Материал: Мир живого

Мир живого

Реферат

Мир живого

Клетки и молекулы

Давно ли существует современная биология? Все познается в сравнении, и поэтому ответ на данный вопрос не прост. Возникает соблазн взять дату наиболее крупного биологического открытия и заявить: современная биология - это все, что было после. Вероятно, в число кандидатов на такое основополагающее достижение могут попасть, например, бинарная номенклатура видов Линнея, теория происхождения видов Дарвина, открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком или какое-нибудь другое, действительно крупное открытие. Но существует ли качественная разница между несовременной и современной биологией? Где проходит граница?

Человек воспринимает окружающий мир с помощью пяти органов чувств: зрения, слуха, вкуса, обоняния и осязания. Он способен отличать форму и цвет предметов, твердые тела от жидких, кислый вкус от сладкого и т.д. … Анализируя полученную информацию, человек способен ее классифицировать и делать абстрактные выводы. И все же, возможности человеческого восприятия, основанные только на органах чувств, ограничены.

Современная биология, как и современное естествознание, начинается там, где ученый получает в свои руки инструменты исследования, способные вывести его за пределы собственного, ограниченного пятью органами чувств, восприятия.

В 1665 г, англичанин Роберт Гук, воспользовавшись созданным им микроскопом, впервые смог увидеть, что растительные ткани состоят из клеток. Теория клеточного строения организмов, однако, получила всеобщее признание только в конце XVIII - начале XIX века, когда появились хорошие микроскопы, были разработаны методы фиксации и окраски клеток.

Символичный факт - на заре эпохи инструментальных исследований ученые, как и высшее общество того времени, с благоговением относились к лабораторной технике. Посмотрим, например, на микроскоп, изготовленный Джоржем Адамсом для английского короля Георга III (см. рис.). Он сделан из бронзы и украшен миниатюрными скульптурами. Несколькими годами позже, французский король Людовик XV дарит похожий микроскоп графине де Помпадур.

Впрочем, страсть к исследованиям, граничащая с развлечениями, в начале XIX века была свойственна не только биологам и королям. В те времена в дворянской среде считалось хорошим тоном иметь приличный микроскоп, а иные "сильные мира сего" граждане могли часами рассматривать в него микроскопических животных или одноклеточные водоросли, выловленные в придорожной луже.

Вплоть до XX века было принято иногда украшать художественной резьбой различные лабораторные приборы и оборудование: вольтметры, весы, химические штативы, телескопы и другие, необходимые для науки вещи.

"Исследованиями" ради развлечения занимались многие, но открытия делали единицы. В 1838 г немецкие ученые М. Шлейден и Т. Шванн обобщили результаты своих исследований со всей имевшейся на то время научной биологической информаций и создали т.н. клеточную теорию, согласно которой клетки, содержащие ядра, являются необходимым признаком и атрибутом всех живых существ.

Ряд положений теории М. Шлейдена и Т. Шванна впоследствии оказались ошибочными, однако благодаря им перед биологами всего мира была поставлена важнейшая цель: понять, как функционирует клетка вообще, вне зависимости от того, к какому организму она принадлежит. Решение этой задачи фактически подразумевало ответ на вопрос - что общего есть у таких разных созданий, как человек и дрожжи?

В 1858 г известный немецкий врач Р. Вирхов вносит в клеточную теорию исключительно важное дополнение: живая клетка может возникнуть только из другой живой клетки. Жизнь животных и растений - это непрерывный, из поколения в поколение, процесс размножения клеток. Такой вывод оказался весьма созвучен с другой основополагающей идеей биологии XIX века - концепцией наследственности. Ученые еще ничего не знали о ДНК, хромосомах, но если особь может произойти только от другой, такой же (или почти такой) особи, а клетка от другой такой же (или почти такой) клетки, то должно существовать нечто, обеспечивающее переемственность многоклеточных организмов и отдельных клеток.

