Теории происхождения и расширения Вселенной. Особенности современного естествознания

Около 3,8 млрд. лет назад сложилась первая легкая и, следовательно, "непотопляемая" гранитная кора. В то время планета уже имела воздушную оболочку и океаны; необходимые для их образования газы усиленно поставлялись из недр Земли в предшествующий период. Атмосфера тогда состояла в основном из углекислого газа, азота и водяных паров. Кислорода в ней было мало, но он вырабатывался в результате, во-первых, фотохимической диссоциации воды и, во-вторых, фотосинтезирующей деятельности простых организмов, таких как сине-зеленые водоросли.

600 млн лет назад на Земле было несколько подвижных континентальных плит, весьма похожих на современные. Новый сверхматерик Пангея появился значительно позже. Он существовал 300-200 млн. лет назад, а затем распался на части, которые и сформировали нынешние материки.

Что ждет Землю в будущем? На этот вопрос можно ответить лишь с большой степенью неопределенности, абстрагируясь как от возможного внешнего, космического влияния, так и от деятельности человечества, преобразующего окружающую среду, причем не всегда в лучшую сторону.

В конце концов недра Земли остынут до такой степени, что конвекция в мантии и, следовательно, движение материков (а значит и горообразование, извержение вулканов, землетрясения) постепенно ослабнут и прекратятся. Выветривание со временем сотрет неровности земной коры, и поверхность планеты скроется под водой. Дальнейшая ее судьба будет определяться среднегодовой температурой. Если она значительно понизится, то океан замерзнет и Земля покроется ледяной коркой. Если же температура повысится (а скорее всего именно к этому и приведет возрастающая светимость Солнца), то вода испарится, обнажив ровную поверхность планеты. Очевидно, ни в том, ни в другом случае жизнь человечества на Земле будет уже невозможна, по крайней мере в нашем современном представлении о ней.

ДНК и РНК: структура и роль в живых организмах. Структура и значение гена

естествознание ген эволюция природа

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), присутствующая в каждом организме и в каждой живой клетке, главным образом в её ядре, нуклеиновая кислота, содержащая в качестве сахара дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований аденин, гуанин, цитозин и тимин. Играет очень важную биологическую роль, сохраняя и передавая по наследству генетическую информацию о строении, развитии и индивидуальных признаках любого живого организма. Препараты ДНК можно получить из различных тканей животных и растений, а также из бактерий и ДНК-содержащих вирусов.

Строение ДНК. ДНК - биополимер, состоящий из многих мономеров - дезоксирибонуклеотидов, соединённых через остатки фосфорной кислоты в определённой последовательности, специфичной для каждой индивидуальной ДНК. Уникальная последовательность дезоксирибонуклеотидов в данной молекуле ДНК представляет собой кодовую запись биологической информации. Две такие полинуклеотидные цепочки образуют в молекуле ДНК двойную спираль, в которой комплементарные основания - аденин (А) с тимином (Т) и гуанин (Г) с цитозином (Ц) - связаны друг с другом при помощи водородных связей и так называемых гидрофобных взаимодействий. Такая характерная структура обусловливает не только биологические свойства ДНК, но и её физико-химические особенности. Большое число фосфатных остатков делает ДНК сильной многоосновной кислотой (полианионом), которая присутствует в тканях в виде солей. Наличие пуриновых и пиримидиновых оснований обусловливает интенсивное поглощение ультрафиолетовых лучей с максимумом при длине волны около 260 ммк. При нагревании растворов ДНК связь между парами оснований ослабевает и при некоторой температуре, характерной для данной ДНК (обычно 80-90°), две полинуклеотидные цепочки отделяются друг от друга (плавление, или денатурация, ДНК).

