Лекция. 13. Антропосоциогенез.

Вторую группу составили гипотезы, основанные на идее голобиоза, т.е. первичности структуры типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ, при участии ферментов. Это доклеточный предок получил название коацерват (термин Г.Бунгенберг-де-Йонга).А.И.Опарин как сторонник первичного обмена веществ, протекающего в коацерватной системе, считал, что появление в ней нуклеиновых кислот есть завершение эволюции в итоге конкуренции протобионтов.

Согласно П.Деккеру, структурную основу предка биоида составляли «жизнеподобные неравновесные структуры, т.е. открытые микросистемы с активным ферментативным аппаратом, катализировавшим метаболизм биоида. А это значит, что он был подвержен дарвиновской эволюции благодаря переходам (мутациям) из одной стадии к другой, более устойчивой.

Главный аргумент против этой гипотезы – белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны и не могли появиться одновременно в ходе химической реакции, в связи с чем нереально их сосуществование в протобиологической системе.

По представлениям строгих эволюционистов, органические соединения произошли на Земле из неживого. Вначале возникли простейшие соединения:

2CO + 2H_{2 →} CH₄ + CO₂

CO₂ + 4H_{2 →} CH₄ + 2H₂O

N₂ + 3H_{2 →} 2NH₃

Они сформировали первичную восстановительную атмосферу, состоящую из H₂O, CH₄, NH₃, HCN, а затем CO и CO₂ (аммиак, метан, водород, вода, диоксид углерода). Соединения, обладающие восстановительными свойствами, легко вступают во взаимодействие не только между собой, но и с веществами-окислителями. Согласно теории академика А.И.Опарина, условия восстановительной атмосферы и послужили предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем – в атмосфере и протоокеане под влиянием электрических разрядов и интенсивного вулканизма.

Постепенно концентрация органических соединений увеличивалась и он становился «бульоном» из белковоподобных веществ – пептидов, нуклеиновых кислот и т.д. – коацерватом.

Его коацерватная теория абиогенного происхождения преджизненных форм получила широкую поддержку среди ученых.

В 1953 году аспиранты Чикагского университета Стенли Миллер и Гарольд Юри, воссоздав условия первичной атмосферы Земли – смеси метана, аммиака и водорода – и пропуская через нее мощные электрические разряды, получили аминокислоты, являющиеся строительными блоками белковых структур. Эти результаты произвели фурор в научном мире. Однако проблема происхождения жизни оказалась намного сложнее.

Из этих аминокислот удалось в опыте получить лишь мономеры, а для жизни необходимы полимеры. Кстати, экспериментальная установка до сих пор хранится в Сан Диего.

Можно также указать на ряд альтернативных концепций возникновения живого:

1) Кристиан де Дюв (Рокфеллеровский университет) особую роль в происхождении живого отводит соединениям серы – тиоэфирам, для синтеза которых требуются высокие температуры и кислая среда, т.е. условия, существующие вблизи геотермальных источников;

2) Джеймс Джинс считает, что жизнь – это плесень, возникающая на поверхности небесных тел. Как ни парадоксально это утверждение, оно было бы наиболее естественным объяснением возникновения жизни.

3) по гипотезе Эрвина Шрёдингера, анализирующего феномен жизни с позиции физики, жизнь препятствует вырождению материи во Вселенной, т.к. часть материи из бесструктурного состояния переходит в структурное, с понижением энтропии системы. Фотосинтез – прекрасная тому иллюстрация.

Обобщая можно сказать, что наметились два подхода к проблеме образования жизни на нашей планете:

Первый подход заключается в следующем: жизнь возникла на Земле из неживых (минерально-газовых) форм, следовательно, формирование живого – это направленный вектор эволюции от химической к биологической. Условиями абиогенного возникновения органических веществ были восстановительный характер атмосферы, богатые реакционные возможности углерода и других органогенов. Аргумент против этой гипотезы: отличие живого от неживого весьма резкое, поэтому абиогенное происхождение жизни – событие почти невероятное. Сама жизнь весьма неустойчивое образование, и легко переходит в неживое.

Второй подход заключается в том, что жизнь получила развитие на Земле, что означает: жизнь – это порождение космоса, а Земля лишь предоставила необходимые условия для ее развития.

Преджизненная основа – органические соединения – весьма устойчивое образование, способное выдерживать космические условия и преодолевать огромные расстояния. Следовательно, жизнь – это вселенский феномен.

Кстати, В.И.Вернадский разделял идею вечности жизни, но не в плане ее космического перераспределения между планетами, а в смысле неразрывности материи и жизни (они взаимосвязаны, между ними нет временного разрыва»).

