Генный механизм передачи наследственной информации изучается одной из биологических наук - генетикой. Успехи генетики обусловили раскрытие механизма воспроизводства жизни на молекулярном уровне. Истоком генетики считают открытие Г. Менделем в 1865 году корпускулярной природы наследственности. В 1909 году В.Иогансен ввел основополагающие термины генетики (ген, генотип и др.) и придал модели Менделя четкую форму. В то время понятие "ген" не связывалось еще с каким-то материальным объектом клетки; ген обозначал просто единицу наследственного отличия. Отождествление гена с частью хромосом было сделано позже американским биологом Т. Морганом. Развитие молекулярной генетики раскрыло химическую природу генов как составной части молекулы ДНК с особым набором мономеров-нуклеотидов, последовательность которых образует генетический код.
Расшифровка структуры генетического кода показала его триплетность, однозначность и универсальность. Триплетность кода означает, что каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью - кодоном, -из трех нуклеотидов. Универсальность генетического кода означает, что код един для всех живых организмов планеты, то есть одни и те же кодоны кодируют одни и те же 20 аминокислот всех живых организмов.
Быстрое развитие генетики в 20-м столетии обусловлено той огромной ролью, которую играет генетический материал в воспроизводстве живых организмов, а также уникальными перспективами практического использования генного механизма передачи для целенаправленного изменения наследственной информации.
Важнейшими составляющими процесса развития любого организма являются воспроизводство в клетках по определенному шаблону необходимых для последующего деления клетки веществ и структур, а затем - деление клетки. Воспроизводство живых систем и сохранение видовых признаков обеспечивается системой воспроизведения организма, которая в закодированном виде содержит полную информацию, необходимую для построения из запасенного клеткой органического материала, необходимого организму белка. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством ДНК и РНК. Первая является хранительницей генетической информации, заложенной вдоль цепи ДНК. Вторая способна считывать заложенную в ДНК информацию, переносить ее в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалы, и строить из них нужные белковые молекулы.
Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: репликации, транскрипции, трансляции.
Репликация - это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клетки. Транскрипция представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной информационной молекулы РНК на одной из двух нитей ДНК. Информационная молекула РНК - это копия части ДНК, группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Далее происходит трансляция - синтез белка на основе генетического кода информационной РНК
Таким образом, главное в механизме самовоспроизведения клеток - свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две совершенно идентичные. Так как каждая клетка многоклеточного организма происходит от одной зародышевой как результат последовательных делений, то все клетки имеют одинаковый набор генов.
В настоящее время перед наукой открылась возможность не только изучать генетический механизм, но и влиять на саму наследственность на молекулярном уровне. Эту возможность реализует новое направление молекулярной биологии - генная инженерия, разрабатывающая методики целенаправленного манипулирования макромолекулой ДНК.
Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже благодаря вмешательству в конструкцию ДНК были изменены качества десятков животных и растений, многие из которых внедряются в широкую сельскохозяйственную практику. Например, уже используются сорта генетически модифицированного картофеля, устойчивые против бича картофельных плантаций - колорадского жука. Сейчас испытания этих сортов проводятся и в России. Необходимо отметить, что пока не ясны возможные отдаленные последствия употребления в пищу сельхозпродуктов, полученных с использованием генной инженерии.
Есть и другие направления практического использования генетики. Так, оказалось, что с помощью генетической экспертизы можно с чрезвычайно высокой точностью устанавливать родство конкретных людей, выполнять идентификацию останков погибших людей. Эти возможности находят широкое применение в повседневной юридической практике. Примером эффективности применения генетических методов могут служить известные результаты идентификации обнаруженных под Екатеринбургом останков царской семьи Романовых.
