В нем между живыми организмами и неживой природой устанавливаются различные взаимосвязи. В результате изменений, вызванных деятельностью живых организмов или влиянием неживой природы, постепенно одни биогеоценозы превращаются в другие, т. е. происходят их развитие и смена.
Рис. 8. Популяционно-видовой уровень
Все биогеоценозы нашей планеты образуют - биосферу, т. е. оболочку Земли, населенную и активно преобразуемую организмами. В ней происходят глобальные биогеохимические циклы (круговороты веществ и потоки энергии), а также изменения, связанные с эволюцией живой природы и вызванные деятельностью человека.
Рис. 9. Биогеоценотический уровень
Таким образом, жизнь на нашей планете представляет собой открытые для веществ, энергии и информации саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы различного ранга (ген, клетка, организм, вид, популяция, биогеоценоз, биосфера), объединенные происходящими в них процессами жизнедеятельности и развития.
Рис. 10. Биосферный уровень
Жизнь является многоуровневой системой (от греч. система - объединение, совокупность). Выделяют такие основные уровни организации живого: молекулярный, клеточный, органно-тканевой, организменный, популяционно-видовой, экосистемный, биосферный. Все уровни тесно связаны между собой и возникают один из другого, что свидетельствует о целостности живой природы.
Молекулярный уровень организации живого
Это единство химического состава (биополимеры: белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты), химических реакций. С этого уровня начинаются процессы жизнедеятельности организма: энергетический, пластический и прочие обмены, изменение и реализация генетической информации.
Клеточный уровень организации живого. Животная клетка
Клетка является элементарной структурной единицей живого. Это единица развития всех живых организмов, живущих на Земле. В каждой клетке происходят процессы обмена веществ, преобразования энергии, обеспечивается сохранение, преобразование и передача генетической информации.
Каждая клетка состоит из клеточных структур, органелл, которые выполняют определенные функции, поэтому возможно выделить субклеточный уровень .
Органно-тканевой уровень организации живого. Эпителиальные ткани, соединительные ткани, мышечные ткани и нервные клетки
Клетки многоклеточных организмов, которые выполняют подобные функции, имеют одинаковое строение, происхождение, объединяются в ткани. Различают несколько типов тканей, которые имеют отличия в строении и выполняют разные функции (тканевой уровень).
Ткани в разном соединении образуют разные органы, которые имеют определенное строение и выполняют определенные функции (органный уровень).
Органы объединяются в системы органов (системный уровень).
Организменный уровень организации живого
Ткани объединяются в органы, системы органов и функционируют как единое целое - организм. Элементарной единицей этого уровня является особь, которая рассматривается в развитии от момента зарождения до конца существования как единая живая система.
Популяционно-видовой уровень организации живого
Совокупность организмов (особей) одного вида, имеющего общее место обитания, образует популяции. Популяция является элементарной единицей вида и эволюции, так как в ней происходят элементарные эволюционные процессы, этот и следующие уровни - надорганизменные.
Экосистемный уровень организации живого
Совокупность организмов разных видов и уровней организации образует этот уровень. Здесь можно выделить биоценотический и биогеоценотический уровни.
Популяции разных видов взаимодействуют между собой, образуют многовидовые группировки (биоценотический уровень).
Взаимодействие биоценозов с климатическими и другими небиологическими факторами (рельефом, почвой, соленостью и т. п.) приводит к образованию биогеоценозов (биогеоценотический). В биогеоценозах происходит поток энергии между популяциями разных видов и круговорот веществ между его неживой и живой частями.
Биосферный уровень организации живого. 1 – молекулярный; 2 – клеточный; 3 – организменный; 4 – популяционно-видовой; 5 – биогеоценотический; 6 – биосферный
Представлен частью оболочек Земли, где существует жизнь, - биосферой. Биосфера состоит из совокупности биогеоценозов, функционирует как единая целостная система.
Не всегда можно выделить весь перечисленный набор уровней. Например, у одноклеточных клеточный и организменный уровни совпадают, а органно-тканевой уровень отсутствует. Иногда можно выделить дополнительные уровни, например, субклеточный, тканевой, органный, системный.
Уровни организации живых систем отражают соподчиненность, иерархичность структурной организации жизни; отличаются друг от друга сложностью организации системы (клетка устроена проще по сравнению с многоклеточным организмом или популяцией).
Уровень жизни – это форма и способ ее существования (вирус существует в виде молекулы ДНК или РНК, заключенной в белковую оболочку – форма существования вируса. Однако свойства живой системы вирус проявляет, только попав в клетку другого организма, где он размножается – способ его существования).