Клетка как первоэлемент живого. Любая естественная наука оперирует понятием элемента, своего рода первокирпичиком в ее основании. В физике – это элементарные частицы, в химии – это атомы химических элементов, а в биологии таким первокирпичиком является клетка. Традиционные представления о структурном основании живого определяются в виде клетки Дж. Кендрью объявил клетку атомом в биологии. Именно она та минимальная система, обладающая всем комплексом свойств живого, включая генетическую информацию – основу эволюционного развития биосферы.

Клетки обнаружил в 18 веке Роберт Гук в куске пробки с помощью примитивного микроскопа: это были оболочки отмерших клеток, их одеревеневший каркас. В XIX в. биология клетки быстро развивалась. Этому способствовали крупные достижения в создании линз для микроскопов. Антони ван Левенгук, основоположник научной микроскопии, пользуясь линзами, дававшими увеличение в 270 раз, описал сперматозоиды человека, бактерии простейших, клетки крови.

В 1833 г. английский ботаник Роберт Браун открыл в клетках плотные округлые тельца и описал их. Он назвал их ядрами.

Эти наблюдения за клетками не сопровождались какими-либо существенными успехами в теоретическом отношении. Лишь в 1839 году ботаник Матиас Шлейден и зоолог Теодор Шванн, обобщив опытные данные, собственные и других ученых, сформулировали основы клеточной теории строения живых организмов. Основное ее положение состоит в том, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, идентичным по строению и функциям, что является свидетельством единства происхождения и развития всего живого. В 1855 г. немецкий врач Рудольф Вирхов приходит к выводу, что клетка может порождать подобную себе клетку. Новой ступенью развития теории клетки явилось знаменитое положение Вирхова: «Все клетки возникают только в результате деления существовавших ранее клеток». Следствием этой мысли в начале ХХ в.стало знаменитое утверждение Луи Пастера,что вне клеток жизни нет, при этом клетки образуются только от клеток. Иными словами, живое происходит только из живого, это и есть знаменитый принцип Пастера-Редди.

Структура и жизнедеятельность клетки. Клетка располагает всеми признаками живого (самовоспроизведением, саморегуляцией, информативностью и т.д.), в ней осуществляются процессы обмена веществ и превращение энергии.

На сегодняшнем этапе выделяется сложно-иерархическая организация клетки:

1. атомарный элементарный уровень;

2. мономолекулярный элементарный уровень;

3. компонентный уровень (полимолекулярный);

4. надмолекулярный, или субклеточный (уровень органелл клетки).

Основным составляющим клетки выступает белки, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, липиды, углеводы и т.д. Каждая клетка содержит ядро и цитоплазму и от внешней среды отделена мембраной, обеспечивающей взаимодействие клетки со средой, т.е. обмен веществом, энергией и информацией. Обмен, обеспечиваемый клеткой, называетсяметаболизмом. Метаболизм – важное свойство клетки. Клетки – уникальные преобразователи энергии, превращающие химическую энергию пищи, первоначально усваиваемую растениями как солнечную (фотосинтез) в форму, пригодную для усвоения ее организмами. Обмен веществ включает поставку в клетку исходных продуктов, получение из них энергии и белков и выведения из клеток отработанных шлаков и отходов.

Другим важнейшим свойством клетки является гомеостаз,поддержание устойчивости, стабильности и внутренней среды клетки.

Л.Пастер произвел настоящую революцию в структурном строении живого, обнаружив молекулярную дисимметрию, выразившуюся:

1. в оптической активности веществ биологического происхождения;

2. в факторах, вызывающих дисимметрию молекул.

Таким образом, структурой, обеспечивающей целостность биологического объекта, является структура на уровне пространственной организации вещества живых систем, т.е. асимметрия молекул, столь характерная для всех проявлений жизни.

Жизненный цикл клетки завершается либо ее делением, либо гибелью (отмиранием). Некоторые клетки отмирают через несколько дней через несколько дней после появления (например, клетки пищевода), другие существуют весь срок жизни организма (например, нервные клетки). Размеры клетки колеблются от 0,1 мкм до 155 мм. Организм содержит миллиарды клеток.

Например, у новорожденного их насчитывается до 2*10¹² штук).

Клетки выполняют самые различные функции: половые – служат для размножения, соматические – клетки тела и мышц, нервные – для реагирования. Формы клеток тоже разнообразны – от простых, овальных, до самых причудливых – паукообразных, звездоподобных и др.

