Концепция современного естествознания

Атмосфера--внешняя газовая оболочка Земли. Ее нижняя граница проходит по литосфере и гидросфере, а верхняя--на высоте 1000 км. В атмосфере различают тропосферу (двигающийся слой), стратосферу (слой над тропосферой) и ионосферу (верхний слой).

Средняя высота тропосферы--10 км. Ее масса составляет 75% всей массы атмосферы. Воздух тропосферы перемещается как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

Над тропосферой на 80 км поднимается стратосфера. Ее воздух, перемещающийся лишь в горизонтальном направлении, образует слои.

Еще выше простирается ионосфера, получившая свое название в связи с тем, что ее воздух постоянно ионизируется под воздействием ультрафиолетовых и космических лучей.

Гидросфера занимает 71% поверхности Земли. Ее средняя соленость составляет 35 г/л. Температура океанической поверхности -- от 3 до 32 °С, плотность -- около 1. Солнечный свет проникает на глубину 200 м, а ультрафиолетовые лучи -- на глубину до 800 м.

Биосфера, или сфера жизни, сливается с атмосферой, гидросферой и литосферой. Ее верхняя граница достигает верхних слоев тропосферы, нижняя -- проходит по дну океанских впадин. Биосфера подразделяется на сферу растений (свыше 500 000 видов) и сферу животных (свыше 1 000 000 видов).

Литосфера--каменная оболочка Земли--толщиной от 40 до 100 км. Она включает материки, острова и дно океанов. Средняя высота материков над уровнем океана: Антарктиды--2200 м, Азии--960 м, Африки--750 м, Северной Америки -- 720 м, Южной Америки -- 590 м, Европы -- 340 м, Австралии -- 340 м.

Под литосферой расположена пиросфера -- огненная оболочка Земли. Ее температура повышается примерно на 1°С на каждые 33 м глубины. Породы на значительных глубинах вследствие высоких температур и большого давления, вероятно, находятся в расплавленном состоянии.

Центросфера, или ядро Земли, расположена на глуби не 1800 км. По мнению большинства ученых, она состоит из железа и никеля. Давление здесь достигает 300000000000 Па (3000000 атмосфер), температура-- нескольких тысяч градусов, В каком состоянии находится ядро, пока неизвестно.

Огненная сфера Земли продолжает охлаждаться. Твердая оболочкой утолщается, огненная--сгущается. В свое время это привело к формированию твердых каменных глыб-- материков. Однако влияние огненной сферы на жизнь планеты Земля все еще очень' велико. Неоднократно менялись очертания материков и океанов, климат, состав атмосферы.

Экзогенные и эндогенные процессы беспрерывно изменяют твердую поверхность нашей планеты, что, в свою очередь, активно влияет на биосферу Земли.

23. Концепции возникновения жизни

Сейчас уже прочитаны тысячи последовательностей белков и кодирующих их генов и становится ясным, что гены - не что иное, как случайные последовательности из четырех нуклеотидов, которые чередуются в разных комбинациях. Лишь в незначительной части эти последовательности "отредактированы" естественным отбором для лучшего исполнения своих функций. Такая корректировка не скрывает явных следов случайного, стохастического возникновения последовательности исходной. Но мог ли ген, скажем, гемоглобина или цитохрома С возникнуть случайно?

Вообще-то эта проблема отнюдь не нова. Философы еще в древности задавались вопросом: возможно ли возникновение достаточно сложной структуры в результате случайных, стохастических процессов? И все давали отрицательный ответ. Еще Цицерон полагал, что из случайно брошенных знаков алфавита не могут сложиться "Анналы" Энния.

Теперь эту проблему называют "парадоксом миллиона обезьян": за сколько лет миллион обезьян, посаженных за пишущие машинки, напечатают полное собрание сочинений Шекспира или хотя бы одного "Гамлета"? "Обезьяний парадокс" переходит из одного философского трактата в другой: может ли миллион людей, никогда о Шекспире не слыхавших, написать "Гамлета"? Отсюда недалеко до вопроса: а мог ли "Гамлета" написать сам Шекспир, если даже миллиону людей это не под силу? И применима ли вообще теория вероятностей к этой категории явлений?

Как видите, начав с вопроса о случайности сочетаний знаков в нуклеотидных последовательностях, мы пришли к проблеме философской, затрагивающей коренные тайны мироздания (Б.М.Медников).