Нативные молекулы ДНК обладают очень высокой молярной массой - до сотен миллионов. Лишь в митохондриях, а также некоторых вирусах и бактериях молярная масса ДНК значительно меньше; в этих случаях молекулы ДНК имеют кольцевую (иногда, например, у фага ЖХ174, однонитевую) или, реже, линейную структуру. В клеточном ядре ДНК находится преимущественно в виде ДНК-протеидов - комплексов с белками (главным образом гистонами), образующих характерные ядерные структуры - хромосомы и хроматин. У особи данного вида в ядре каждой соматическую клетки (диплоидной клетки тела) содержится постоянное количество ДНК; в ядрах половых клеток (гаплоидных) оно вдвое ниже. При полиплоидии количество ДНК выше и пропорционально плоидности. Во время деления клетки количество ДНК удваивается в интерфазе (в так называемом синтетическом, или «S»-периоде, - между G1- и G2-периодами митоза). Процесс удвоения ДНК (репликация) заключается в развёртывании двойной спирали и синтезе на каждой полинуклеотидной цепи новой, комплементарной ей, цепочки. Каждая из двух новых молекул ДНК, идентичных старой молекуле, содержит по одной старой и одной вновь синтезированной полинуклеотидной цепочке. Биосинтез ДНК происходит из богатых свободной энергией нуклеозидтрифосфатов под действием фермента ДНК-полимеразы. Сначала синтезируются небольшие участки полимера, которые затем соединяются в более длинные цепи под действием фермента ДНК-лигазы. Вне организма биосинтез ДНК идёт в присутствии всех 4 типов дезоксирибонуклеозидтрифосфатов, соответствующих ферментов и ДНК - матрицы, на которой синтезируется комплементарная нуклеотидная последовательность. Американскому учёному А. Корнбергу, впервые осуществившему эту реакцию (1967), удалось получить путём ферментативного синтеза вне организма биологически активную ДНК вируса. В 1968 Х. Корана (США) синтезировал химически полидезоксирибонуклеотид, соответствующий структурному гену (цистрону) ДНК.

Значение ДНК. ДНК служит также матрицей для синтеза рибонуклеиновых кислот (РНК), определяя тем самым их первичную структуру (транскрипция). Через посредство информационной РНК (и-РНК) осуществляется трансляция - синтез специфических белков, структура которых задана ДНК в виде определённой нуклеотидной последовательности. Итак, если РНК переносит биологическую информацию, «записанную» в молекулах ДНК, на синтезируемые молекулы белков, то ДНК сохраняет эту информацию и передаёт её по наследству. Эта роль ДНК доказывается тем, что очищенная ДНК одного штамма бактерий способна передавать др. штамму признаки, характерные для штамма-донора, а также тем, что ДНК вируса, обитавшего в скрытом состоянии в бактериях одного штамма, способна переносить участки ДНК этих бактерий на др. штамм при заражении его этим вирусом и воспроизводить соответствующие признаки у штамма-реципиента. Т. о., наследственные задатки (гены) материально воплощены в определённой последовательности нуклеотидов в участках молекулы ДНК и могут передаваться от одного индивидуума другому вместе с этими участками. Наследственные изменения организмов (мутации) связаны с изменением, выпадением или включением азотистых оснований в полинуклеотидные цепочки ДНК и могут быть вызваны физическими или химическими воздействиями. Выяснение строения молекул ДНК и их изменение - путь к получению наследственных изменений у животных, растений и микроорганизмов, а также к исправлению наследственных дефектов.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), тип нуклеиновых кислот, имеющих универсальное распространение в живой природе; содержат в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований аденин и гуанин (пуриновые основания) и урацил и цитозин (пиримидиновые основания). В небольших количествах в состав РНК входят также некоторые др. производные пурина и пиримидина. РНК -- линейные полинуклеотиды с длиной цепи от нескольких десятков до десятков тыс. нуклеотидов (молекулярная масса от 10--20?103 до 5--6?106), причём каждая индивидуальная РНК имеет определённую последовательность нуклеотидов. В организме РНК находятся главным образом в виде комплексов с белками -- рибонуклеопротеидов.

Значение РНК. РНК играют важнейшую биологическую роль во всех живых организмах, участвуя в реализации генетической информации и биосинтезе белков. Макромолекулярная структура РНК представлена в основном однонитчатыми полинуклеотидными цепями, которые образуют двуспиральные участки по принципу комплементарности оснований. Многие вирусы содержат РНК в качестве единственного нуклеинового компонента. В таких РНК-содержащих вирусах РНК могут служить матрицей для биосинтеза не только РНК, но и ДНК (обратная транскрипция).

