Размещено на http://www.allbest.ru/

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).

Фото хромосом...

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. наследственность дарвин генетический

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

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

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

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

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

7. 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

8. 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) X144 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.

К настоящему времени проект практически выполнен, причем большая часть информации перепроверена несколько раз. Результаты оказались во многом неожиданны. Оказалось, например, что число генов человека - около 30 тыс., а не 80 тыс, как ранее считалось. Удивительно, но и это 30 тыс. занимают всего около 5% всей нуклеотидной последовательности. Обнаружилось также, что из 3 млрд. нуклеотидов, слагающих геном - 99,9% одинаковы у всех людей. Очевидно, всего одна десятая процента и делает нас теми, кто мы есть, - умными или глупыми, красивыми или не очень, маленькими или большими и т.д.

95% расшифрованных нуклеотидных последовательнойстей ДНК человека - это нечто, чего мы не понимаем. "Бессмысленные" участки получили название некодирующих.

У бактерий некодирующие последовательности отсутствуют полностью. У дрожжей их почти нет. По мере повышения уровня организации живого организма накапливается все больше некодирующей ДНК. Некоторые исследователи считают такого рода ДНК своего рода регулятором работы "обычных" генов, другие - резервом эволюции, предназначенном для создания новых генов или "ремонта" старых.

Однако, полная расшифровка нуклеотидной последовательности ДНК человека - только первый шаг к пониманию работы его генетического аппарата. Гораздо более сложная задача - понять, каким образом гены взаимодействуют между собой, почему в одних специализированных клетках организма одни и те же гены "молчат", а в других - работают. Здесь мы сталкиваемся с т.н. проблемой дифференциальной активности генов, решение которой дало бы возможность объяснить, каким образом возникают различные типы тканей (мышечная, нервная, эпителиальная, костная и др.), а значит, и управлять развитием организма.

Сейчас ученые пытаются исследовать механизмы взаимодействия генов, создавая искусственные организмы. Так, в 2002 г. американским ученым из Нью-Йоркского университета удалось создать первый искусственный вирус - возбудитель полиомиелита. Он был синтезирован с нуля, из химических реактивов.

Пользуясь тем, что геном вируса полиомиелита полностью расшифрован, группе исследователей под руководством профессора Экарда Уиммера удалось собрать точную последовательность нуклеотидов, соответствующую естественному образцу. Затем они поместили этот "наследственный" материал в раствор, имитирующий цитоплазму клеток человека, где, на основе информации, заложенной в такой искусственной ДНК, были синтезированы необходимые вирусные белки.

"Это исследование красиво", - сказал вирусолог Олен Кью (Olen Kew) из Центра по контролю за заболеваемостью в Атланте, США. Отдельные части работы - изготовление цепочки ДНК по известной последовательности нуклеотидов, выращивание вируса вне клетки, - были известны и раньше. "Сила этой разработки в том, что Уиммеру удалось свести всe вместе".

Интересно, что для сборки вируса учeные использовали только открытую информацию. Они использовали информацию о синтезируемой нуклеотидной последовательности, опубликованную в Интернете.

Создав вирус, выглядевший под электронным микроскопом так же, как и природный образец, исследователи, для доказательства его активности, заразили им мышей. Животные погибли при классических симптомах полиомиелита.

Экард Уиммер предупредил, что, несмотря на то, что некоторые вирусы в природе больше не встречаются, а сохранeнные штаммы тщательно охраняются (как в случае с вирусом оспы), "миру стоит быть настороже", поскольку биохимики могут построить вирус заново, используя сведения о его устройстве, причем нет гарантии, что это не будет сделано в преступных целях или будет допущена утечка вируса по неосторожности.

Практическим результатом достижения группы Уиммера станет, возможно, пересмотр политики мирового сообщества по отношению к вакцинации от полиомиелита. Эта инфекция близка к исчезновению в природе благодаря длительным и повсеместным прививкам. Всемирная организация здравоохранения была намерена прекратить вакцинацию после победы над вирусом. Теперь, как считает Экард Уиммер, необходимо продолжать прививать население.