Еще в 1936 г. Н.К.Кольцов писал, что вероятность случайного возникновения полипептида из 17 аминокислотных остатков (гептакайдекапептида) равна одной триллионной, и сделал из этого совершенно правильный вывод: гены синтезируются не заново, а матричным путем. Но как возникла первая матрица?

Хватает ли времени на возникновение первого гена - протогена - случайным путем, стохастическим перебором нуклеотидов? Вспомним, что солнечная система - Солнце со всеми планетами - сформировалась, по самым последним оценкам, 4.6 млрд. лет назад (плюс-минус 0.1 млрд.). Первые следы жизни на Земле имеют возраст более 3.8 млрд. лет. В период становления - а это значительный срок - наша планета явно не годилась для возникновения жизни.

Подобные соображения воскрешают гипотезу о внеземном, космическом происхождении жизни. Гипотеза панспермии еще в прошлом веке была выдвинута Сванте Аррениусом, и суть ее можно выразить так: в вечной и бесконечной Вселенной жизнь так же вечна и бесконечна; споры, микроорганизмы - эти зародыши жизни - могут покинуть родную планету и давлением света транспортируются Бог весть куда - от планеты к планете, от звезды к звезде. У нас к идее панспермии склонялся В.И.Вернадский.

Однако гипотеза достаточно слабая. Пусть во Вселенной, хотя бы в одной нашей Галактике, миллионы планет. Исчезающе малую вероятность возникновения жизни (то есть протогена) на одной из них нужно умножить на столь же малую величину - вероятность благополучного межзвездного перелета. Это только видимость решения проблемы. Кроме того, похоже, что и всей Вселенной не хватает для возникновения жизни. Манфред Эйген подсчитал, что вероятность возникновения одного лишь белка - цитохрома С, состоящего примерно из ста аминокислотных остатков,- 10-130, а во всей Вселенной хватит места лишь для 1074 молекул (при условии, что все планеты, звезды и галактики состоят из вариантов молекул цитохрома).

Как видим, положение все более драматизируется. Получается, что все мы живем вопреки теории вероятностей. Нас не должно быть вообще!

Выход из сложившегося положения попытался найти Фрэнсис Крик. В 1982 г. он совместно с Л.Орджелом издал книгу "Жизнь как она есть, ее происхождение и природа". Сначала Крик драматизирует положение. Он исходит из того, что первичный полипептид, кодируемый протогеном, имел 200 аминокислотных остатков, а не 100, как у Эйгена. Тогда вероятность его возникновения 10-260 (это десятичная дробь с двумястами шестьюдесятью нулями после запятой). Далее он напоминает, что и Вселенная, в том виде, в каком она есть, не вечна. Большинство космологов сейчас считают, что она продукт "Big Bang" - "Большого взрыва", разметавшего все планеты, звезды и галактики, прежде сжатые в предельно малом (атомных размеров!) объеме.

Когда произошел Большой взрыв? Прежние расчеты по скорости разбегания галактик и энергии реликтового радиоизлучения давали неточные и завышенные величины возраста Вселенной. Теперь она уточнена - по соотношению в звездах радиоактивного тория (период полураспада 14 миллиардов лет) и стабильного ниобия. Оказалось, что возраст самых старых звезд - не выше одиннадцати миллиардов лет. Значит, для возникновения жизни не хватает не только пространства, но и времени. Ведь Вселенная лишь примерно вдвое старше Солнечной системы.

Крик также склоняется к неземному происхождению жизни. Но он физик и потому понимает слабости гипотезы панспермии. Конечно, давление солнечного света может придать споре микроорганизма третью космическую скорость, - но оно же будет отталкивать от звезды "чужие" микрочастицы. За миллионнолетние странствования гены неизбежно разрушатся космическим излучением. Разумеется, споры могут быть экранированы от него, например в метеоритах, но метеорит из-за большой массы не получит нужного ускорения давлением света. Да и вероятность того, что спора, ускоренная наугад, долетит до звезды с подходящими планетами, чересчур уж мала. Вероятность, что выстрел вслепую со стратосферного лайнера поразит, например, белку в глаз, намного выше. Конечно, за большой промежуток времени может произойти и маловероятное событие. Но времени-то как раз и не хватает.

