Генетика и самовоспроизводство жизни

2

Содержание

Введение………………………………………………........…..………………….2

1. Значение клетки……………………………………...……………………3

2. Воспроизводство жизни………………………….………………...…….6

3. Развитие генетики…………………………………..…………....………10

4. Генетическая инженерия и генетика в XXI в……..…………....………13

Заключение………………………………………………..…………........……15

Список использованных источников……………………………........………17

Введение

Генетика (греч. genos - происхождение) - наука, изучающая механизм и закономерности наследственности и изменчивости организмов.

Общая масса всех живых организмов на Земле равна около 3,6?10¹² т, что составляет всего лишь около 0,02 % от массы всех неживых тел или косного вещества, по терминологии В. Вернадского.

С учетом информации, которой располагают сегодня ученые, о свойствах, строении, обмене веществ и других особенностях живых систем некоторые исследователи дают определения жизни, однако общепризнанного определения жизни нет.

Более того, часто во многих авторитетных изданиях их авторы, как правило, избегают вопроса об общем определении жизни, ссылаясь, вполне справедливо, на недостаточную изученность живых систем.

Например, в начале своей интересной и во многом спорной книги «Эгоистический ген» Р. Докинз пишет, что основной тезис его книги заключен в утверждении: все животные и человек представляют собой машины, создаваемые генами.

И в то же самое время, немного дальше по тексту, это автор правильно подчеркивает, что человек является единственным живым существом, на которое преобладающее влияние оказывает культура, приобретенная предыдущими поколениями.

Ниже приводятся определения жизни из книги: «Биология, пособие-репетитор»: «Жизнь - это макромолекулярная система, для которой характерна определенная иерархическая организация, а также способность к воспроизведению, обмен веществ, тщательно регулируемый поток энергии, -являет собой распространенный центр упорядоченности в менее упорядоченной Вселенной».

Это определение принадлежит К. Гробстейну, известному американскому биологу.

1. Значение клетки

Научное знание в области строения живого в большей степени достоверно за счет успехов, достигнутых новой наукой - молекулярной биологией.

Можно сказать, что примерно в середине прошлого столетия произошла научная революция в биологии, вторая в прошлом веке после научной революции в физике, и благодаря ей биология выбилась в лидеры «соревнования» между науками.

Во второй половине XX в. были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней.

«Клетка - это своего рода атом в биологии. Точно так же, как разные химические соединения сложены из атомов, так и живые организмы состоят из огромных скоплений клеток. Из работ физиков мы знаем, что все атомы очень похожи друг на друга: в центре каждого атом находится массивное, положительно заряженное ядро, а вокруг него вращается облако электронов - это как бы солнечная система в миниатюре! Клетки, подобно атомам, также очень сходны друг с другом. Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в «полужидкой» цитоплазме. Все вместе заключено в клеточную мембрану».

Основное вещество клетки - белки, молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или браслеты с брелоками, состоящими из главной и боковой цепей.

У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппаратом. В клетке и происходит процесс воспроизводства белков в соответствии с генетическим кодом организма. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать.

Если же случится, что в клетку попадут вредные для организма бактерии и другие инородные тела, то с ними вступает в бой иммунная система - блуждающие клетки, которые у низших животных играют роль пищеварительных органов, а у высших животных, в том числе человека, их значение заключается именно в защите специфического строения данного организма (теория иммунитета разработана русским ученым И.И. Мечниковым).

О размерах клетки и содержания в ней веществ свидетельствует такая аналогия.

«Представьте себе, что мы увеличим человека до размеров Великобритании. Тогда одна его клетка будет примерно такой же величины, как фабричное здание. Внутри клетки находятся большие молекулы, содержащие тысячи атомов, в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот, даже при этом огромном увеличении, которое мы себе вообразили, молекулы нуклеиновой кислоты будут тоньше электрических проводов».

Сопоставление клетки с фабрикой не случайно. «Любой живой организм можно уподобить гигантской фабрике, на которой производится множество разнообразных химических продуктов; на ней производится и энергия, приводящая в движение всю фабрику. Более того, она может воспроизводить самое себя (что для обычных фабрик совершенно невозможно!).

И если теперь вспомнить, насколько сложны все эти производственные процессы, то станет ясно, что весь сложный комплекс операций, производимых на фабрике, нельзя вести как попало, без должной организации, без подразделения на цеха, внутри которых установлены рядами станки и машины, и т.д.