Успешное осуществление синтеза вируса полиомиелита дает определенную надежду, что в скором времени ученым удастся получить (копировать) искусственным путем хотя бы самую простую бактериальную клетку. Кандидатом на эту роль сейчас является клетка микоплазмы Mycoplasma genitaliu, относящаяся к наиболее примитивно устроенным микроорганизмам. Ее геном содержит всего около 480 генов, из которых только 350 необходимы для минимального поддержания жизнедеятельности. Копирование генома микоплазмы намерена осуществить американская фирма TIGR (The Institute for Genomic Research), которая уже прославилась установлением структуры множества геномов. Выполнение этого проекта откроет перспективу для изучения систем взаимодействий между модулями клетки, которые существенны для жизнеспособности, и заложит основу для понимания путей, ведущих от генотипа к формированию живого организма.

Другое перспективное направление, которое можно было бы тоже назвать воссозданием живых организмов, но происходящим в виртуальной реальности, заключается в создании компьютерных моделей живых клеток, которые продемонстрировали бы, как все элементы клетки работают в координации друг с другом. По всей видимости, в процессе создания такой модели удалось бы также выявить реальные провалы в наших знаниях о структурах и их функциях в клетке, сконцентрировать усилия на их заполнении. До настоящего времени уже удавалось моделировать отдельные элементы клеточных структур (например, т.н. цикл Кребса, другие биохимические процессы). Модель клетки в целом позволит прогнозировать весь комплекс ее реакций на изменения окружающей или внутренней среды и откроет путь для реальной клеточной инженерии, направленной на создание таких биологических структур, которые не создала даже Природа. Первый шаг в направлении моделирования бактериальных клеток уже сделан: в 2002 г. организован международный консорциум, задача которого - создание полной компьютерной модели кишечной палочки Е. соli.

Если моделирование и искусственное воссоздание простейших бактерий возможно уже в относительно недалеком будующем, то решение такой задачи в отношении клеток высших животных и человека сталкивается с несоизмеримо большими сложностями. В первую очередь это касается упомянутой нами выше проблемы дифференциальной активности генов. Из 32 тыс. имеющихся у человека генов "включено" около 20 тыс. генов, хотя точное их число неизвестно. Как минимум половина всех работающих генов необходима для поддержания жизнедеятельности любой клетки, от другой половины генов зависит, будет ли клетка принадлежать мышечной ткани, легким, селезенке, или какому-либо другому органу или ткани. В клетках мышечной ткани активируются только те гены и синтезируются только те белки, которые необходимы для функционирования мышц, в клетках легких активируются гены, необходимые для выполнения функций легких, и т.д.

В последние годы стало ясно, что одним из важнейших механизмов проявления дифференциальной активности генов является т.н. гистоновый код (или мастер-код).

Гистоны - это универсальные белковые компоненты хромосом, открытые в 1884 г. А. Косселем. Существуют пять типов гистонов H1, Н 2А, Н 2В, НЗ и Н 4. Они принадлежат к наиболее консервативным по аминокислотной последовательности белкам в ряду от простейших эукариот до высших. Например, аминокислотные последовательности гистона Н 4 из вилочковой железы теленка и проростков гороха различаются только по двум положениям из ста двух.

Гистоны входят в комплекс с ядерной ДНК; восемь молекул гистонов разных типов образуют так называемый гистоновый октамер, на который навивается 1,75 витка спирали ДНК. Такой комплекс называется нуклеосомой. Последовательно расположенные нуклеосомы формируют фибриллу, представляющую собой основу упаковки ДНК в хромосоме.

Для механизма работы гистонового кода чрезвычайно важны концевые аминокислотные последовательности гистонов - "хвосты". Оказалось, что "хвосты" могут подвергаться различным химическим модификациям под действием ряда ферментов, в результате чего активность генов изменяется. Выяснилось также, что эти модификации сохраняются при клеточном делении и передаются по наследству, а мутации белков, ответственных за передачу, приводят к полной потере клеткой способности к развитию и в конечном счете к гибели. Гистоновый код, по-видимому, представляет собой идеальный механизм, с помощью которого запускается программа последовательного "включения-выключения" генов в процессе индивидуального развития организмов, не затрагивая при этом информацию, записанную на самой ДНК.