И Крик выдвигает гипотезу направленной, управляемой панспермии. Предположим, пишет он, на какой-то из многочисленных планет во Вселенной миллиарды лет назад возникла некая сверхцивилизация. Ее носители, убедившись в том, что жизнь - штука редкая, возможно, уникальная, захотят распространить ее как можно шире. С этой целью сверхцивилизация начинает рассылать по всем направлениям, в свою и чужие галактики, автоматические ракетные корабли. Двигаясь со скоростью хотя бы 0.0015 % скорости света (около 3 миль/сек), они в среднем за 1000 лет достигнут ближайших систем с планетами и рассеют в их атмосферу пакеты с "пассажирами".

Такими пассажирами могут быть лишь замороженные и высушенные микроорганизмы. Они устойчивы к излучениям и перенесут сверхдлительный космический перелет. Устойчивы они и к огромным ускорениям, так что эти гипотетические корабли могут набирать скорость самым экономичным путем - взрывным ускорением в сотни g. Если условия на поверхности новой планеты окажутся пригодными, начнется стремительное размножение - и последующая эволюция, вплоть до появления человека.

А что значит пригодные условия? Мы знаем микроорганизмы, живущие без кислорода, в горячей серной кислоте, использующие в качестве источника энергии серу и восстановленные металлы. Многие земные бактерии, похоже, отлично выживут на Марсе или хотя бы на полюсах Венеры.

И Крик вспоминает старый спор между великими физиками-атомщиками Энрико Ферми и Лео Сцилардом. Сцилард был горячим сторонником сверхцивилизаций, рассеянных по космосу, и скептик Ферми спросил: "Если их много, почему мы их не видим и не слышим? Где же они?" И Крик полагает, что нашел ответ: "Они - это мы, вернее, мы - их сверхотдаленные потомки. В будущем мы, возможно, подхватим эту эстафету". (Крик подсчитывает, что даже наши современные космические корабли долетят до туманности Андромеды за 4 млрд. лет, когда от нашей цивилизации не останется даже праха.)

Однако доказательства космического происхождения жизни, выдвигаемые Криком и Орджелом, немногочисленны и неубедительны. Первое из них - повышенное по сравнению со средней концентрацией для общей массы Земли содержание молибдена в живых организмах. Молибден входит в состав ряда ферментов, например нитрогеназы микроорганизмов, связывающих атмосферный азот. Это ключевой фермент, делающий жизнь на Земле возможной. И Крик с Орджелом заключают: мы все эмигранты с богатой молибденом планеты. Но Морисабуро Эгами показал, что относительные единицы количества (кларки) для живой природы и морской воды по молибдену совпадают. Так что молибденовый след ведет не в космос, а в земной океан.

Второй довод Крика - внезапное возникновение микроорганизмов 3.8 млрд. лет назад. Увы, этот довод в равной мере годится для всех форм жизни, включая человека. Внезапность - артефакт, обусловленный спецификой палеонтологической летописи. Она всегда констатирует широкое распространение формы ("торжествующую обыденность"), а не процесс ее становления. Принцип телевидения и первые успешные попытки его применения известны с 20-х годов, но археологи будущего найдут первые обломки телевизоров, скорее всего, в слоях 50-х и ими датируют его внезапное возникновение. А на деле никакой внезапности не было.

Но главное не в этом. Самое досадное, что красивая гипотеза Крика не помогает. Даже призвав на помощь все планеты Вселенной, мы лишь в ничтожной мере повысим сверхкороткую вероятность возникновения протогена. Из исчезающе малой дроби (10-260) срежется каких-нибудь пятьдесят нулей после запятой - ни времени, ни места по-прежнему не хватает. Так что, перефразировав известное изречение Н.Бора, эта гипотеза недостаточно безумна, чтобы быть верной.

Пожалуй, до конца пошел в этом вопросе лишь астроном и математик Налин Чандра Викрамасингх (Шри-Ланка). Его исходные положения те же: жизнь не может возникнуть случайным путем. Для жизни нужно возникновение около 2000 ферментов - число пробных комбинаций 10-40000 (сорок тысяч нулей после запятой!). Вывод Викрамасингха: "Скорее ураган, проносящийся по кладбищу старых самолетов, соберет новехонький суперлайнер из кусков лома, чем в результате случайных процессов возникнет из своих компонентов жизнь". Но ведь происхождение жизни как-то надо объяснить? И Викрамасингх объясняет (или полагает, что объясняет, хотя это не одно и то же): "Свои собственные философские предпочтения я отдаю вечной и безграничной Вселенной, в которой каким-то естественным путем возник творец жизни - разум, значительно превосходящий наш".