Уровни организации |
Биологи-ческая система |
Компоненты, образующие систему |
Основные процессы |
|
1. |
Молекула |
Отдельные биополимеры (ДНК, РНК, белки, липиды, углеводы и др.); |
На этом уровне жизни изучаются явления, связанные с изменениями (мутациями) и воспроизведением генетического материала, обменом веществ. |
|
2. |
Комплексы молекул химических соединений и органоиды клетки |
Синтез специфических органических веществ; регуляция химических реакций; деление клеток; вовлечение химических элементов Земли и энергии Солнца в биосистемы |
|
|
3. |
Клетки и межклеточное вещество |
Обмен веществ; раздражимость |
|
|
4. |
Ткани разных типов |
Пищеварение; газообмен; транспорт веществ; движение и др. |
|
|
5. Организменный |
Организм |
Системы органов |
Обмен веществ; раздражимость; размножение; онтогенез. Нервно-гуморальная регуляция процессов жизнедеятельности. Обеспечение гармоничного соответствия организма его среде обитания |
|
6. Популяционно-видовой |
Популяция |
Группы родственных особей, объединенных определенным генофондом и специфическим взаимо-действием с окружающей средой |
Генетическое своеобразие; взаимодействие между особями и популяциями; накопление элементарных эволюционных преобразований; выработка адаптации к меняющимся условиям среды |
|
7. |
Биогеоценоз |
Популяции разных видов; факторы среды; пространство с комплексом условий среды обитания |
Биологический круговорот веществ и поток энергии, поддерживающие жизнь; подвижное равновесие между живым населением и абиотической средой; обеспечение живого населения условиями обитания и ресурсами |
|
8. |
Биосфера |
Биогеоценозы и антропогенное воздействие |
Активное взаимодействие живого и неживого (косного) вещества планеты; биологический глобальный круговорот; активное биогеохимическое участие человека во всех процессах биосферы |
А1. Уровень, на котором изучаются процессы биогенной миграции атомов, называется:
1) биогеоценотический
2) биосферный
3) популяционно-видовой
4) молекулярно-генетический
А2. На популяционно-видовом уровне изучают:
1) мутации генов
2) взаимосвязи организмов одного вида
3) системы органов
4) процессы обмена веществ в организме
А3. Поддержание относительного постоянства химического состава организма называется
1) метаболизм
2) ассимиляция
3) гомеостаз
4) адаптация
А4. Возникновение мутаций связано с таким свойством организма, как
1) наследственность
2) изменчивость
3) раздражимость
4) самовоспроизведение
А5. Какая из перечисленных биологических систем образует наиболее высокий уровень жизни?
1) клетка амебы
2) вирус оспы
3) стадо оленей
4) природный заповедник
А6. Отдергивание руки от горячего предмета – это пример
1) раздражимости
2) способности к адаптациям
3) наследования признаков от родителей
4) саморегуляции
А7. Фотосинтез, биосинтез белков – это примеры
1) пластического обмена веществ
2) энергетического обмена веществ
3) питания и дыхания
4) гомеостаза
А8. Какой из терминов является синонимом понятия «обмен веществ»?
1) анаболизм
2) катаболизм
3) ассимиляция
4) метаболизм
В1. Выберите процессы, изучаемые на молекулярно-генетическом уровне жизни:
1) репликация ДНК
2) наследование болезни Дауна
3) ферментативные реакции
4) строение митохондрий
5) структура клеточной мембраны
6) кровообращение
В2. Соотнесите характер адаптации организмов с условиями, к которым они вырабатывались
С1. Какие приспособления растений обеспечивают им размножение и расселение?
С2. Что общего и в чем заключаются различия между разными уровнями организации жизни?
В ХХ веке установили пять уровней организации жизни: молекулярно–генетический, онтогенетический, популярно–видовой, экосистемный и биосферный.Выяснения феномена жизни на каждом уровне является один из основных задач биологии.
Молекулярно–генетический уровень – это уровень организации живых систем, состоящий из белков и нуклеиновых кислот. На этом уровне элементарной единицей организма являются гены. Здесь биология изучает механизмы передачи генной информации, наследственности и изменчивости.
В живых организмах наиболее распространены шесть химических элементов-органогенов : углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера. С участием этих элементов, в ходе химической эволюции возникли гигантские биополимеры : углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Эти макромолекулы являются основой живых организмов. Мономерами этих макромолекул являются: моносахариды, аминокислоты, жирная кислота и нуклеотиды.
Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными » макромолекулами, т.к. их свойства зависят от последовательности соединения 20 аминокислот и 4 нуклеотидов. Углеводы и липиды играют роль резерва энергии и строительного материала. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.
Генетическаяинформация организма хранится в ДНК. Она контролирует почти все биологические процессы, протекающие в организме. Белки и нуклеиновые кислоты обладают свойством молекулярной асимметрии (молекулярной хиральностью). Хиральность (греч. cheir – рука) проявляется в том, что белки вращают плоскость поляризации света влево , а нуклеиновые кислоты – вправо . Хиральность заключается в их асимметрии со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, отсюда берется название.
Молекулы ДНК вместе с белками образуют вещество хромосом. Доказательство генетической роли ДНК было получено, в 1944 г., ученым О. Эйвери, в опыте на бактериях. В 1953 г., американский биохимик Джеймс Уотсон и английский биофизик Френсис Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Они показали, что ДНК состоит из двух нитей, закрученных в двойную спираль. ДНК содержит 10 ÷ 25 тысяч нуклеотидов, а РНК – от 4 до 6 тысяч.
В 1941 г., американские ученые Дж. Бидл и Э. Теймут установили, что синтез белков зависит от состояния генов ДНК. Ген – участок молекулыДНК, состоящий из сотни нуклеотидов. Тогда появились высказывания: один ген – один белок. Всю совокупность генов организма называют геномом . Число генов в организме человека составляет около 50 ÷ 100 тысяч , а весь геном человека содержит более 3 миллиардов нуклеотидных пар . Гены кодируют синтез белков.
В 1954г физик-теоретик Георгий Гамов расшифровал генетический код. Он установил, что для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Оно является элементарной единицей наследственности, кодирующей одну аминокислоту, и получило название кодон (триплет). В 1961 г. гипотеза Гамова была на опыте, подтверждена Криком.
Клеточный органоид рибосома «читает » информацию, содержащуюся в и-РНК, и в соответствии с ним синтезирует белок . Кодоны – триплеты состоят из трех нуклеотидов, например, АЦГ, АГЦ, ГГГ и другие. Полное число таких триплетов составляет 64. Из них три триплета являются стоп-сигналами, а 61 триплет кодирует 20 аминокислот. Белок, состоящий из 200 аминокислот, кодируется 200 кодонами, т.е. 600 нуклеотидами в и-РНК, и 600 парами нуклеотидов в ДНК. Это и есть размер одного гена. Информация в ДНК пишется, при помощи нуклеотидов, в виде: А-Ц-А-Т-Т-Г-А-Г-А-Т-∙∙∙∙∙∙. В таком тексте содержится информация, определяющая специфику каждого организма.
Генетический код универсален, т.к. одинаков для всех живых организмов. Это свидетельствует о биохимическом единстве жизни, т.е. происхождении жизни на Земле от единого предка. Генетический код уникален , т.к. он кодирует только одну аминокислоту.
Это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, являющихся началом основных процессов жизнедеятельности. На этом уровне элементарными структурными единицами являются гены. Наследственная информация у всех живых организмов заложена в молекулах ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем что с молекулярными структурами связаны хранение, изменение и реализация наследственной информации, этот уровень иногда называют молекулярно-генетическим.
Биохимические основы жизни. Для того чтобы решать свои задачи, биология должна была прежде всего определить биохимический состав живой материи. Многочисленные исследования установили, что для нормального жизненного цикла любому организму необходим определенный набор основных химических элементов. Этот набор включает в себя три группы элементов: органогены, макроэлементы и микроэлементы. К органогенам относятся четыре элемента - углерод, кислород, азот и водород. Эти элементы составляют основную массу органического вещества клетки (95-99%). К макроэлементам относят фосфор и серу, количество которых в клетке колеблется от десятых до сотых долей процента. Микроэлементами называют такие элементы, которые присутствуют в живых тканях в очень малых концентрациях (0,0001%). Эту группу составляют марганец, железо, кобальт, медь, цинк, ванадий, бор, алюминий, кремний, молибден, йод. Таким образом, для нормальной жизнедеятельности живая клетка нуждается в 22 природных химических элементах, каждый из которых имеет свое назначение.
Основными органическими веществами клетки являются углеводы, липиды, аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты. К углеводам относят соединения углерода, которые подразделяют на три группы сахаридов. Углеводы играют важную роль в жизни организмов: они являются компонентом соединительной ткани позвоночных животных, обеспечивают свертывание крови, восстановление поврежденных тканей, образуют стенки растений, бактерий, грибов и т.д.