Предполагают, что гистоновый код обеспечивает такое явление, как эпигенетическая наследственность, когда какое-либо внешнее воздействие на организм приводит к изменению его характеристик и признаков, причем такие изменения не связаны с мутацией ДНК и сохраняются в течение нескольких поколений. Например, физиологам растений известно такое вещество, как парааминобензойная кислота (ПАБК). Оно не вызывает мутаций. Обработка растений ПАБК приводит к сокращению длительности их вегетационного периода на 15-20%. Эффект наблюдается до 4-5 поколений, хотя обработке подвергались только растения первого поколения.

Другой пример эпигенетического наследования, с которым предположительно связан механизм гистонового кода: известно, что если мать во время беременности голодает, то ребенок в течение всей жизни будет страдать склонностью к избыточной массе. Эффект может сохраняться в 2-3 поколениях.

Полученные в последние годы данные в области молекулярной биологии позволяют надеяться не только на разработку новых методов лечения наследственных заболеваний, но и на получение средств, замедляющих процесс старения человеческого организма. Так, одним из-основных механизмов старения считается ограничение числа клеточных делений, обнаруженное американским исследователем Л. Хейфликом (1961 г). Им было показано, что фибробласты (клетки соединительной ткани) человека, если создать для них условия размножения в пробирке, смогут разделиться там ограниченное число раз, причем количество делений будет зависеть от возраста донора, т.е. человека, у которого они были изъяты. Фибробласты младенца могут разделиться 50-60 раз, человека средних лет - 20-30 раз, а фибробласты пожилого человека способны всего на 5-7 делений.

В 1971 г. советский ученый А.М. Оловников предложил гипотезу, объяснияющую механизм ограничесний числа клеточных делений. По его мнению в процессе деления соматических клетках при каждом удвоении ДНК (репликации ДНК), из-за особенностей работы фермента репликации (ДНК - полимеразы) дочерняя нить ДНК оказывается немного короче материнской. В конце концов в результате постоянного сокращения концевых участков хромосом (теломеров) при каждом делении (митозе), оказываются затронутыми области генома, существенные для выживания клеток, что и приводит к гибели клеток и старению организмов. Автор назвал такой процесс маргинотомией. Как позднее было показано, в половых клетках присутствует фермент теломераза, способный "достраивать" укороченные хромосомы новыми кусочками ДНК, благодаря чему происходит "сброс счетчика" делений.

Рис. Идея рисунка приложена

В 1998 г. для проверки этой гипотезы группой исследователей во главе с А.Г. Боднар были взяты клетки эпителиальной ткани и фибробласты человека, в которые ввели небольшие фрагменты кольцеобразной ДНК (векторы), кодирующие синтез теомеразы. Такие клетки имели неукороченные хромосомы и перевыполняли свою норму продолжительности жизни не менее чем на 20 циклов делений, так что причинную связь между укорачиванием теломеры и пределом Хейфлика можно считать установленной. Возможность поддерживать нормальные клетки человека в "юном" состоянии может найти достойное применение в научно-исследовательской работе и медицине.

Эволюция

Попытку систематизировать знания о биологических видах предпринимались и до Линнея. Более 2 тыс. лет назад Аристотель (384-322 гг. до н.э.) описал всего около 500 видов животных. Само понятие "вид" ввел итальянский врач и ботаник Андреа Чезальпино (1519-1603), обобщивший в своем фундаментальном (в 16 книгах) труде "О растениях" сведения о 263 семействах растений из 14 классов. Более строгое научное определение виду как систематической единице дал позднее крупный английский биолог Джон Рей (1627-1705). Он описал 1860 видов растений, которые разбил на 19 классов по своей системе. Рей впервые разделил однодольные и двудольные растения. Понятие "род" ввел французский ботаник Жозеф Турнефор (1656-1708).