У нас есть выбор. Можно, конечно, согласиться с астрофизиком из Шри-Ланки и на этом покончить с разгадкой происхождения жизни. А можно рассмотреть такую проблему: все статистические выкладки, приводящие к чудовищному количеству вариантов и, следовательно, к ничтожно малым вероятностям спонтанного возникновения протогена, верны. Вот только применимы ли они?

Полагаем, что повторить создание "Гамлета" не под силу не только миллиону обезьян, но и миллиону людей с пишущими машинками. Но - последний риторический вопрос: мог ли существовать театр, если бы "Гамлет" не был написан? Ведь в бурный елизаветинский век Шекспир мог бы попасть не в "Глобус", а, скажем, в экипаж к Фрэнсису Дрейку и сложить свою буйную голову в кругосветке "Золотой лани". Ясно, что мы имели бы театр без шекспировских пьес и не переживали бы по поводу их отсутствия. Ибо нельзя скорбеть по тому, что не появилось на свет.

И М.Эйген со своим примером - цитохромом С, и Ф.Крик с гипотетическим ферментом, и Н.Ч.Викрамасингх в расчетах исходят из того, что имеется только один пригодный вариант цитохрома С, по единственному варианту каждого фермента и так далее - то есть, не будь "Гамлета", и театра не было бы. А ведь это не так. Если вариантов множество (а их практически бесконечность), то и полипептидов, пригодных для работы, например в качестве фермента, так же должно быть практически бесконечное число.

Это утверждение допускает экспериментальную проверку. Если мы правы, то полипептиды, в которых аминокислотные остатки чередуются случайным образом (стохастические полимеры), должны проявлять биологическую активность. Как только стохастический полимер смог проявить ферментную активность при синтезе своей же матрицы - протогена, возникновение жизни можно было бы считать завершенным. Пусть эти полимеры работали хуже современных ферментов - не так эффективно и специфично. Но на то и отбор, чтобы корректировать их последовательности, совершенствуя функции.

Вот хороший пример: есть целая группа ферментов - сериновые протеазы, расщепляющие белки по амидным связям. Установлено, что активность их определяется наличием в последовательности тройки: серин-гистидин-аспартат - только тогда белок ускоряет расщепление (реакцию протеолиза) в 10 миллиардов раз против контроля. Если же мы будем убирать из последовательности сначала серин, потом гистидин, потом аспартат, активность соответственно будет снижаться в 2x106, 2x1O6 и 3x104 раз. Но и без магической тройки она не исчезнет, не будет нулевой.

Отсюда следует, что в достаточно большой и разнообразной совокупности случайно синтезированных полимеров можно найти такие, которые смогут выполнять функцию любого белка, например фермента, - такие опыты уже были поставлены. Американский исследователь X.С.Фокс смешивал сухие аминокислоты и нагревал их до 200?С; в результате получались полипептиды-цепочки из аминокислотных остатков, практически неотличимые от белков малой молекулярной массы. Мономеры в этих полимерах были распределены совершенно случайно, и в этой смеси вряд ли можно было найти две одинаковые молекулы. По-видимому, такие соединения - протеиноиды - легко возникали на начальном этапе существования Земли, например на склонах вулканов.

Х.С.Фокс и его сотрудник Л.Бахадур проверили, может ли смесь протеиноидов работать как фермент. Оказалось, что она проявляла активность, имитирующую функцию ферментов пирофосфатазы, каталазы, АТФазы. Другие исследователи, многократно проверив опыты Фокса, пришли к выводу, что подобная смесь может имитировать функцию практически любого фермента. Возможно, что протеиноиды катализировали синтез первых генов - матриц, на которых синтезировались уже настоящие белки, но тоже со случайными последовательностями. Как только среди них нашлась одна, способная ускорить синтез и репликацию своей матрицы - нуклеиновой кислоты, труднейшая проблема происхождения жизни была решена.

Для этого не требовалось сверхастрономического числа Вселенных и вмешательства сверхразума. В опытах Фокса участвовало не 10230 молекул, а существенно меньше - 1023,- одного моля, как говорят химики. Для возникновения жизни вполне хватило бы случайных химических реакций в достаточно большой грязной луже, вроде той, которую воспел Н.В.Гоголь в "Миргороде".