Клетка имеет сложную химическую организацию: в ее составе до 70 химических элементов. Однако распределение их крайне неоднородно: около 98% от массы клетки приходится на кислород (75%), углерод (15%), водород (8%) и азот (до 3%). Эти элементы, а также сера и фосфор, являющимися необходимыми компонентами молекул биополимеров – белков и нуклеиновых кислот, называются биоэлементами. В небольшом количестве в состав клеток входят еще шесть элементов: калий, кальций, магний, натрий, железо и хлор, каждый из которых выполняет определенную функцию в клетках.

Формирование клеточных структур. Возникновению первых клеток предшествовал долгий этап их формирования. С точки зрения эволюционной теории, предопределившей развитие всего живого, клеткам предшествовали протобионты, представляющие собой первичную макромолекулярную систему. Согласно гипотезе русского ученого А.И.Опарина, которая была изложена в 1924 г. в его работе «Происхождение жизни», на первом этапе под воздействием высокой температуры, ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного электричества из простейших органических соединений образовались белки, жиры, углеводы и аминокислоты.

На втором этапе, смешиваясь в первичном «бульоне», поначалу разрозненные органические соединения образовали коацерватные капли – многомолекулярные комплексы. Коацерваты обладали способностью поглощать растворенные в воде вещества. В результате, внутренняя «начинка» коацервата либо вела к его распаду, либо к накоплению вещества, изменению его химического состава, повышающего устойчивость коацерватной капли. Достигнув определенных размеров, материнская капля распадалась на дочерние, которые продолжали расти или распадаться. Сохраняя и совершенствуя свой состав, капли приобретали способность поглощать вещества, которые обеспечивали их устойчивость, и выбрасывать продукты обмена.

Коацерваты уже обладают рядом свойств, которые объединяют их с простейшими живыми существами. Однако в отличие от живых существ коацерватные капли не способны к воспроизводству и саморепродукции, поэтому их нельзя отнести к биологическим системам. Эксперименты с коацерватами показали, что скорость, с которой они поглощают вещества из окружающей среды, может быть различна и зависит от химической организации и пространственной структуры каждой конкретной капли. Поэтому две разновидности коацерватов в одном и том же растворе будут вести себя по-разному. Данные эксперименты являются косвенным подтверждением того обстоятельства, что на этой стадии предбиологической эволюции вполне мог происходить отбор коацерватов в зависимости от характера их взаимодействия с окружающей средой.

Одну из версий перехода от предбиологической к биологической эволюции предлагает немецкий ученый М.Эйген. согласно его гипотезе возникновение жизни объясняется взаимодействием нуклеиновых кислот и протеинов. Нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации, а протеины служат катализаторами химических реакций. Нуклеиновые кислоты воспроизводят самих себя и передают информацию протеинам. Возникает замкнутая цепь – гиперцикл, в котором процессы химических реакций самоускоряются за счет присутствия катализаторов. В гиперциклах продукт реакции одновременно выступает и катализатором, и исходным реагентом. Подобные реакции называются автокаталитическими.

Другой теорией, в рамках которой можно объяснить переход от предбиологической эволюции к биологической, является синергетика. Закономерности, открытые синергетикой, позволяют прояснить механизмы возникновения органической материи из неорганической в терминах самоорганизации через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой.

Третий этап возникновения жизни связан с формированием у органических соединений способности к самовоспроизводству. Началом жизни следует считать возникновение стабильной самовоспроизводящееся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. Только после возникновения таких систем можно говорить о начале биологической эволюции.

В процессе длительной химической эволюции сохранялись лишь те капли, которые не утрачивали своей структуры, т.е. приобрели способность к самовоспроизведению. Это свойство неразрывно связано с каталитической активностью полипептидов или полинуклеотидов, из которых состояли капли. Полинуклеотиды способны связываться друг с другом, т.е. осуществлять неферментативный синтез дочерних нуклеотидных цепей. В то же время стабильность «удачных» комбинаций аминокислот в полипептидах может обеспечиваться лишь сохранением информации о них в нуклеиновых кислотах.

Связь белковых молекул и нуклеиновых кислот, в конце концов, привела к возникновению генетического кода, т.е. такой организации молекул ДНК, в которой последовательность нуклеотидов стала служить информацией для построения конкретной последовательности аминокислот в белках.