Иными словами, для того чтобы в живом организме все процессы протекали согласованно, необходима какая-то определенная организация составляющих его структур». Ученые выясняют, как работает эта «фабрика» и какой механизм ее воспроизводства.

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями.

Например, для одного процесса брожения нужна дюжина ферментов, каждый из которых управляет одной реакцией и действует только на строго определенный вид молекул.

Все ферменты - белки. Фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч «дирижеров-ферментов». Это станки и машины «фабрики».

В качестве примера процессов, проходящих в клетках и тканях организма, рассмотрим роль гемоглобина - глобулярного белка красных кровяных клеток - эритроцитов, цепи которого свернуты в сферу.

По словам Дж. Кендрью, «присутствием гемоглобина обусловлен красный цвет крови. Функция этого белка состоит в том, чтобы переносить кислород из легких к тканям. Гемоглобин обладает замечательной способностью связывать молекулярный кислород. Точнее говоря, одна молекула гемоглобина может связать одновременно четыре молекулы кислорода.

В легких, где давление кислорода выше, происходит присоединение молекул кислорода к гемоглобину. Гемоглобин доставляет их к тканям, но там давление ниже, и кислород освобождается. Далее происходит диффузия кислорода внутрь клеток. В клетке молекулы кислорода встречаются с другим белком - миоглобином. Это как бы младший брат гемоглобина; его молекула в четыре раза меньше и способна взять не четыре, а только одну молекулу кислорода. Миоглобин тоже красный; этим объясняется красный цвет мяса. Молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину, где и хранятся до тех пор, пока не потребуются клетке».

Молекулярная биология, изучающая биологические процессы на молекулярном уровне, - один из наиболее ярких примеров конвергенции двух наук: физики и биологии.

Начиная с первых десятилетий прошлого века, произошло так называемое «впутывание» физики и химии в объяснении природы живого. Хотя ряд ученых, не биологов по образованию, уже участвовали в исследовании природы живого. Луи Пастер, Георг Мендель были, например, физиками по образованию.

Дискуссии по поводу «впутывания» физики и химии в объяснение живого основывалось, как правило, на следующей аргументации.

Все организмы состоят из атомов, следовательно, они должны подчиняться физическим и химическим законам. Организмам принадлежит способность создания упорядоченности из беспорядка, но физико-химическая сторона этой способности не выходит за пределы второго закона термодинамики. Жизнь поддерживается за счет ядерных реакций в недрах Солнца. Жизнь и дождевые тучи - это явления единого мира. Ген, как единица наследственности и изменчивости, - это апериодический кристалл, сопротивляющийся флуктуациям (отклонениям), нарушающим условия существования живого. Это движение привело к современному уровню развития генетики и исследованию эволюции живого.

2. Воспроизводство жизни

Три самых важных составляющих процесса развития организма:

1) оплодотворение (слияние половых клеток) при половом размножении;

2) воспроизводство в клетке по данной матрице определенных веществ и структур;

3) деление клеток, в результате которого организм растет из одной оплодотворенной яйцеклетки.

Существует два способа деления клеток.

Митоз - это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с набором хромосом (части ядер клеток), идентичными наборам родительской клетки.

Мейоз - это деление клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро.

Первый способ характерен для всех клеток, кроме половых; второй - для половых клеток. При всех формах клеточного деления ДНК каждой хромосомы реплицируется.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой выступают молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов (напоминает винтовую лестницу).

В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом и содержит около 1 млрд пар оснований, дина ее около 1 м.

Если составить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она сможет протянуться через всю Солнечную систему.

Носители информации - нуклеиновые кислоты - содержат азот и выполняют три функции:

1) самовоспроизведение;

2) хранение информации;

3) реализацию этой информации в процессе роста новых клеток. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты (каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определенный набор из трех мономеров НК - так называемый триплет). Генетическая информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании ферментов, которые делают возможным строение живого тела.

Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путем синтеза различных белков согласно генетическому коду. Сходство и различие тел определяется набором белков. Чем ближе организмы друг к другу, тем более сходны их белки.

Молекулы ДНК - это как бы набор, с которого «печатается» организм в «типографии» Вселенной.

Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном (знаменитая гипотеза - «один ген - один фермент»). Гены расположены в хромосомах.

Процесс воспроизводства состоит из трех частей, называющихся тремя ключевыми словами: репликация, транскрипция, трансляция.

Репликация - это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток.

В основе способности клеток к самовоспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две идентичные.