Опровергнуть эту концепцию можно посетив несколько планет земного типа из других звездных систем. Вполне возможно обнаружить на некоторых из них, хотя бы на одной, жизнь. Вот если тамошние гены и кодируемые ими белки будут гомологичны генам и белкам земных организмов, можно принять идею Творца.

Пока это не грозит: мы знаем, что и на Земле один и тот же ген не возникал дважды, как не было написано дважды любое литературное произведение, тот же "Гамлет".

24. Генетика и эволюция

Генетика представляет собой одну из основных, наиболее увлекательных и вместе с тем сложных дисциплин современного естествознания. Место генетики среди биологических наук определяются тем, что она изучает основные свойства организмов - наследственность и изменчивость .

В результате многочисленных - блестящих по своему замыслу и тончайших по исполнению - экспериментов в области молекулярной генетики современная биология обогатилась двумя фундаментальными открытиями, которые уже нашли широкое отражение в генетике человека, а частично и выполнены на клетках человека.

Без преувеличения можно сказать, что, наряду с молекулярной генетикой, генетика человека относится к наиболее прогрессирующим разделам генетики в целом. Ее исследования простираются от биохимического до популяционного, с включением клеточного и организменного уровней.

Генетика и эволюция

Под генотипом часто понимают всю наследственную систему. Любая наследственная система должна рассматриваться в трех аспектах: материальные носители, характер их взаимодействия между собой и определенность конечного результата (аспект целостности). Из такого системного подхода следует важный вывод: если завтра будет известна полная последовательность ДНК данного организма, этих сведений будет недостаточно для понимания того, как же функционирует эта структура. Необходимо знать характер связей между генами, изменчивость нормы реакции, условия онтогенеза, т. е. динамический аспект организации генотипа.

Очевидно, что существуют не только структурные, но и динамические способы кодирования, хранения и передачи наследственной информации. Генетика - это наука о наследственности. Под геномом имплицитно подразумевается вся наследственная система клетки. Термины геном и генотип стали в этом расширительном смысле семантически близки, отчасти синонимичны.

Наследственная система или геном клетки эукариот слагается из двух полуавтономных структурных подсистем - ядерной и цитоплазматической.

Совокупность наследственных структур и локализованных в них наследственных факторов ядра иногда обозначают термином нуклеотип, а совокупность цитоплазматических наследственных факторов - цитотип.[ Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. -- СПб.: Борей Арт, 2000. -- С. 141.]

Открытия Г. Менделя (к истории вопроса). Грегором Менделем (1822-1884), были открыты основные законы наследуемости, которые были описаны более века назад.

Когда чешский монах, Георг Мендель в 1865 году опубликовал свою теорию наследственности, то, как это часто бывает в научном мире со слишком смелыми теориями, ее не приняли. Понадобилось почти 40 лет, аж до 1900 года, когда были открыты хромосомы, опыты его вспомнили, выделенные законы стали основой новой науки.

В истории генетики очень велика была роль концептуальных открытий, к которым следует отнести введение новых терминов, понятий, способов представления данных, символики, а также собственно концептуальных конструктов и открытий. Уже Г.Г.Мендель ввел буквенную символику для обозначения разных факторов и обозначения фенотипически контрастных и отличающихся по характеру доминантности - рецессивности состояний одного и того же наследственного фактора. Это дало возможность представить в ясной форме характер наследования признаков в ряду поколений, установить количественные закономерности расщепления и анализировать его сложные случаи. Удивительна судьба понятия "ген".[ Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. -- СПб.: Борей Арт, 2000. -- С. 21.]

Открытие двойной спирали ДНК и принципов редупликации - выдающееся научное открытие XX века - расшифровка двойной спирали ДНК - стало своеобразной вехой, знаменующей рождение принципиально новой, молекулярной генетики, появились новые направления и уникальные методы исследований, основанные на анализе структуры макромолекул.

Благодаря открытию Уотсона и Крика, удалось, в частности, понять лишь ощущавшийся в 20-40-е годы прошлого столетия принцип редупликации, самовоспроизведения генов.

Уотсон и Крик в знаменитой публикации 1953 года в журнале "Nature" так его сформулировали: "От нашего внимания не ускользнул тот факт, что из постулируемой нами избирательной сочетаемости пар (нуклеотидов А-Т, Г-Ц. - Ю.А.) вытекает возможный механизм копирования генетического материала". Работа Уотсона и Крика связала генетику с такими точными науками, как физика и химия, способствовала открытию генетического кода и породила лавину исследований, сделавших молекулярную генетику передовым краем биологии. Современная генетика - молекулярной своей частью, не исчерпывается, это - сложная и сильно дифференцированная наука.