Теория эволюции, как и любая другая серьезная научная теория не может быть основана на отрывочных, хаотических и бессистемных данных. Но, несмотря усилия Аристотеля, Чезальпино, Рея и Турнефора в распознавании и описании видов царила безграничная путаница. Именно хаосом можно назвать то состояние зоологии и ботаники, в котором пребывала биология в начале 70-х годов XVIII века. Задача, которая ставилась перед зоологами и ботаниками заключалась в простом ознакомлении с видами животных и растений с точки зрения их хозяйственной пользы. Универсальная международная классификация видов отсутствовала, поэтому видовые названия давались часто только в терминах национальных языков. Исследователь одной страны с очень большим трудом мог понять, относится ли изучаемый им вид к описанию, составленному исследователем из другой страны. Отсутствовали единые правила: как, и какие признаки вида надо описывать.

И вот, наконец, такие правила были предложены Линнеем. Согласно созданной им т.н. бинарной номенклатуры (или системы двойных наименований), название вида состояло из двух частей - родового и собственно видового. Например: Pinus silvestris - сосна обыкновенная, где Pinus - это латинское название рода "сосна", объединяющего несколько видов, а silvestris - латинское название конкретного вида. В современной номенклатуре присутствует еще и третий элемент - это сокращенная фамилия автора, описашего данный вид. Pinus silvestris L. - вид, описанный Линнеем.

За свою жизнь Линней описал 4200 видов животных и около 10 тыс. видов растений, разделив их соответственно на 6 и 24 класса. В его системе присутствуют 4 таксономические категории: класс - отряд - род - вид, сохранившиеся и по настоящее время.

Линней стал первым ученым, который отнес человека и обезьяну к одной группе животных - приматам.

Биография Линнея может служить хорошим примером отношения государственной власти и общественного мнения к крупным ученым. Сын бедного сельского священника и простой крестьянки он с 1742 г. и на протяжении 30 лет занимал должность профессора ботаники Упсальского университета, обеспечивающую ему очень хорошее материальное положение. Его имя считалось в числе первых имен того времени как в научных, так и в аристократических кругах. Внешние успехи и почести сыпались на Линнея со всех сторон. В XVIII - век просвещенного абсолютизма и меценатов ученые были в моде, и Линней относился к тем передовым умам, на которых сыпались любезности государей. И это при всем при том, что обороноспособность и финансовое благополучие страны от ботанической науки вовсе не зависело! Надо ли здесь сравнивать пример Линнея с современным положением дел?

Не удивительно, что первая научная эволюционная теория была создана современником Линнея - великим французским биологом Жаном Батистом Ламарком (1744-1829). Основные ее положения сформулированы автором в следующих законах:

1) "Жизнь своими собственными силами непрерывно стремится увеличить объем всякого наделенного ею тела и расширить размеры его частей до предела, ею самой установленного".

2) "Образование нового органа в теле животного является результатом новой появившейся потребности, которая продолжает оставаться ощутимой, а также нового движения. порожденного и поддерживаемого этой потребностью".

3) "Развитие органов и сила их действия всегда соответствуют употреблению этих органов".

4) "Все, что было приобретено, запечатлено или изменено в организации индивидуумов в течение их жизни, сохраняется путем воспроизведения и передается новым индивидуумам, испытавшим эти изменения".

Ламарку казалось само собой разумеющимся, что если организмы растут, то существует особая "ростовая сила", которая стремится увеличить размеры особи не только в индивидуальном развитии, но и от поколения к поколению (1-й закон). Эта ростовая сила с наибольшей энергией направляется к активно функционирующим органам (2-й и 3-й законы). 4-й закон в концепции Ламарка является ключевым: речь в нем идет о том, что благоприобретенные признаки наследуются. Под таковыми понимают признаки, полученные особью в течение жизни под действием окружающей среды или в результате тренировки. Идея о наследовании благоприобретенных признаков была весьма популярна во времена Ламарка. Еще Д. Дидро утверждал: если у людей в течение многих поколений отрубать руки, то их дети в конце концов будут рождаться безрукими.