Идея наследственности нашла свое развитие в клеточной теории весьма кстати: в 1850-х - 60-х годах Дарвин создает теорию происхождения видов. Подробнее мы рассмотрим ее далее, в главе, посвященной проблемам биологической эволюции.

Однако, во времена Дарвина господствовали умозрительные представления о наследственности, зародившиеся еще в античном мире. Одна из таких теорий - т.н. теория прямого наследования - принадлежала Гиппократу, который считал, что репродуктивный материал собирается из всех частей тела и таким образом все органы тела влияют на признаки потомства. Согласно Гиппократу (V в. до н.э.) здоровые органы поставляют для потомства здоровый репродуктивный материал, а больные - больной, нездоровый. В результате признаки, полученные особью в течение жизни, должны наследоваться. Противоположную точку зрения имел Аристотель (IV в. до н.э.): по его мнению репродуктивный материал образуется вовсе не из всех частей тела, а возникает из питательных веществ, поступающих от специализорованных органов. Эта теория получила название теории непрямого наследования.

Сам Ч. Дарвин придерживался теории прямого наследования. Свои взгляды на нее он изложил в книге "Изменение животных и растений в домашнем состоянии" (1868). По Дарвину, все растительные и животные клетки "отделяют от себя крошечные геммулы, рассеянные по всему организму". Геммулы рано или поздно оказываются в репродуктивных органах и в результате признаки передаются по наследству.

Дарвиновские взгляды на наследование были опровергнуты в 1871 г Ф. Гальтоном, который переливал кровь черных кроликов белым, а затем скрещивал последних между собой, повторяя эксперимент в трех поколениях. Не обнаружив никаких признаков изменения окраски белой проды, Гальтон заявил, что, по-крайней мере в крови кроликов геммулы отсутствуют.

Более того, еще в 1865 г была опубликована книга Г. Менделя "Опыты над растительными гибридами", ставшая впоследствии основой классической генетики", в которой был не только строго доказан факт непрямого наследования, но и сформулированы его законы. Особое значение имели не только полученные автором результаты, но и метод: впервые законы наследования исследовались с помощью количественного гибридологического анализа. Метод предполагает скрешивание между особями одного вида, которые отличаются друг от друга по отдельным признакам, постоянство признаков при скрещивании из поколения в поколение в пределах родительских форм и количественный учет результатов расщепления в первом и втором поколениях.

Работы Менделя не получили широкого признания при его жизни и были по достоинству оценены только в 1900 г., когда законы наследования были вновь открыты независимо друг от друга тремя исследователями: Г.Д. Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии.

Мало замеченным для современников осталось еще одно важнейшее открытие, составляющее сейчас основу наших представлений о наследственности - в 50-х годах XIX века, т.е. при жизни Дарвина и Менделя, немецкий ботаник В. Гофмейстер обнаружил в ядрах клеток традесканции своеобразные структуры, напоминающие изогнутые палочки. Не догадываясь об истинном назначении увиденного, ученый зарисовал их. По видимому, это был первый в истории рисунок хромосом! Сам же термин "хромосома" возник только в 1883 г. (В. Вальдейер).

Сходство в поведении генов и хромосом, установленное У. Сэттоном и Т. Бовери в 1903 г послужило основанием хромосомной теории наследственности, согласно которой гены расположены в хромосомах в линейной последовательности.

Революционной идеей в биологии оказалось введение Т. Х. Морганом в практику генетических исследований плодовой мушки Drosophila melanogaster. У дрозофилы очень легко можно учитывать внешние признаки, ее легко и быстро можно разводить. На этом объекте было выполнено огромное количество экспериментов и совершены многие открытия в области генетики.