Ее можно представить в виде древа, корнями которого служат законы наследственности, открытые в середине XIX века Грегором Менделем, а ветвями - различные научные направления, сформировавшиеся в процессе естественного развития генетики, в том числе и в последние десятилетия. Если обратиться к уровням организации жизни, то можно выделить популяционную генетику (ведет исследования на уровне популяций), физиологическую генетику и генетику развития (изучают наследственные свойства целостного организма), цитогенетику (клеточный уровень), молекулярную генетику (молекулярный уровень).

Существуют и так называемые частные генетики, которые описывают наследственные особенности различных биологических видов: дрозофилы, крупного рогатого скота, курицы, собаки, кошки, человека и т.д. Наконец, могут быть и более крупные подразделения: генетика животных, генетика растений, генетика микроорганизмов и, кроме того, существует огромная область, именуемая медицинской, или клинической, генетикой.[ Статья: ГЕНЕТИКА - ЦЕЛОСТНАЯ НАУКА. Беседа с академиком Ю.П. Алтуховым]

Геном человека и геном животных - сходства и различия. Сравнение геномов человека, шимпанзе и других млекопитающих позволяет выявить все больше генетических особенностей, отличающих нас от других животных. Однако функциональное значение большинства выявленных отличий пока не установлено, и даже сколько-нибудь обоснованные гипотезы удается выдвинуть лишь в немногих случаях.

Вопрос отличия человека от животного, издавна не дает покоя ученым. Хотя этологи и зоопсихологи в последние годы превзошли самих себя в отыскании у животных многих особенностей мышления и поведения, считавшихся ранее чисто человеческими, какие-то отличия все же, безусловно, имеются.

Особые надежды возлагаются на сравнение человеческого генома с геномом шимпанзе. Это позволяет сразу исключить из рассмотрения те 98% генома, которые идентичны у наших видов. Где-то там, в оставшихся двух процентах, зашифрована тайна человеческой уникальности. За успехами этих исследований общественность следит с неослабевающим интересом. На сегодняшний день узнать о тех изменениях, которые произошли в нашем геноме после того, как около 6 млн. лет разошлись эволюционные пути человека и шимпанзе?

1. Изменения белков. Те части генома, которые кодируют белки, изменились очень мало. Различия в аминокислотных последовательностях белков у человека и шимпанзе составляют значительно менее 1%, да и из этих немногочисленных различий большая часть либо не имеет функционального значения, либо это значение остается неизвестным. Лишь в отдельных случаях удалось выдвинуть обоснованные гипотезы о возможной функциональной роли этих изменений.

2. Изменения регуляторных РНК. Еще один метод поиска "перспективных" районов человеческого генома основан на выявлении таких участков ДНК, которые у шимпанзе и других животных сходны между собой, а у человека сильно отличаются. Таким способом было выявлено 49 участков генома, в которых у наших предков произошли радикальные изменения уже после того, как разошлись эволюционные линии шимпанзе и человека.

Попытки найти в этих 49 участках что-нибудь осмысленное привели к открытию гена HAR1F. Этот ген кодирует не белок, а маленькую регуляторную РНК, которая активно синтезируется в мозге эмбриона как раз в тот период, когда закладывается структура коры больших полушарий (на седьмой-девятнадцатой неделе). Этот ген, как выяснилось, есть не только у всех млекопитающих, но и у птиц. Однако человеческий HAR1F имеет 18 отличий от шимпанзиного, а шимпанзиный от куриного - только два. Осталось лишь понять, какие гены регулирует эта маленькая регуляторная РНК, как она это делает и зачем.

3. Изменения активности генов. Эволюция многоклеточных организмов в целом и приматов в частности протекает не столько за счет изменения структуры генов, сколько за счет изменения их активности. Небольшое изменение в верхних этажах иерархически организованных генно-регуляторных контуров может приводить к самым радикальным изменениям морфологии. При этом количество измененных нуклеотидов в геноме может быть очень небольшим. Активность генов регулируется множеством способов, но самой универсальной у высших организмов является регуляция при помощи специальных белков - транскрипционных факторов (ТФ). Любопытно, что почти все гены, чья активность в клетках мозга сильно различается у человека и шимпанзе, у человека работают активнее. Что бы это значило? Никто пока не знает.