Свои доводы Ламарк подкреплял также идеей о существовании некого стремления к самосовершенствованию, заложенного в живые организмы Богом. Логически идея о стремлении к самосовершенствованию не являлась абсолютно необходимым компонентом в теории Ламарка. Мы можем только догадываться о причинах ее появления в трудах ученого. Вероятно, дело в том, что теория Ламарка могла показаться слишком "безбожной" как для него самого, так и для его современников. В самом деле - раньше было все просто и понятно - виды созданы Богом и с тех пор существуют в неизменном состоянии. И вот, оказывается, виды эволюционируют от простого к сложному, и если уровень развития органа идеально соответствует потребностям организма и условиям среды, то должен существовать механизм, обеспечивающий такое соответствие. Напрашивалась мысль о естественном характере этого механизма, не требующего прямого вмешательства Всевышнего, и эта идея, по-видимому, Ламарка не устраивала.

Вплоть до начала ХХ века теория Ламарка имела довольно много сторонников среди ученых. Весьма ощутимый удар по ней был нанесен А. Вейсманом, показавшим, что в процессе развития организма животных клетки, дающие впоследствии генеративные органы и половые продукты очень рано обособляются от остальных (соматических) клеток. Следовательно, никакие тренировки соматических органов не могут отразиться на информации, заложенной в половых клетках. Фактически, никакой индивидуальный опыт, никакие благоприобретенные признаки наследоваться не могут.

Вейсман пытался проверить теорию Ламарка прямым путем: В течении 22 поколений он отрезал лабораторным мышам хвосты, но среди потомства не было обнаружено никаких намеков на их укорочение.

И все же, даже после опытов Вейсмана, некоторые исследователи продолжали попытки экспериментальной проверки идей Ламарка. Не отказался от таких попыток и выдающийся русский физиолог И.П. Павлов. В сфере его интересов оказались безусловные рефлексы (а это наследуемые признаки) и безусловные рефлексы (являющиеся благоприобретенными признаками).

В 1913 г. он в очень осторожной форме писал: "Можно принимать, что некоторые из условных вновь образованных рефлексов позднее наследственностью превращаются в безусловные". Через некоторое время он высказывается по данному вопросу более определенно: "Передаются ли условные рефлексы по наследству? Точных доказательств этому нет, до этого наука еще не дошла. Но надо думать, что при длительном периоде развития прочно выработанные рефлексы могут становиться врожденными".

Однако в этом вопросе Павлов решил не ограничиваться теоретическими рассуждениями. В начале 20-х годов он предлагает своему сотруднику Н.П. Студенцову провести эксперименты по изучению наследования условных рефлексов у мышей. Студенцов провдит опыты и приходит к заключению, что при выработке условных рефлексов от поколения к поколению происходит ускорение их образования. С полученными результатами И.П. Павлов знакомит крупнейших генетиков того времени Н.К. Кольцова и Т.Г. Моргана, которые высказывают по поводу данных Студенцова сильные сомнения.

Павлов поручил проверку опытов Студенцова другому своему сотруднику - Е.А. Ганике. И вот ошибка найдена: вместе с мышами учились и сами экспериментаторы. В первое время экспериментаторы еще не обладали навыками работы и рефлексы у мышей им удавалось вырабатывать только за большое число попыток. Но по мере выполнения задачи экспериментаторы делали это все лучше и лучше, а, следовательно, и мыши обучались быстрее. Ганике создает автоматизированную установку, конструкция которой исключала влияние экспериментатора на ход опыта. По свидетельству Кольцова, работы Ганике убедили Павлова в неверности гипотезы наследования условных рефлексов, и он отказался от нее.

Надо отдать должное Павлову: он относился к исследователям, способным открыто признать свои заблуждения. В письме, напечатанном в "Правде" от 13 мая 1927 г. великий ученый заявляет: "Первоначальные опыты с наследственной передачей условных рефлексов у белых мышей при улучшении методики и при более строгом контроле до сих пор не подтверждаются, так что я не должен причисляться к авторам, стоящим за эту передачу".