Липиды - разнообразные группы водоотталкивающих соединений, их большая часть представляет собой сложные эфиры трехатомного спирта, глицерина и жирных кислот, т.е. жиры. Жиры служат источником энергии и воды для клетки и организма в целом. Кроме того, они участвуют в терморегуляции организма, создавая теплоизолирующий жировой слой. Другие виды липидов выполняют защитную функцию, входя в состав наружного скелета насекомых, покрывая перья и шерсть.
Аминокислотами называют соединения, имеющие в своем составе карбоксильную группу и аминогруппу. Всего в природе встречается более 170 аминокислот. В клетках они выполняют функцию строительного материала для белков. Однако в составе белков насчитывается только 20 аминокислот, большинство их производится растениями и микроорганизмами. Однако у некоторых животных отсутствует часть ферментов, необходимых для синтеза аминокислот, поэтому они должны получать некоторые аминокислоты с пищей. Такие кислоты называются незаменимыми. Для человека восемь кислот незаменимы, а еще четыре заменимы условно. Важнейшим свойством аминокислот является их способность вступать в реакцию полконденсации с образованием полимерных цепей - полипептидов и белков.
Белки - главный строительный материал для клетки. Они представляют собой сложные биополимеры, элементами которых выступают мономерные цепи, состоящие из различных сочетаний 20 аминокислот. В живой клетке белков больше, чем других органических соединений (до 50% сухой массы).
Большинство белков выполняют функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Также белки играют роль переносчиков: например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения - результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Существуют белки-антитела, функцией которых является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, которые называются гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.
Процессы жизнедеятельности живых организмов определяются взаимодействием двух видов макромолекул - белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК. Она служит для зарождения следующего поколения и производства белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нуклеиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам.
Белки и нуклеиновые кислоты обладают одним важным свойством - молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто в 1940- 1960-е гг. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения - солей виноградной кислоты. В своих опытах Л. Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, являются оптически активными. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов из веществ небиологического происхождения это свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.
Нуклеиновые кислоты - сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (полинуклеотиды). Существуют два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро) получили из- за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже обнаружилось, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах.
В середине XX в. американский биохимик Д. Уотсон и английский биофизик Ф. Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой. Ее структура напоминает винтовую лестницу, ступеньками которой служат пары азотистых оснований, скрепленных слабыми водородными связями. Каждая ступенька обязательно содержит одно малое основание.
Второй тип нуклеиновых кислот - РНК - отличается от ДНК составом сахара и несколько иным набором азотистых оснований: в РНК входит рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу). Это различие не велико и касается только одной гидроксильной группы.
В 1960-х годах Д. Уотсон и Ф. Крик предложили гипотезу о генетической роли ДНК, согласно которой спираль ДНК расплетается на две одиночные цепи, а затем из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, вдоль каждой цепи формируется еще одна цепь в соответствии с правилами соединений в пары.
Основная функция ДНК - кодирование наследственной информации, в первую очередь состава и структуры белков. Участок ДНК, несущий информацию об одной полимерной цепи, называется геном. Последовательность аминокислот в белках записана в ДНК триплетным кодом.
Система записи информации о последовательности расположения аминокислот в белках с помощью последовательности расположения нуклеотидов в ДНК образует генетический код. В качестве его особых характеристик обычно выделяют следующие: триплетность (каждая аминокислота шифруется тремя нуклеотидами), вырожденность (каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном, однозначность (каждый кодон шифрует только одну аминокислоту), универсальность (этот код одинаков для всех организмов на Земле). На основе этого была установлена прямая связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: «Один ген - один белок». Позже выяснилось, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе о том, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, каким образом всего четыре основания кодируют порядок расположения в молекулах белка целых 20 аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г.А. Гамов в середине 1950-х гг.
В живой клетке имеются органеллы - рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).
Генетический код всего живого - будь то растение, животное или бактерия - одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, о происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.
Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.
Репликация - это удвоение молекул ДНК, необходимое для последующего деления клеток. Основой репликации является уникальное свойство ДНК самокопироваться, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплиментарной к ней. При этом азотное основание Т в новой цепи располагается против основания А в старой и т.д. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, вторая - новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме - мутациям. Этот процесс можно сравнить с печатанием фотокарточек. Так как каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, все клетки организма имеют одинаковый набор генов.
Транскрипция - перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК. Информационная РНК - копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков.
Трансляция - синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки - рибосомах, куда транспортная РНК доставляет аминокислоты.