Как происходит репликация? ДНК распределяется на две цепи, а затем из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, формируется вдоль каждой цепи еще одна цепь. 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.

Вторая часть процесса воспроизводства - транскрипция представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК (информационная РНК - копия части молекулы ДНК, одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции).

РНК отличается от ДНК тем, что вместо дезоксирибозы содержит рибозу (речь идет об одной гидроксильной группе ОН каждого сахарного кольца), а вместо азотистого основания тимина содержит урацил.

Третья часть процесса воспроизводства - трансляция - это синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки - рибосомах, куда доставляет аминокислоты транспортная РНК.

Основной механизм, с помощью которого молекулярная биология объясняет передачу и переработку генетической информации, по существу, является петлей обратной связи. ДНК, содержащаяся в линейно-упорядоченном виде всю информацию, необходимую для синтеза различных протеинов (без которых невозможно строительство и функционирование клетки), участвует в последовательности реакций, в ходе которых информация кодируется в виде определенной последовательности различных протеинов.

Некоторые ферменты осуществляют обратную связь среди синтезированных протеинов, активируя и регулируя не только стадии превращений, но и автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать генетическую информацию со скоростью размножения клеток.

Как показали исследования по молекулярной биологии последних десятилетий, петли положительной обратной связи (вместе с отрицательной обратной связью и более сложными процессами взаимного катализа) составляют самую основу жизни. Именно такие процессы позволяют объяснить, каким образом совершается переход от крохотных комочков ДНК к сложным живым организмам.

Как получаются именно разные белки и клетки? Французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно предложена следующая гипотеза. Ген-регулятор производит молекулу-репрессор. Она выключает, когда нужно, оператор, который размещается на одном конце оперона - группы генов, и в результате данные ферменты не производятся.

3. Развитие генетики

Генетика прошла в своем развитии семь этапов.

1) Г. Мендель (1822 - 1884) открыл законы наследственности. Скрещивая гладкий и морщинистый сорта гороха, он получил в первом поколении только гладкие семена, а во втором поколении - ? морщинистых семян.

И он догадался: в зародышевую клетку поступает два наследственных задатка - от каждого из родителей. Если они не одинаковые, то у гибрида проявляется один доминантный (преобладающий) признак - гладкость. Рецессивный (уступающий) остается как бы в скрытом состоянии. В следующем поколении признаки распределятся в соотношении три к одному.

«Когда австрийский монах Грегор Мендель развлекался наблюдением результатов скрещивания красно- и белоцветущего гороха в монастырском саду, даже наиболее дальновидные его современники не могли вообразить себе всех последствий его находок», - справедливо писал Г. Селье.

Результаты исследований Г. Менделя, опубликованные в 1865 г., не обратили на себя внимания и были переоткрыты после 1900 г.

2) А. Вейсман показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани.

Несмотря на убедительные опыты А. Вейсмана, которые было легко проверить, победившие в советской биологии сторонники Т.Д. Лысенко долго отрицали генетику, называя ее вейсманизмом-морганизмом. В этом случае идеология победила науку, и многие ученые, как, например, Н.И. Вавилов, были репрессированы.

3) Гуго де Фриз (1848 - 1935) открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникали вследствие мутаций.

Понятие мутации в генетике аналогично понятию флуктуации в синергетике.

Мутация - это частичное изменение структуры гена.

Конечный ее эффект - изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменениями температуры, наконец, могут быть просто случайными.

«Согласно нашей аналогии, мутации, очевидно, представляют собой опечатки, неизбежно появляющиеся при каждом новом переиздании Книги Жизни. Подобно тому, как в наших книгах опечатки чаще всего приводят к бессмыслице и крайне редко улучшают текст, так и мутации почти всегда приносят вред; чаще всего они просто убивают организм или клетку на очень ранних стадиях, и мы даже не замечаем, что они вообще существовали на свете.

С другой стороны, тот факт, что мутация летальна, сам по себе исключает опечатку из последующих изданий, ибо содержащая эту мутацию клетка никогда не произведет себе подобных. В иных случаях мутация может оказаться вредной, но не летальной. Она появится и в новых клетках, но есть надежда, что такие вредные мутации в последующих поколениях исчезнут в результате естественного отбора.

Изредка все же считается, что мутация оказывает благоприятное действие. Она уже не исчезает, поскольку создает организму большие преимущества в борьбе за существование. В конце концов, эта мутация будет постоянно включаться в Книгу Жизни данного вида организмов. Так протекает процесс эволюции».