Вплоть до 40-х годов XIX в. оставалась неясной химическая природа наследственности. Эту проблему удалось решить, исследуя т.н. явление трансформации бактерий. Трансформацию пневмококков Diplococcus pneumonidae открыл бактериолог Ф. Гриффитс в 1928 г. Роль дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в процессе трансформации была установлена в 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леодом и М. Мак-Карти. Суть их экспериментов заключалась в следующем. Известно два типа штаммов пневмококков, отличающихся по своей патогенности в отношении подопытных мышей. S-форма этих бактерий характеризуется наличием у них полисахаридной капсулы (оболочки), предохраняющей бактериальные клетки от имунной реакции зараженного животного. R-форма такой капсулы не имеет и патогенной не является. Оказалось, что если взять культуру D. pneumonidae R-формы, добавить к ней чистую ДНК, выделенную из бактерий S-формы и заразить полученной культурой мышей, то они погибнут. Одновременное добавление фермента дезоксирибонуклеазы, разрушающего ДНК, препятствовало трансформации бактерий из непатогенной формы в патогенную. Таким образом был сделан вывод, что фактором, трансформирующим (изменяющим) наследственные признаки бактерий, является ДНК.

В дальнейшем, работами других исследователей, удалось доказать генетическую роль ДНК, содержащуюся в хромосомах животных и растений. К началу 50-х годов XX века стало ясно, что ДНК - это длинная полимерная молекула, мономерами (т.е. отдельными звеньями "цепочки") которой являются нуклеотиды. В свою очередь, нуклеотиды состоят из остатка сахара дезоксирибозы, фосфатной группы и остатков азотистых основания - аденина, гуанина, тимина и цитозина (РНК вместо тимина содержит урацил, а вместо дезоксирибозы - рибозу).

До 1953 г оставалось все же неясным, какова пространственная структура ДНК, и каким образом молекула ДНК обеспечивает кодирование наследственной информации. Ответить на этот вопрос удалось Дж. Уотсону и Ф. Крику. Они воспользовались методом рентгеноструктурного анализа. Метод основан на том, что рентгеновские лучи, являясь электромагнитными колебаниями с очень маленькой длиной волны, способны давать явление дифракции (см. гл. ). Тонкий пучок рентгеновских лучей пропускают через исследуемый образец, узлы кристаллической структуры которого служат в качестве дифракционной решетки. На экране, расположенном по ходу луча после образца, можно наблюдать сложный рисунок, образованный темными и светлыми кольцами, пятнами и линиями. Характер этого рисунка зависит от структуры исследуемого кристалла. Измерив параметры рисунка и используя определенные математические методы можно рассчитать многие важные свойства молекул, образующих кристалл - диаметр, наличие спирализации и шаг спирали, в какую сторону она закручена и др.

Суммировав данные рентгеноструктурного анализа, известные биологические и химические данные, Уотсон и Крик установили следующее:

1.      Молекула ДНК состоит из двух цепей

2.      Цепи образуют правозакрученные спирали по 10 оснований в каждом витке

.        Последовательность атомов (по отношении к кольцу дезоксирибозы) одной цепи противоположна таковой в другой цепи, т.е. цепи антипараллельны

.        Фосфатные группировки находятся снаружи спиралей, а внутри расположены азотистые основания

.        Цепи удерживаются вместе водородными связями (это слабые связи) между основаниями

.        Напротив аденина одной цепи всегда находится тимин другой цепи, а напротив гуанина - цитозин (принцип комплиментарности)

.        Воспроизведение генов заложено в структуре ДНК - в комплиментарности ее оснований. При воспроизведении двойной спирали ДНК цепи сначала расходятся, после чего каждая одиночная цепь достраивает на себе, как на матрице, новую, комплиментарную цепь из нуклеотидов клетки

.        Гены отличаются друг от друга чередованием пар нуклеотидов (А-Т и Г-Ц), а наследственная информация закодирована в виде последовательности нуклеотидов

Благодаря работам Уотсона и Крика стало окончательно ясно, что последовательность нуклеотидов ДНК кодирует последовательность аминокислот в белке. В свою очередь, аминокислотная последовательность белковой молекулы полностью определяет ее пространственную конфигурацию, функции, обеспечивая все многообразие жизненных форм на нашей планете, которые, как мы знаем, являются белковыми формами жизни.