В начале тридцатых годов И.П. Павловым создана первая в мире "Лаборатория экспериментальной генетики высшей нервной деятельности", перед зданием которой рядом с памятниками Декарту и Сеченову был поставлен памятник Грегору Менделю.

Окончательную точку в истории ламаркизма поставили достижения биологической науки середины XX века, позволившие сформулировать т.н. центральную догму молекулярной биологии. Ее суть может быть выражена символически: ДНК РНК белок. Это значит, что наследственная информация может передаваться исключительно в направлении от ДНК и РНК к белку, но не наоборот. Поскольку возникновение у особи благоприобретенных признаков подразумевает, что под воздействием внешней среды или тренировки в организме происходят изменения прежде всего его белковой структуры, то для передачи такого признака по наследству потребовалась бы передача наследственной информации именно от белка к ДНК. Так как этого не происходит, то и благоприобретенные признаки наследоваться не могут.

Просуществовав в качестве доминирующей эволюционной теории вплоть до середины XIX века, теория Ламарка уступила пальму первенства идеям Дарвина. Значение теории Дарвина в истории биологии трудно переоценить, однако триумфальное шествие сыграло с ней плохую шутку: в те времена, когда авторы этого учебника сами были студентами университета, курс теории биологической эволюции назывался дарвинизмом! Теории эволюции отказали право в эволюции. Разумеется, дарвинизм развивался; появлялись новые экспериментальные данные, новые дополнения к теории естественного отбора и проблеме видообразования. Многое из всего этого вошло в понятия неодарвинизм и синтетическая теория эволюции, не изменив, однако, сути теории Дарвина.

По Дарвину новые наследуемые признаки появляются не закономерно (как результат тренировки, согласно теории Ламарка), а случайно. Наследуемые морфологические и физиологические характеристики живых организмов (признаки) в популяции случайно отклоняются (варьируют) от одной особи к другой. Все разнообразие в проявлении того или иного признака получило название наследственной изменчивости. Изменчивость не возникает ни под действием тренировки, ни в процессе адаптации особи к условиям окружающей среды, ни в результате искусственного или естественного отбора - она возникает сама. Если особь случайно получает ген, дающий ей преимущество в борьбе за существование, то ее шансы выжить, вырастить потомство, а, следовательно, и передать этот ген по наследству, повышаются. И наоборот, вероятность передать потомству "плохой" (т.е. неадаптивный) ген всегда ниже.

Приведем здесь точку зрения Дарвина дословно. В своем основном труде "Происхождение видов путем естественного отбора" он пишет: "Если бы отбор заключался только в отделении резко выраженной разновидности и разведении ее, то начало это было бы до того очевидно, что едва ли заслуживало внимания; но его значение заключается в громадных результатах, получаемых накоплением в последующих поколениях различий, положительно незаметных для непривычного взгляда, различий, которые по крайней мере я тщетно пытался уловить".

Далее мы приведем классический пример, кочующий из учебника в учебник, иллюстрирующий, каким образом у жирафа в процессе эволюции возникла длинная шея. Далекие предки жирафов - с короткой шеей - конкурировали между собой и другими копытными за пищевые ресурсы (подножную травянистую растительность). Небольшое случайное наследственное удлинение шеи позволило отдельным особям усилить свой рацион за счет листьев низко лежащих деревьев, что хоть и на немного, но увеличивало их шанс к выживанию, а также увеличивало плодовитость. Постепенно, из поколения в поколение, средняя длина шеи в популяции удлинялась. Но наследственная изменчивость проявляется и относительно этого нового, увеличенного среднего значения! Процесс продолжает идти дальше!

Однако не все так просто, как в учебниках, и об этом - чуть позже.

Теория Дарвина стала испытывать серьезные трудности с самого своего возникновения. Некоторые из них оказались мнимыми, некоторые - более серьезными.