В конце 1950-х гг. русскими и французскими учеными одновременно была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК для разных организмов имеют специфический для видов характер. Эта гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.
Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них являются уже упоминавшийся механизм мутации генов - непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не меняется.
Еще один механизм изменчивости - рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. В этом случае сами гены не меняются; они перемещаются с одного участка хромосомы на другой, либо идет обмен генами между двумя хромосомами. Такой процесс имеет место при половом размножении у высших организмов, когда не происходит изменение общего объема генетической информации и он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей: они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.
В 1950-е годы был открыт другой механизм изменчивости. Это - неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего эти элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них - плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание к этим лекарствам, и они перестают действовать. Патогенные бактерии, против которых действует лекарство, связываются с плазмидами, которые придают этим бактериям устойчивость к лекарству, и бактерии перестают его замечать.
Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки - генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. При этом конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов, с помощью генетических и биохимических методов. Для этого видоизменяется ДНК, которая кодируется для производства белка с нужными свойствами. На этом базируются все современные биотехнологии.
С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин - белок для лечения диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.
Сегодня в генной инженерии рассматривается вопрос о продолжении жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. Для этого можно увеличить защитные ферментные функции клетки, оберегать молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученым удалось открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. В опытах с мышами было получено увеличение продолжительности их жизни.
Также ученым удалось установить, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры - особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество - полимераза - идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляя каждый раз недокопированный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации, - теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинается сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию. Это и есть процесс старения клеток. В 1997 году в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер. Для этого был использован вновь открытый клеточный фермент - теломераза, способствующий наращиванию теломер. При этом клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохраняя свои нормальные свойства и не превращаясь в раковые клетки.
В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования - точного воспроизведения того или иного живого объекта в определенном количестве копий. Для этого новый организм выращивается из соматической клетки. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.
Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования - рождение однояйцевых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. Тем не менее в феврале 1997 г. в лаборатории И. Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка Долли. Для этого у овцы шотландской черномордой породы извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы финской породы, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического удара. Затем развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным оказался лишь один - выросла овечка Долли.
После этого И. Вильмут заявил о принципиальной возможности клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии не только в научной литературе, но и в парламентах многих стран. Ведь такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие клонирование человека. Ведь большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что такие опыты аморальны и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида homo sapiens. То, что риск слишком велик, подтверждается информацией о заболевании овечки Долли в 2002 г. артритом - болезнью, нехарактерной для овец; вскоре ее пришлось усыпить.
Намного более перспективным направлением исследований является изучение генома (совокупности генов) человека. В 1988 году по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых разных стран в целях расшифровки всего генома человека. Это грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тыс., а весь геном - это более 3 млрд нуклеотидных пар. Проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта была составлена еще в 1992 г. Д. Коэном и Ж. Доссе. В окончательном варианте ее представил в 1996 г. Ж. Вайсенбах. Для этого он, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров отмечал ДНК различных ее участков, клонировал эти участки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагменты ДНК. Ученый выявлял последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, им было локализовано 223 гена и выявлено 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям, среди которых гипертония, диабет, глухота, слепота, злокачественные опухоли.
Результатами программы «геном человека», пусть и не законченной, стали возможность выявления генетической патологии на ранней стадии беременности, создание генотерапии - лечения наследственных болезней с помощью генов. Для этого выясняют, какой ген оказался дефектным, получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе можно получить раковую клетку. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены, каковы отдаленные последствия такого лечения.
Использование биотехнологий и генной инженерии имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских микробиологических обществ меморандум. Широкая общественность с недоверием относится к генным технологиям, опасаясь возможности появления генетической бомбы, способной исказить геном человека и привести к рождению уродов, неизвестных заболеваний и создания биологического оружия. В последнее время широко обсуждается внедрение трансгенных продуктов, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются приготовленные с помощью трансгенных микробов помидоры, кукуруза, хлеб, сыр и пиво. Такие продукты устойчивы по отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами - вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, прежде всего их воздействие на организм и геном человека.
За 20 лет использования биотехнологий не случилось ничего опасного для людей. Все новые созданные микроорганизмы менее болезнетворны, чем их исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность создания новых видов бактериологического оружия на основе генных технологий. Поэтому ученые должны учитывать этот риск и содействовать развитию системы надежного международного контроля, способного зафиксировать такие работы. Разработаны документы, регламентирующие применение генных технологий, правила безопасности в лабораториях и в промышленности, порядок внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду. Считается, что при соблюдении соответствующих правил польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.