Дальнейшее усложнение обмена веществ в предбиологических структурах могло происходить только при условии разделения синтетических и энергетических процессов внутри коацервата, а также более прочной изоляции внутренней среды от внешних воздействий, которую могла осуществить только мембрана. Вокруг коацерватов возникли слои липидов (жиров), отделявших их от окружающей среды и обладавших способностью к избирательной проницаемости. Это предопределило дальнейшее направление химической эволюции – по пути формирования все более совершенных саморегулирующихся систем, вплоть до первых примитивно устроенных клеток, что положило начало уже биологической эволюции.

Отбор коацерватов и переход химической эволюции в биологическую происходил около 750 млн. лет, и в конце этого периода появились прокариоты – первые простейшие организмы, у которых ядерный центр не был окружен мембраной, а находился прямо в цитоплазме. Первые клеточные структуры появились значительно позже коацерватов – на это понадобилось около миллиарда лет. (А простейшие клеточные организмы были обнаружены в породах, имеющих возраст около 3 млрд. лет.)

Прокариоты были гетеротрофами, т.е. использовали в качестве источника питания готовые органические соединения, находящиеся в растворенном виде в водах первичного океана. Из-за отсутствия в атмосфере Земли свободного кислорода они имели анаэробный (бескислородный) тип дыхания, эффективность которого была невелика, но зато прокариоты были практически бессмертны.

Возрастание количества гетеротрофов постепенно приводило к истощению вод первичного океана, поэтому в преимущественном положении оказались организмы, приобретшие способность использовать для синтеза органических веществ из неорганических энергию света. Так возник фотосинтез как принципиально новый источник питания и автотрофные организмы.

Следующим шагом эволюции 2,5 млрд. лет назад стало приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду как источник водорода. Автотрофное усвоение двуокиси углерода такими организмами сопровождалось выделением кислорода, и с тех пор в атмосфере Земли стал постепенно накапливаться кислород. Выделяли его цианобактерии (цианеи).

Переход восстановительной атмосферы к кислородной – важнейшее событие в эволюции живых и минералов. Во-первых, кислород в верхних слоях атмосферы под действием мощного ультрафиолетового излучения Солнца превращался в озон, который поглощал большую часть коротковолновых ультрафиолетовых лучей, разрушительно действующих на сложные органические соединения. Во-вторых, в присутствии свободного кислорода возникает кислородный тип обмена веществ, энергетически более выгодный. Так появляются аэробные бактерии. В результате возникают эукариоты – организмы, имеющие настоящие ядра, окруженные оболочкой. Эукариоты за возможность использования кислорода в обмене веществ заплатили своим бессмертием.

Образовавшиеся эукариоты путем симбиоза с фотосинтезирующими прокариотами дали водоросль (или растение). Но главное, что эукариоты, обладающие ядром, заключенным в оболочку, имели диплоидный (двойной) набор генов. Это означало, что каждый был представлен в двух вариантах. Появление двойного набора генов сделало возможным обмен копиями генов между разными организмами, принадлежащими одному виду. Так возник половой процесс. Половое размножение значительно повышает видовое разнообразие, что, с одной стороны, позволяет живым организмам лучше приспособиться к условиям окружающей среды, а с другой – значительно ускоряет эволюционный процесс.

Позже начал осуществляться иной эволюционный процесс – на рубеже архейской и протерозойской эры – появились многоклеточные организмы. Их дальнейшая эволюция привела к увеличению многообразия форм живого. Появление первых многоклеточных организмов произошло примерно 800 млн лет тому назад. Многоклеточный организм обладает развитыми органами и тканями, т.е. более дифференцирован по сравнению с одноклеточными. Первыми многоклеточными были губки, членистоногие и кишечнополостные.

Этапы развития живой материи.

Генетика. Управление процессами клеточного обмена веществ осуществляется посредством генов. Ген – это своего рода кибернетическое устройство, содержащее информационные коды, управляющие деятельностью клетки по метаболизму, гомеостазу и самовоспроизведению. Гены – это еще и носители наследственности, обеспечивающие формирование в организме определенного качественного признака. В биологических науках это направление исследований – прерогатива одной из самых молодых и самых перспективных наук – генетики. Основы этой научной дисциплины были заложены австрийским ученым Грегором Менделем, священником из Брно (Чехия) в 1865 году. Но датой рождения генетики как науки считается 1900 год, когда законы Менделя были переоткрыты независимо сразу тремя учеными- Хьюго де Фризомв Голландии, К.Корренсомв Германиии Э.Чермакомв Австрии.