4. Удвоение генов. Активность генов может меняться в ходе эволюции не только под действием различных регуляторов - ТФ или регуляторных РНК - но и в результате дупликации генов. При прочих равных два одинаковых гена произведут больше продукта, чем один. Дупликация генов, так же как и их потеря - весьма обычное явление в эволюции. В человеческой эволюционной линии (после ее обособления 6 млн лет назад) произошло как минимум 134 генных дупликации. Удваивались не только гены, но и все то, что находится между ними - всевозможные некодирующие участки ДНК, функция которых в большинстве случаев неизвестна. Иногда происходило удвоение отдельных фрагментов генов. Функция гена, как водится, неизвестна, но он несет следы действия отбора и активно работает в клетках мозга (Popesco et al., 2006).

5. Новые гены. Удвоение генов часто становится первым шагом к возникновению принципиально новых генов. Одна из двух копий гена, оказавшись в ином "окружении", может начать по-другому регулироваться, работать в других тканях или на иных этапах развития организма. Но это - долгий путь. В какой степени он был реализован в эволюции человека, толком пока не известно. Сейчас генетики занимаются в основном подготовительной работой: проводят широкомасштабные геномные "сканирования" и составляют длинные списки "генов-кандидатов". На сегодняшний день одним из наиболее хорошо "проработанных" кандидатов считается ген prodynorphin (PDYN), в регуляторной области которого произошли изменения, следствием которых могли стать перемены в эмоциональной регуляции человеческого поведения.

Программа "Геном человека" и ее перспективы. Направления этой программы, активно проникают во все сферы жизни человека, и позволяют уже сейчас говорить о быстро нарастающем "генетизации" человечества.

В 1990 активным инициатором и пропагандистом программы "Геном человека" стал знаменитый Джеймс Уотсон, а главным распорядителем финансов - Национальный Институт Здравоохранения США, в составе которого в 1995 году появился Национальный Институт Генома Человека, который возглавил Френсис Коллинз. В этом же году он стал и руководителем Международной программы "Геном Человека", к которой присоединились ведущие молекулярные лаборатории Великобритании, Франции, Германии, Японии и России. Решающая роль в становлении и развитии одноименной отечественной подпрограммы принадлежит выдающемуся ученому академику А.А.Баеву.

Из более 30 тысяч генов уже идентифицированных на физической карте генома человека, на сегодняшний день изучены в функциональном отношении не более 5-6 тыс.

Каковы функции остальных 25 тысяч уже картированных и такого же числа еще некартированных генов, остается совершенно неизвестным и составляет основную стратегическую задачу исследований в программе "Функциональная Геномика". Нет сомнения в том, что именно изучение структуры, функции и взаимодействия белков станет основой функциональной геномики, которую уже сейчас не редко называют "протеономикой" (Киселев, 2000).

Методы направленного мутагенеза эмбриональных стволовых клеток с целью получения лабораторных животных (мышей) -- биологических моделей наследственных болезней (Горбунова, Баранов, 1997), создание банков ДНК различных тканей и органов на разных стадиях онтогенеза; разработка методов изучения функций участков ДНК, не кодирующих белки; развитие новых технологий по сравнительному анализу экспрессии многих тысяч генов -- вот уже существующие подходы в решении проблем функциональной геномики.

Предполагается, что когда будет создан генный портрет генома человека, станет возможной идентификация 200-300 тыс. белков. Выяснить их появление в онтогенезе, исследовать "экспрессионный профиль" сотен и тысяч генов на микропланшетах для мониторинга экспрессионного статуса клеток и тканей в норме и при различных заболеваниях -- центральная задача Функциональной Геномики в так называемую постгеномную эру (Киселев, 2000). Решение ее непосредственно связано с проблемами молекулярной медицины.

Квантово-механические источники генетических мутаций. Для объяснения эмпирически установленного факта сравнительно быстрого формирования крупных систематических групп, впоследствии длительное время существующих без заметных изменений своих основных характерных черт, - семейств, отрядов, классов и т.д. - в процессе эволюции предковая группа утрачивает приспособленность к своей адаптивной зоне и затем либо быстро преодолевает неустойчивое состояние ("неадаптивная фаза", "интервал нестабильности"), развивая комплекс приспособлений к какой-то новой адаптивной зоне, либо вымирает.