Создание РНК. Биосинтез РНК осуществляется (главным образом в клеточном ядре) из рибонуклеозид-трифосфатов под действием ферментов полимераз на матрице дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК-зависимые РНК-полимеразы) или у некоторых вирусов на матрице РНК (РНК-зависимые РНК-полимеразы). В клетках бактерий, животных и растений различные типы РНК выполняют неодинаковые биологические функции и различаются по строению и метаболизму. Важнейшие типы РНК следующие. Рибосомные РНК (рРНК) входят в состав рибосом и составляют основную массу клеточных РНК; представлены РНК с константами седиментации 23 S, 16 S и 5 S. Полностью установлена первичная структура (т. е. последовательность нуклеотидов) для 5 S РНК, почти полностью -- для 16 S РНК и частично для 23 S РНК кишечной палочки. Размеры и структура рибосомных РНК у организмов разных видов неодинаковы. Их биологическая роль не вполне выяснена, целостность их молекул необходима для биосинтеза белков в рибосомах.

Транспортные РНК (тРНК): имеют константу седиментации около 4 S и молекулярную массу около 25 000, т. е. являются сравнительно низкополимерными (около 80 нуклеотидных остатков); содержат относительно много метилированных и других минорных оснований. Их биологическая роль заключается в присоединении активированных аминокислотных остатков и переносе (транспорте) их на рибосомы, т. е. к месту синтеза полипептидных цепочек. Для каждой аминокислоты имеются свои специфические тРНК (обычно более одной). Все тРНК имеют сложную, частью двуспиральную, макромолекулярную структуру, изображаемую в виде клеверного листа. Они содержат участки, присоединяющиеся к рибосоме, триплет нуклеотидов (антикодон), присоединяющийся к кодону мРНК, и концевой участок, присоединяющий аминокислотный остаток. Первичная структура более 60 тРНК установлена полностью.

Информационные, или матричные, РНК (иРНК, или мРНК) представляют собой наиболее разнородную группу и играют роль матриц при биосинтезе белков в процессе трансляции (считывания нуклеотидного кода и перевода его в определённую последовательность аминокислот в полипептидных цепях белков). Все виды РНК синтезируются в клетках на матрице ДНК, образуя последовательность рибонуклеотидов, комплементарную последовательности дезоксирибонуклеотидов в ДНК (процесс транскрипции). В клеточном ядре обнаружены гигантские молекулы -- предшественники мРНК, большая часть которых распадается внутри ядра и только сравнительно небольшая часть молекулы переходит в цитоплазму и образует собственно мРНК. Быстро распадающаяся в клеточном ядре РНК, вероятно, играет регуляторную роль. Обнаружены также некоторые др. типы РНК, например низкополимерная относительно стабильная ядерная РНК, роль которой пока неясна.

Ген -- структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения.

В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены -- это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию -- о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют рост и функционирование организма.

В то же время, каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК, таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis-регуляторные элементы, англ. cis-regulatory elements), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами, инсуляторами и супрессорами (иногда классифицируемые как trans-регуляторные элементы, англ. trans-regulatory elements). Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.

Изначально термин ген появился как теоретическая единица передачи дискретной наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из четырёх видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии.

Гены могут подвергаться мутациям -- случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное изменённое или анормальное функционирование организма. Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако, далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению последовательности белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами и вариациями числа копий (англ. copy number variations), такими как делеции и дупликации, которые составляют около 1 % всей нуклеотидной последовательности человека. Однонуклеотидные полиморфизмы, в частности, определяют различные аллели одного гена.

Литература

1. Айала Ф., Кайдегер Дж.. Современная генетика: т.2. М.: Мир, 1988.

2. Вилли К., Детье В.. Биология (биологические процессы и законы). М.:Мир, 1975.

3. Горелов А.А., Концепции современного естествознания. - М.,: Центр, 2001. - 208 с.

4. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р., Концепции современного естествознания: Учебник. - 2-е изд. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К'»,2005. - 692 с.

5. Найдыш В.М., Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие. - М.: Гардарики, 2000. - 476 с.

6. Слюсарев А.А. Биология с общей генетикой. - М.: Медицина, 1978. - 472 с.

Размещено на Allbest.ru