Во времена Дарвина доминировали представления о наследственности как о некой жидкости, получаемой от родителей и смешиваемой при оплодотворении. Если предположить, что особь получает благоприятный признак (что случается очень редко), то скрещиваться ему придется, скорее всего, с обычной, среднестатистической особью того же вида. Постепенно, от одного поколения к другому, благоприятный признак будет разбавляться. На это возражение, выдвинутое инженером Ф. Дженкиным, Дарвин так и не смог найти ответа. Увы, ни он, ни Дженкин не знали, что частота встречаемости мутантного гена (хромосомы) в популяции постоянна, даже при условии, что фактор, способный вызвать эту мутацию перестал действовать и "давление" отбора на данный признак отсутствует.

Одной из серьезных трудностей дарвиновской теории считается проблема эволюции т.н. полигенных признаков. К таковым относятся признаки, формирующиеся под контролем нескольких генов. Так, например, к ним можно отнести и вышеприведенный признак длинной шеи жирафа. Очевидно, что для его появления недостаточно только одно лишь увеличение шейных позвонков. Длинная шея требует "внесения изменений" в строение мышечной системы, сердечно-сосудистой системы (кровь теперь должна подниматься на большую высоту!). Этот признак окажется бесполезен, если у животного будут отсутствовать необходимые безусловные рефлексы, позволяющие ему эффективно использовать листья высоко лежащих веток деревьев. Кроме того, согласно появившимся в последнее время данным, сами безусловные рефлексы нередко контролируются несколькими генами.

Проблема заключается в том, что новый полигенный признак может обнаружить себя (т.е. проявиться фенотипически) и попасть под действие отбора только в том случае, если необходимые прогрессивные изменения произойдут в нескольких генах, которые, более того, должны "встретиться" в одной особи. К тому же они должны быть получены от обоих родителей сразу, поскольку в подавляющем большинстве случаев новые мутации являются рецессивными - это значит, что для их фенотипического проявления соответствующий ген должен попасть потомству и от отца, и от матери. Ситуация усугубляется также и тем, что сами по себе положительные мутации случаются крайне редко. Большинство новых мутаций несут либо признаки, ухудшающие приспособленность организма к условиям существования, либо являются летальными.

Еще одна проблема: дарвиновская теория предполагает постепенную эволюцию. В то же время существуют признаки, отбор которых возможен только тогда, когда они полностью сформированы. Пример - рога у копытных. Мало того, что это тоже полигенный признак. Небольшие бугорки на черепе животного не могут помочь ему при обороне от хищника и поэтому непонятно, как в данном случае отбор мог "дорастить" их до практически приемлемой величины.

Существовали и существуют идеи, позволяющие несколько смягчить последнее противоречие. Предлагались гипотезы "смены функций". В приложении к нашему примеру с рогами это означает, что даже небольшие бугорки на черепе приносят животному некоторую пользу, которая, однако, связана не с оборонительной задачей, а с возможными другими функциями этих образований - например, с кроветворной или какими-то биохимическими функциями. И лишь по мере эволюционного увеличения размеров рогов, выполняемая ими задача сменяется на оборонительную.

Если открытия в области молекулярной биологии 30-х 50-х годов оказались скорее в пользу дарвинизма, чем против него, то достижения более позднего периода, такие как реализация проекта "геном человека", компьютерное моделирование простейших клеточных процессов, исследования тонкой структуры рибосом, исследования т.н. электронтранспортных мембранных систем и некоторых других молекулярных структур базового значения дают повод усомниться в выводах теории Дарвина. Даже самые простейшие биологические структуры оказались гораздо сложнее, чем предполагалось в 30-е - 50-е годы - слишком сложными, чтобы быть случайными. Далее мы еще коснемся этого в главе, посвященной проблеме возникновения жизни.

Вернемся, однако, к началу ХХ века. Осознавая известные к тому времени трудности дарвиновского учения, ряд биологов пытались создать альтернативную, недарвиновскую теорию эволюции. Наиболее серьезную такую попытку, пожалуй, можно связать с именем выдающегося российского исследователя Льва Семеновича Берга. Свою теорию он впервые изложил в труде "Номогенез, или эволюция на основе закономерностей" (1922).