Генетика установила два основных свойства живых организмов: наследственность и изменчивость. Под наследственностью понимается свойство родителей передавать свои признаки детям; благодаря этому свойству каждый вид сохраняет на протяжении поколений присущие ему черты и качества.Под изменчивостью понимается способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства;заключается она в изменении наследственных задатков – генов – и, как следствие, в изменении их проявления в процессе развития организмов. Генетика исследует эти два противоположных процесса – наследственность и изменчивость – в их взаимосвязи.

Законы Менделя. Г.Мендель установил основные законы наследственности с помощью гибридологического метода: это система скрещиваний в ряду последовательных поколений, позволяющая оценить наследование отдельных свойств и признаков организмов, а также изменчивость генов и их рекомбинаций. Скрещивание организмов называетсягибридизацией, а потомство– гибридным.

Моногибридным является скрещивание двух организмов, отличающихся друг от друга лишь одной парой альтернативных признаков (например, черный – белый цвет), остальные признаки в расчет не принимаются.

Преобладание у гибрида признака одного из родителей называетсядоминированием,а признак– доминантным; противоположный (подавляемый) признак называется рецессивным. Гены, отвечающие за признак, называютсяаллельными. Если в организме содержатся два идентичных аллельных гена, то он называется гомозиготным по гену (например, АА или аа); если аллельные гены отличаются друг от друга (например, Аа или аА), организм называется гетерозиготным.

Г. Мендель показал, что наследование признаков происходит дискретно. Ученый скрещивал гладкий и морщинистый сорта гороха, в результате в первом поколении он получал только гладкие семена, а во втором – четверть морщинистых семян. Анализируя эти экспериментальные данные, Мендель пришел к выводу, что в зародышевую клетку поступает информация от обоих родителей. Но в первом поколении проявляется только один, доминантный признак, а во втором – доминантные и рецессивные признаки распределяются в пропорции 3:1. Это явление, когда скрещивание гетерозиготных особей приводит к образованию потомства, часть которого несет доминантный признак, а часть – рецессивный, было названо расщеплением признаков.

Первый закон Менделя – закон доминирования, или закон единообразия гибридов первого поколения, формулируется так: при скрещивании двух организмов, относящихся к разным гомозиготным организмам, все первое поколение гибридов окажется единообразным и будет иметь признак одного из родителей.

Второй закон Mенделя – закон расщепления. Если потомков первого поколения, одинаковых по изучаемому признаку, скрестить между собой, то во втором поколении признаки родителей появляются в определенном числовом соотношении. Второй закон Менделя можно сформулировать так: при скрещивании двух потомков 1-го поколения между собой (двух гетерозиготных особей) во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом соотношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.

При неполном доминировании в потомстве гибридов расщепление по генотипу и фенотипу совпадают.

Из второго закона Мендель сделал важные выводы:

1) о существовании дискретных единиц наследственности, которые отвечают за передачу признаков;

2) наследственные факторы у каждого организма парные: один от матери, другой от отца;

3) при образовании гамет в каждую из них переходит по одному представителю из каждой пары наследственных признаков.

Таким образом, при сосуществовании в одной особи наследственных задатков как доминантного, так и рецессивного признака, гамета будет содержать только один из них. Данная закономерность называется правилом чистоты гамет.

Третий закон Менделя. При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум (или более) парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. Все возможные сочетания легко установить с помощью решеткиПеннета.

Результаты экспериментов Менделя опровергли тезис о том, что рецессивные признаки живого организма должны постепенно стираться в череде поколений. Открытые закономерности свидетельствовали: рецессивные мутации не исчезают бесследно, а сохраняются в генетическом фонде популяции и проявляются через поколение. Значение открытия Менделя было по достоинству оценено только в ХХ в., который не без основания называют веком генетики.

В 1909 г. дискретные наследственные задатки, открытые Менделем, датский ученый Вильгельм Иогансен назвал генами (от греч. слова «происхождение»). Клетки, через которые осуществляется преемственность поколений, несут в себе не сами признаки и свойства будущих организмов, а лишь задатки их развития, т.е. гены. Гены представляют собой структурные и функциональные единицы наследственности. Обеспечение преемственности – одна из сторон наследственности, другая – точная передача типа развития, присущего для данного биологического вида. Открытие генов и законов генетики полностью изменило биологию и ее практическое применение, а в наши дни именно молекулярно-генетические исследования выводят биологию на ведущее место в естествознании, воплощая утверждение, что «биология – наука XXI века».

К настоящему времени установлено, что ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака – представляет собой участок молекулы ДНК (или РНК у некоторых вирусов). Молекулы ДНК содержатся, в хромосомах, в которых и аккумулируется наследственная информация. Совокупность всех генов организма составляет его генотип.