4) Т. Морган (1866 - 1945) создал хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому биологическому виду присуще свое строго определенное число хромосом.

5) Г. Меллер в 1927 г. установил, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и то, что впоследствии было названо генетической инженерией с ее грандиозными возможностями и опасностями вмешательства в генетический механизм.

6) Дж. Бидл и Э. Татум в 1941 г. выявили генетическую основу процессов биосинтеза.

7) Д. Уотсон и Ф. Крик предложили модель молекулярной структуры ДНК и механизма ее репликации.

То, что именно ДНК - носитель наследственной информации, выяснилось в середине 1940-х гг., когда после перенесения ДНК одного штамма бактерий в другой в нем стаи появляться бактерии штамма, чья ДНК была взята.

Двадцатилетний Уотсон, приехав из США В Кембридж в 1953 г., должен был заниматься изучением структуры белка. Он подолгу беседовал с Ф. Криком о появившихся только что улучшенных рентгенограммах ДНК и правилах спаривания ее оснований. Им удалось расшифровать ДНК за несколько недель.

Чуть позже был открыт триплетный перекрывающийся (как азбука Морзе) генетический код, универсальный для всех организмов, и ядро стало пониматься как орган управления, содержащий всю информацию о клетке.

Продолжая аналогию ДНК с книгой, можно сказать, что аминокислота - это слово, то бактерия - книга, а человек - огромная энциклопедия.

В заключение несколько слов о вирусах, которые в тысячу раз больше обычных молекул белка, не питаются и не растут, а воспроизводятся только в клетке хозяина. Изучение их как раз хорошо демонстрирует значение аппарата наследственности.

Вирус имеет головку и спираль с хвостом. Спиральная пружина сжимается и, подобно игле, проталкивает хвост внутрь клетки. Затем через трубку впрыскивается ДНК, и часто уже через несколько минут клетка разрывается, освобождая сотню и больше новых вирусных частиц, готовых к заражению новых клеток.

Процесс заражения сходен с государственным переворотом. Вирус как бы совершает революцию в клетке.

Если в организме нормально функционирует иммунная система, то зараженные клетки уничтожаются действующими в организме защитными «клетками-полицейскими». Если же иммунная система ослаблена, (когда, скажем, человек болен СПИДом), то нападение вирусов приводит беззащитный организм к гибели.

4. Генетическая инженерия и генетика в XXI в.

Крупнейшее научное достижение конца XX - начала XXI в. - расшифровка генетического кода человека, что имело не только теоретическое, но и огромное практическое значение.

Уже сейчас на основе этого открытия возможно составление генетических паспортов новорожденных, в которых могут быть указаны не только их генетические признаки, но и грозящие им наследственные заболевания и сформулированы, исходя из этого, рекомендации о желательном образе жизни.

Практическое значение генетики реализуется в развитии ее прикладного направления, получившего название генетической инженерии.

Генетическая инженерия в числе прочего занимается созданием генетически модифицированных продуктов, т.е. таких продуктов, в которые введены новые гены от других видов, изменяющие их свойства (скажем, ген, приводящий к тому, что картофель не уничтожается колорадским жуком); клонированием животных, т.е. выращиванием на основе ДНК организмов из одной клетки их генетических двойников.

Генетическую инженерию разделяют на:

ь клеточную, занимающуюся выращиванием целостного организма из одной клетки (она уже давно применяется при селекции растений);

ь хромосомную, занимающуюся заменой пар хромосом, взятых от других видов (тоже широко применяется в селекции растений);

ь генную, занимающуюся переносом генов (трансгенезом).

В развитии генетической инженерии появляются в полной мере те потенциальные опасности эволюции науки, о которых говорилось выше. В некоторых странах законодательно запрещены эксперименты по клонированию человека.

В то же время генетику называют одной из самых перспективных наук XXI в., с которой связывают успехи в лечении наследственных заболеваний, повышении урожайности сельскохозяйственных культур, продлении продолжительности жизни человека до 120 и более лет.

Генетика свидетельствует: мы несем в себе информацию наших умерших предков, всей природы. Это же говорит и об ответственности, налагаемой на нас природой.

Перед современной генетикой стоят проблемы изучения сочетаний (связок) генов, их динамики (меняются ли признаки или нет), поиска социально обусловленных генов.