Однако, если один нуклеотид соответствует одной аминокислоте, то четыре пары оснований ДНК: А-Т, Т-А, G-C и C-G могут закодировать только четыре аминокислоты, тогда как известно 20 белковых аминокислот. Если предположить, что каждой аминокислоте соответствуют две пары оснований (кодон состоит из двух аминокислот), то можно закодировать 16 аминокислот, что тоже недостаточно. Если же каждой аминокислоте соответсвует 3 пары оснований, т.е. код является триплетным, то из четырех пар оснований можно составить 64 кодона.

Впоследствии, в результате усилий многих экспериментаторов, подтвердилось, что код действительно является триплетным, причем между кодонами отсутствуют "запятые". Удалось также показать, что он является вырожденным - это значит, что одна аминокислота может кодироваться двумя, тремя и даже четыремы разными кодонами.

Кроме того, код является неперекрывающимся. Так, например, если представить, что следующая последовательность нуклеотидов кодирует полипептидную цепь, состоящую из четырех остатков глицина, причем считывание первого кодона начинается с цитозина (С),

CAG CAG CAG CAG CAG

то сдвиг начала считывания в первом кодоне на один нуклеотид - с цитозина на аденин, приведет к другой разбивке на кодоны:

С AGC AGC AGC..AGC

и такая нуклеотидная последовательность будет уже кодировать белковую цепь, состоящую из нескольких остатков серина.

Фактически, в этом случае (т.е. для перекрывающегося кода), одна нуклеотидная последовательность сможет кодировать два или даже три разных белка.

Наряду с тем, что геномы подавляющего большинства биологических видов содержат исключительно неперекрывающиеся гены, существуют исключения: обнаружен фаг (вирус) jX144 у которого наблюдается даже тройное перекрывание - небольшой участок генома содержит одновременно 3 разных гена, "наложенных" один на другой.

Чем интересны случаи перекрывающегося кода? Проведем здесь аналогию с "лингвистическим кодированием". В поэзии известны стихотворения-палиндромы, одни и те же строки которых, если игнорировать пробелы, имеют смысл вне зависимости от того, как их читать - слева направо или справа налево:

На море роман / на Лоре - Ролан

Не приходится сомневаться в том, что создание палиндромов неизмеримо более трудно, чем обычных стихов, и остается только догадываться, где, как и почему "гены-палиндромы" возникли в Природе.

Даже спустя 30 лет (т.е. в 80-е годы) после открытия Уотсоном и Криком структуры ДНК расшифровка нуклеотидных последовательностей хромосом реальных биологических объектов представляла собой сложнейшую техническую проблему. Так, например, расшифровка нуклеотидной последовательности в 1000 пар нуклеотидов считалась выдающимся достижением, за которое вполне можно было получить степень доктора наук. Для сравнения - сейчас квалифицированный специалист способен выполнить такую задачу всего за один день.

В 80-е годы ученые брались за расшифровку только коротких молекул ДНК: вирусных, митохондриальных или плазмидных. (плазмида - кольцевая молекула ДНК, находящаяся в цитоплазме бактерий и состоящая из небольшого количества генов).

Другое дело - геном человека, состоящий из трех миллиардов нуклеотидов. Длина ДНК человеческой клетки, если вытянуть ее в длину, окажется равной приблизительно двум метрам!

Тем не менее, исследователи понимали, какую огромную ценность представляет собой расшифровка человеческой ДНК - решение этой задачи могло бы явиться ключом к лечению заболеваний, связанных с нарушением функционирования генов. И вот в 1988 г. несколько крупных ученых выступили с инициативой приступить к реализации проекта, получившего название "Геном человека", конечной целью которого являлась полная рашифровка ДНК человека. Среди них - Джеймс Уотсон - один из двух "отцов" двойной спирали ДНК.