Генотип – не простая сумма генов. Это система взаимодействующих генов. Многие признаки развиваются при взаимодействии нескольких генов, и выражение «ген определяет развитие признака» в значительной степени условно и упрощенно, так как действие генов – результат влияния генотипической среды. Для каждого гена существует своя генотипическая среда. Возможность и форма проявления генов зависят от окружения клетки, присутствия других генов и их взаимодействия. В перечисленных примерах гены ведут себя действительно как отдельные единицы, т.к. каждый из них определяет развитие одного какого-то признака, не зависящего от других. Поэтому может сложиться впечатление, что генотипы – это механическая совокупность генов, а фенотипы – мозаика отдельных признаков. На самом деле это не так. Если и отдельная клетка, и организм являются целостными системами, то это, прежде всего, потому, что генотип – это система взаимодействующих генов. Взаимодействуют друг с другом как аллельные, так и неаллельные гены, расположенные в различных локусах. Аллельные гены вступают в отношения типа «доминантности-рецессивности», причем наблюдается полное и неполное доминирование.

Совокупность всех признаков организма называется фенотипом. Это особенности строения и жизнедеятельности организма, обусловленные взаимодействием его генотипа с условиями среды. Фенотип включает внешние признаки (цвет, форму и др.), биохимические (структура белка, ферменты и др.), анатомические (строение тела), гистологические (структура тканей) и др. В то же время даже в пределах одного вида отмечаются индивидуальные различия особей.

В установлении роли ДНК в клетках также было несколько этапов. Впервые молекулы ДНК были выделены из ядер лейкоцитов швейцарским биохимиком Ф. Мишеромво второй половине 19 в. Первоначально он назвал выделенное вещество нуклеином (от лат. nucleus - ядро). Затем работавший в той же лабораторииА. Коссельобнаружил, что в состав нуклеиновых кислот входят пуриновые и пиримидиновые основания и простейшие углеводы. В начале 1900 годов в лаборатории П. Левина в США был расшифрован углеводный компонент этих нуклеиновых кислот. В 1940-е гг. была открыта нуклеиновая природа гена и выяснена роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации. Этими исследованиями занималась школа американского генетика Т.Х.Моргана.

В 1944 г. группа американских ученых-микробиологов – О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти – установила, что ДНК является носителем наследственной информации. О.Эвери и его команде удалось установить, что свободная молекула ДНК обладает трансформирую­щей активностью, т.е. способностью переносить свойства от одного организма к другому. Именно молекула ДНК отвечает за передачу наследственной информации от одной клетки к другой. С этого времени началось быстрое развитие науки, исследующей основные проявления жизни на молекулярном уровне. Тогда же впервые появился новый термин для обозначения этой науки - молекулярная биология, объединившей биохимию и генетику.

Рождение новой науки - молекулярной генетики связывают с опытами двух американцевДж. Бидла иЭ.Тэйтума.В 1941 г. они установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). В 1952 году Дж. Бидл, Э. Тэйтум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии за эти исследования. Позже было выяснено, чтоосновной функцией генов является кодирование синтеза белка.

Далее на повестку дня был вынесен новый вопрос: каким образом записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Согласно модели Уотсона-Крика генетическую информацию в ДНК несет последовательность расположения четырех оснований. Необходимо было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Решил эту, казалось бы, неразрешимую проблему американский физик-теоретик русского происхождения Георгий Антонович Гамов. Он предложил для кодирования одной аминокислоты использовать сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодон.

Молекулу ДНК можно представить в виде огромного текста, состоящего из последовательности четырех букв в разных сочетаниях. Такая модель ДНК была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком Фрэнсисом Криком.А в 1962 г. эти ученые и биофизик М.Уилкинс получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода. В последующие десятилетия учеными была установлена зависимость синтеза белков от состояния генов, осуществлен искусственный синтез гена, расшифрована аминокислотная последовательность многих белков и т.п.

Генетические закономерности наследственности.Ко второй половине ХХ в. в генетике был накоплен колоссальный эмпирический и теоретический материал. Наука вплотную приблизилась к разгадке одной из величайших тайн – самовоспроизводства живого. Выяснение молекулярных механизмов передачи генетической информации открыло совершенно новые возможности для практического применения этих знаний. Расшифровка структуры ДНК была революцией в молекулярной биологии, которая открыла период важнейших открытий, общее направление которых – выработка представлений о сущности жизни, о природе наследственности, изменчивости, обмена веществ и др. Это было революционное открытие, родившее новую науку, изучавшую вопросы наследственности на молекулярном уровне.