Что же касается биологии в целом, то «биологи прежних лет в целом продвигались сверху вниз. Они начинали с целого организма, потом разнимали его на части и рассматривали отдельные органы и ткани; далее они изучали отдельные клетки под микроскопом - так мало-помалу они продвигались вниз, от сложного к простому. Новая биология - стала изучать отдельные молекулы и взаимодействие внутри клеток, пренебрегая всем остальным. Теперь пришла пора обратиться к этому остальному и двигаться вверх вдоль иерархии биологической организации».

По этому пути и идет современная биология.

Заключение

В целом современная генетика к началу XXI в. пришла к следующим результатам:

1) В одном наборе хромосом ДНК клетки человека содержится 3,5?10⁹ пар азотистых оснований, следовательно, в двойном наборе хромосом ДНК клетки человека - 7 млрд пар азотистых оснований.

2) Ген - это участок ДНК, состоящий из последовательности нуклеотидов или пар азотистых оснований, который кодирует белок или РНК. Главное свойство гена - это сочетание высокой устойчивости как единицы наследственности, передаваемой от поколения к поколению, со способностью к наследуемым изменениям, мутациям в качестве основы их изменчивости.

3) Ген имеет экзон-интронное строение. Экзоны - это участки гена, которые кодируют белок или РНК. Интроны - это участки гена, не участвующие в кодировании ни белка, ни РНК. По мнению большинства генетиков, это строение гена характерно для человека и некоторых других высших животных, но не для бактерий, в их генах нет интронов. Такое строение гена у человека создает широкие возможности кодирования белков или РНК: снимается копия с ДНК в виде матричной РНК, в которой присутствуют интроны, затем эта первичная м-РНК преобразуется в основную м-РНК без копий интронов. «Вырезая» в разном порядке интроны, можно соединять в разной комбинации экзоны, как из букв одного слова можно создать иногда большое количество других слов.

4) Подсчет числа генов у человека основывается на разных методиках, поэтому часто приводят разные числа от 40 000 до 100 000 генов. Трудность подсчета генов животных состоит в том, что чем выше уровень сложности строения и поведения организма, тем больше в его ДНК последовательностей нуклеотидов, которые не кодируют ни белок, ни РНК. В 21-й хромосоме человека есть участок в 7 млн пар нуклеотидов. В нем обнаружен один ген.

5) В 2003 г. было установлено, что из 3,5 млрд пар нуклеотидов в одном наборе хромосом ДНК клетки человека чуть больше 1 % участвуют в кодировании белка, более 28 % пар нуклеотидов участвуют в кодировании РНКК, а остальные 70 % пар выполняют какие-то другие функции в геноме человека. Первоначально эту часть ДНК назвали «эгоистической ДНК», т.е. существующей только ради самой себя. Сегодня анализ именно этой части ДНК человека открывает много непонятной информации, которая со временем получит соответствующее объяснение.

6) Геномом человека называют сегодня всю наследственную информацию человека, включая «эгоистическую ДНК».

7) Изучение генома человека освещает по-новому проблему точности, «молекулярных часов». Стало известно, что большинство точечных мутаций (замена одного нуклеотида на другой) происходит в среднем с частотой 175 новых мутаций на одно поколение (25 лет). Поскольку большинство мутаций являются нейтральными для организма, то они могут сохраняться в эволюции организмов длительное время. Современные данные о скорости изменения ДНК организмов разных видов позволяют установить в среднем, как часто в ДНК того или иного генома происходят мутации за 1 млн лет. Сравнивая организмы разных видов по сходству и различию состава их геномов, «молекулярные часы» могут указать примерное время, когда эти два вида имели общего предка.

Список использованных источников

1. Бондарев, В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Альфа-М, 2003. - 464с.

2. Горелов, А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Высшее образование, 2007. - 335с. - (Основы наук)

3. Концепции современного естествознания: Учебное пособие/ под общ. ред. проф. С.И. Самыгина. - М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д; Издательский центр «МарТ», 2007. - 240с. - (серия «Учебный курс»)

4. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2005. - 317с.

5. Лихин, А.Ф. Концепции современного естествознания: Учебник. - М.: ТК Велби, Издательство Проспект, 2006. - 264с.

6. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. - М.: Издательство Эксмо, 2005. - 464с. - (Образовательный стандарт XXI)

7. Соломатин, В.А. История и концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: ПЕР СЭ, 2002. - 464с. - (Современное образование)

8. Шипунова, О.Д. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Гардарики, 2006. - 375с.