Важное достоинство этой теории - ее экологическая составляющая. Однако появилась эта теория слишком рано, когда принципы синэкологии еще не были достаточно разработаны, и убедительных палеоэкологических реконструкций далекого геологического прошлого Земли не существовало.[ Чудов С.В. Устойчивость видов и популяционная генетика хромосомного видообразования: Монография. - М: МГУЛ, 2002. - С.34.]

Время их образования - ранние периоды геологической истории, такие как кембрий и ордовик, или же кризисные эпохи после массовых вымираний, применительно к которым об устойчивых экосистемах с высокой плотностью упаковки ниш вообще нельзя говорить. Природа так придумала, что большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами. Имеется избыток и вариативность информации, чтобы сделать то, что нужно наверняка. Установлено, что молекул ДНК в ядрах клеток столько, что их хватило бы на образование в 10 раз большего числа генов. Это подобно вырождению в квантовых физических состояниях, когда разные волновые функции соответствуют одному и тому же значению собственной энергии. Такой код в молекулярной биологии также называется вырожденным в том смысле, что несколько разных триплетов передают один и тот же смысл, т.е. являются по существу синонимами. Было также установлено, что сама структура генетического кода для всего живого одинакова.

Таким образом, признаки и свойства живых организмов, зафиксированные в молекулах ДНК, генах и хромосомах, хранятся и передаются химическим путем, комбинацией соответствующих органических молекул. Ген выступает как неделимая единица наследственности и в различных мутациях изменяется как целое. Его можно назвать квантом наследственности. В настоящее время установлено, что признаки передаются дискретным образом через эти дискретные образования - гены, что позволяет ввести в биохимическую генетику квантово-механические представления физического микромира.

Следовательно, наследственность по своей природе дискретна, и для изучения ее могут быть использованы математические и физические модели. Это отмечал еще Шредингер: «Уже сам принцип дискретности, прерывистости наследственности, лежащей в основе генетики, очень созвучен атомарной теории строения вещества».

В генетической системе обнаруживаются те же закономерности, что и в квантовом мире: атомизм, высокая упорядоченность дискретных единиц, возможность их комбинации и образование других порядков прерывистой наследственности, скачкообразность переходов из одних состояний в другие, а также вырождение состояний. И.А. Рапопорт установил некоторые аналогии между генными нуклеотидами и кварками с барионами (три кварка в барионе и три нуклеотида в триплете), подобие взаимодействий нуклеотидов и кварков, отсутствие тех и других в свободном состоянии и т.д.

25. Биоэтика.

Биоэмтика (от др.-греч. ???? -- жизнь и ????? -- этика, наука о нравственности) -- учение о нравственной стороне деятельности человека в медицине и биологии.

БИОЭТИКА - область междисциплинарных исследований этических, философских и антропологических проблем, возникающих в связи с прогрессом биомедицинской науки и внедрением новейших технологий в практику здравоохранения.

Содержание биоэтики. Развитие биоэтики обусловлено тем, что в современном мире медицина претерпевает процесс цивилизационных преобразований. Она становится качественно иной, не только более технологически оснащенной, но и более чувствительной к правовым и этическим аспектам врачевания. Этические принципы для новой медицины хотя и не отменяют полностью, но радикально преобразуют основные положения «Клятвы Гиппократа», которая была эталоном врачебного морального сознания на протяжении веков. Традиционные ценности милосердия, благотворительности, ненанесения вреда пациенту и другие получают в новой культурной ситуации новое значение и звучание. Именно это и определяет содержание биоэтики.

К биоэтическим обычно относят моральные и философские проблемы аборта; контрацепции и новых репродуктивных технологий (искусственное оплодотворение, оплодотворение «в пробирке», суррогатное материнство); проведения экспериментов на человеке и животных; получения информированного согласия и обеспечения прав пациентов (в том числе с ограниченной компетентностью - например, детей или психиатрических больных); выработки дефиниции (определения) смерти; самоубийства и эвтаназии (пассивной или активной, добровольной или насильственной); проблемы отношения к умирающим больным (хосписы); вакцинации и СПИДа; демографической политики и планирования семьи; генетики (включая проблемы геномных исследований, генной инженерии и генотерапии); трансплантологии; справедливости в здравоохранении; клонирования человека, манипуляций со стволовыми клетками и ряд других.

Размещено на Allbest.ru