Воспроизводство всего живого определяется синтезом белков при помощи нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновой) и РНК (рибонуклеиновой). ДНК является хранителем наследственной информации, РНК помогает передаче генетической информации в процессе биосинтеза.

Носителями генетической информации являются молекулы ДНК, которые находятся в хромосомах ядер клеток. ДНК, являясь «хранительницей» материальной основы генетической информации, контролирует биосинтез белка в клетках и отвечает за изменчивость клеток. В соответствии с молекулярной биологией, белки - очень сложные макромолекулы, структурными элементами которых являются аминокислоты. Структура белка задается последовательностью образующих его аминокислот. При этом из 100 известных в органической химии аминокислот в образовании белков всех организмов используется только 20. До сих пор не ясно, почему именно эти 20 аминокислот синтезируют белки органического мира.

Вообще, в любом существе, живущем на Земле, присутствуют 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, 2 углевода и 1 фосфат.

Звеньями молекулы ДНК являются нуклеотиды. Нуклеотид – это соединение азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. В состав молекулы ДНК может входить один из четырех типов нуклеотидов, специфика которых определяется азотистым основанием А, Т, С, G (аденин, тимин, цитозин, гуанин, урацил). Для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание трех нуклеотидов.

Расшифровка структуры ДНК показала, что ее молекула состоит из двух спаренных полинуклеотидных цепочек, закрученных в спираль, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых аналогичных цепей. Цепочки ДНК соединены между собой водородными связями, причем аденин всегда связывается с тимином, а цитозин – с гуанином. Такая связь структурно соответствующих друг другу азотистых оснований называется принципом комплиментарности. Термин комплиментарность означает, что синтез новой цепи проис­ходит таким образом, что последовательность нуклеиновых оснований в одной цепи ДНК однозначно определяет их последователь­ность в другой цепи. Изменение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к мутациям.

Свойство самоудвоения ДНК является основой механизма наследственности.Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Матричный синтез белков происходит в несколько этапов. Сначала разрываются водородные связи двойной молекулы ДНК и образуются одинарные цепи, выступающие в виде матрицы. Матричная ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек или нитей, раскручивается. Затем каждая из нитей по своей поверхности строит новую. Новые цепи пристраиваются к старым по принципу комплиментарности. В результате формируются две идентичные молекулы ДНК.

Существенную роль в процессе синтеза белков играют молекулы РНК. Молекула РНК представляет собой одноцепочную нить нуклеотидов. В состав молекулы РНК также входят четыре азотистых основания, но вместо тимина – стоит урацил. Синтез белка осуществляется в рибосомах на основе генетического кода информационной РНК. С молекулы ДНК генетический код переносится на молекулу информационной РНК, которая представляет собой копию части ДНК, т.е. одного или нескольких расположенных генов.

Генетические закономерности изменчивости.Изменчивость заключается в изменении самого наследственного материала (гена), либо в изменении его проявления в развивающемся организме. Поэтому различают наследственную (генотипическую) и ненаследственную (модификационную) изменчивость.

Ненаследственная изменчивость (модификационная) - это изменчивость, которая отражает изменения не генотипа, а фенотипапод влиянием условий внешней среды (аналог «определенной изменчивости» Ч. Дарвина). Для фенотипической изменчивости имеет значение влияние среды.Каждый организм развивается и обитает в определенных внешних условиях, испытывая на себе действие факторов окружающей среды – колебаний температуры, освещенности, влажности, приема пищи и т.д. Организм также вступает во взаимоотношения с другими организмами. На развитие признака влияют регуляторные системы организма, в первую очередь, эндокринная система. Все эти факторы могут изменять фенотип организмов, т.е. их морфологические и физиологические свойства. Изменение признаков, вызванных фактором внешней среды, не наследуются.

Онтогенетическая изменчивость - это изменчивость, отражающая изменения в ходе индивидуального развития всего организма (онтогенеза) или изменчивость отдельных клеток в процессе их дифференциации (т.е. при формировании их индивидуальных отличий в процессе жизненного цикла). Индивидуальная изменчивость существует у любых организмов, она отражает взаимосвязь организма с внешней средой.

Наследственная изменчивость обусловлена изменением генов и других элементов генетического аппарата клетки, что ведет к возникновению новых генотипов (аналог «неопределенной изменчивости» Ч. Дарвина). Комбинативная изменчивость – это изменчивость, обусловленная различными комбинациями генов – перегруппировкой хромосом в процессе полового размножения. При этом типе изменчивости структура самих генов и хромосом не изменяется, а меняются сочетания наследственных задатков и характер их взаимодействия в генотипе.