Приведем некоторые из аргументов, приведенные Бергом против Дарвиновской теории эволюции:

1) Существуют сложные признаки, которые появляются в эволюции раньше, чем они могут попасть под действие отбора. Так, например, Берг пишет: "Из числа голосемянных растений хвойниковые (Gnetales), куда между прочим относится эфедра, или кузмичева трава, представляют высшую группу. У всех представителей хвойниковых мы наблюдаем ряд признаков, которые свойственны покрытосемянным, т. е. более высоко организованным растениям. Между тем, покрытосемянные вовсе не произошли от хвойниковых. Почти все голосемянные, а также низшие покрытосемянные обладают раздельнополыми цветами; двуполость у покрытосемянных есть признак более высокой организации. И вот мы видим, что у своеобразной южноафриканской вельвичии, относящейся к хвойниковым, в мужских цветках наряду с шестью тычинками появляется зачаточная семяпочка. Эта семяпочка бесплодна, но, тем не менее, снабжена рыльцем; физиологически она не функционирует, морфологически же цветки этого своеобразного растения двуполые. Какое значение имеет этот зачаток пестика, не приносящий никакой пользы растению? Будь это наследие предков, дело было бы понятно. Но здесь пред нами "рудимент" органа, который начнет функционировать лишь в двуполом цветке покрытосемянных. Мужской цветок вельвичии есть великолепный пример предварения признаков, т. е. предвосхищения примитивными организмами того, что будет со временем у более высоко организованных."

2) Существует явление конвергенции, когда у совершенно разных эволюционных групп организмов появляются очень похожие признаки.

3) Существует много данных, свидетельствующих о том, что естественный отбор вовсе не сохраняет отклонения от нормы (обусловленные наследственной изменчивостью), а наоборот - отсекает их. Отбор является консервативным, стабилизирующим фактором. Его цель - сохранить норму.

По Бергу появление новых признаков закономерно и "...обусловлено: а) внутренними конституционными свойствами организма (точнее - стереохимическими свойствами их белков), понуждающими формы изменяться в определенном направлении; здесь мы видим проявление автономической закономерности, и б) влиянием географического ландшафта, тоже преобразующего формы в определенном направлении; это хорономическая (или географическая) закономерность"

Для иллюстрации этой идеи приведем следующую аналогию: не будет преувеличением сказать, что кроме биологической существует еще и техническая эволюция. Например, определенную эволюцию претерпевает конструкция легкового автомобиля. Казалось бы, что в ней естественного, если автомобили создаются конструкторами? Однако, обратим внимание, что на самом деле конструктор является только движущей силой прогресса автомобилестроения, а вот то, какой конкретно будет новая конструкция, от конструктора зависит далеко не полностью. Конструирование техники - это искусство возможного. У легковых автомобилей обычно имеется четыре колеса и дисковый тормоз - не потому, что так хотелось их создателям, а постольку, поскольку это объективно оптимальное решение.

Следовательно, конструктор, создавая новое устройство, ограничен лишь небольшим числом возможностей, объективно определяемых уже созданным прототипом этого устройства и существующим на данный момент уровнем знаний и технологии. Точно так же характер и особенности закономерно появляющихся в ходе биологической эволюции признаков зависят от уже достигнутого видом статуса, а также от условий окружающей среды и конкретных биологических законов.

На сегодняшний день мало кто из эволюционистов поддерживает теорию номогенеза в ее чистом, исходном виде, но все же многие идеи Берга так или иначе нашли свое отражение и в некоторых современных эволюционных теориях.

Исключительная сложность биологических структур, процессов биологической эволюции заставляет ряд ученых в той или иной степени возвращаться к идеям креационизма, т.е. идеям, предполагающим создание видов - кем то или чем то. Современные креационистские гипотезы не отрицают факта эволюции, однако предполагают, что полная информация о видах существовала до начала эволюции, а сама эволюция - это всего лишь развертывание такой информации. Такие гипотезы иногда даже не отрицают роли отбора, однако роль отбора здесь - это все равно, что роль проявителя при обработке фотопленки. Кто и как создавал "скрытое изображение" - неизвестно. Если эволюция, аналогично индивидуальному организму, развивается по заранее заданной программе, то неизвестно не только, кто создал эту программу, но и где и на чем записана соответствующая информация.