В свое время Дарвин считал наследственную изменчивость спонтанной, неопределенной, подчеркивая ее случайный характер. Для объяснения выявленных в ходе экспериментов закономерностей голландский исследователь Х. де Фриз предложил теорию мутаций. Согласно ей новые виды возникают в результате мутаций. Мутация – это внезапное изменение наследственных структур, вызванное естественным или искусственным путем. Термин «мутация» происходит от латинского mutatio – изменение. Свойства мутаций:

1) мутации возникают внезапно, скачкообразно;

2) мутации генетически устойчивы и передаются следующим поколениям;

3) мутации происходят в разных направлениях, т.е. мутировать может любой локус;

4) одни и те мутации могут возникать повторно;

Поначалу голландский ученый противопоставил мутации естественному отбору, заявив, что «значение отбора ограничено, эволюция идет путем резких скачков». Однако позже Х.де Фриз согласился, что именно естественный отбор способствует закреплению полезных мутаций и, следовательно, процессу эволюции. Как показали эксперименты, мутационный признак не исчезает, а постепенно накапливается в генофонде популяций, что является основой изменчивости в живой природе.Мутации возникают из-за изменения структуры гена (т.е. последовательности нуклеотидов в ДНК) или хромосом. Причиной изменения структуры гена является его мутация, из-за которой появляется иной вариант гена – мутантный ген, приводящий к появлению варианта признака. Благодаря мутациям возникают различные варианты генов, являющиеся источником генотипической изменчивости. Ген может мутировать многократно, в результате возникает цепочка мутантных генов, приобретающих устойчивый характер – и мутация закрепляется, приводя к изменчивости вида.

Г.Дж Меллер, в частности, показал, что мутации могут вызываться рентгеновскими лучами, воздействием химических веществ, резкими изменениями температуры и т.п. таким образом, мутационный процесс условно можно разделить на самопроизвольный и индуцированный (вызванный). В последнем случае мутации возникают под внешним воздействием. Например, под действием рентгеновских лучей число мутаций увеличивается в 150 раз. Факторы, способные вызвать появление мутаций, называются мутагенами.

Мутации можно классифицировать по ряду признаков:

По характеру проявления. По своему проявлению мутации являются полезными или вредными, доминантными или рецессивными. Большинство из них рецессивны и не проявляются у гетерозигот. Это обстоятельство очень важно для существования вида. Мутации оказываются, как правило, вредными, поскольку вносят нарушения в тонко сбалансированную систему биохимических превращений. Обладатели вредных доминантных мутаций, сразу же проявляющихся в гомо- и гетерозиготных организмах, часто оказываются нежизнеспособными и погибают на самых ранних этапах онтогенеза.

По месту возникновения. Мутации, возникающие в половых клетках (зиготах), обычно проявляются только в следующих поколениях, и они называются генеративными. Мутации, происходящие в соматических клетках, проявляются в самом организме и не передаются по наследству. Они называются соматическими.

По уровню возникновения. 1) Изменения, обусловленные заменой одного или нескольких нуклеотидов в пределах одного гена называют генными мутациями. Они вызывают изменения строения белка, заключающиеся в проявлении новой последовательности аминокислот в полипептидной цепи и, как следствие, изменения функциональной активности белковой молекулы;

2) изменения структуры хромосом называют хромосомными мутациями. Они могут возникать при утрате хромосомы. Если в утраченный участок входят жизненно важные гены, то такая мутация может привести к гибели. Потеря небольшой части 21 хромосомы у человека служит причиной развития у детей тяжелого заболевания – острого лейкоза.

После открытия Х.де Фриза в течение 20 – 30 лет в генетике лавинообразно накапливался новый эмпирический материал и появлялись объясняющие его теоретические гипотезы. В 1920-е гг. А.Вейсманом, Т.Х.Морганом, А.Стертевантом, Г.Дж.Меллеромбыла разработана хромосомная теория наследственности, которая проясняла строение хромосом, порядок расположения генов – носителей наследственной информации, т.е механизмы и причины мутационных изменений. Согласно хромосомной теории наследственности, передача признаков и свойств организма от поколения к поколению (наследственность) осуществляется в основном через хромосомы, в которых расположены гены. Хромосомы – структурные элементы ядра клетки, которые содержат набор генов с заключенной в них наследственной информацией и состоят из молекулы ДНК и белков.

Естественный отбор – это совокупность происходящих в природе процессов, обеспечивающих выживание наиболее