Сразу же после своего возникновения генная инженерия стала не только одним из самых перспективных направлений прикладной биологии, но также источником совершенно новых и глубоких этических, моральных и юридических проблем. Одним из ярких и самым последним примером такого рода проблем является вопрос о морально-этической оценке опытов по так называемому клонированию (созданию точной генетической копии) живых организмов. В связи с намеченными в США на ближайшее время исследованиями клонирования человека этот вопрос перерос в конце 1997 - начале 1998 г. в острую правовую проблему, носящую к тому же международный характер. В январе 1998 г. в Париже 19 европейских государств подписали протокол соглашения о запрете на клонирование человека. В перечне участников соглашения по разным причинам не оказалось ряда стран с высокоразвитой генетикой. В том числе - Великобритании (здесь впервые было практически осуществлено клонирование животного, и эта страна не хотела бы утратить свои приоритетные позиции в данном направлении естествознания), США, Германии, России.
В 1869 году французский ученый привез в Америку род бабочек-шелкопрядов, которых рассчитывал скрестить с шелковичным червем для получения высококачественного шелка. Но бабочки превратились в страшных вредителей леса. В 1890 году орнитолог-любитель выпустил в Центральном Парке Нью-Йорка пару европейских скворцов. Орнитолог был любителем Шекспира и мечтал, чтобы в США появились все виды живых существ, упомянутые в произведениях Великого Барда. Скворцы быстро адаптировались к новым условиям и стали одними из самых грозных врагов садов и огородов американцев. В 1958 году авиакомпания Pan Am и гватемальский отель выпустили в озеро Атитлан один из видов североамериканского окуня, дабы предоставить постояльцам отеля возможность комфортной рыбалки. В течение последующих 25-ти лет практически исчезла местная популяция крабов и несколько местных рыб, а ряд уникальных птиц, обитавших на берегу озера, оказались на грани исчезновения. В 1970-е годы США вели настоящую войну с африканскими пчелами. Их изначально начали разводить из-за того, что они были более продуктивны, чем европейские и американские собратья. Однако пчелы - пришельцы сперва вытеснили местных, а потом начали столь активно распространяться, что это вызвало тревогу - эти насекомые крайне агрессивны, а их укусы опасны для жизни человека. В 1990- е годы было зафиксировано вторжение "агрессоров" даже в Антарктиду: морские ежи в районе американской исследовательской станции МакМёрдо оказались заражены пришлой бактерией Clostridium perfringens, которая обычно присутствует в человеческих фекалиях, но ранее отсутствовала на ледовом континенте.
Историк Альфред Кросби нашел для этого феномена особый термин - "экологический империализм". Он посвятил этой проблеме целую книгу "Экологический Империализм: Биологическая Экспансия Европы в Период с 900 по 1900 годы". Впрочем, подобная привилегия была предоставлена не только европейским животным и растениям. В 1876 году в США впервые было завезено японское растение кудзу, которое первоначально использовалось для борьбы с эрозией почв. Ныне кудзу стало страшной проблемой, особенно в Техасе, где местные жители вынуждены тратить огромные усилия на уничтожение этих сорняков. В конце 19 века китайские торговцы подарили королю Гавайев несколько пар азиатских оленей, которых выпустили на волю. Олени размножились, они активно истребляют местную растительность и стали одной из причин эрозии почв. Ныне Гавайи зарабатывают на экологические программы, организуя охоту на оленей.
Последней историей такого рода была охота на рыбу-змееголова (исторически обитал в реках Дальнего Востока, Китая и Кореи), который в 2003 году был выловлен в реке Потомак (на ней стоит город Вашингтон) и вызвал настоящую панику у экологов. Ранее неприхотливых, практически всеядных и вкусных змееголовов начали разводить на рыбных фермах в США, с которых они при неизвестных обстоятельствах сбежали (эти создания могут некоторое время обходиться без воды и передвигаться по суше) и нанесли страшный ущерб местным рыбам. Аналогичная история произошла в США с азиатским болотным угрем, который был популярен среди американских аквариумистов. Есть версия, что один из любителей рыбок просто вылил содержимое аквариума в местную речку, что стало началом вторжения. На сегодняшний день все попытки ограничить экспансию угрей не привели к успеху. Подобные истории ныне происходят повсеместно - особенно с распространением моды на экзотические животные и растения.
Существует несколько примеров того, как человек пытался выбивать клин клином - пытаясь использовать одних животных в борьбе с другими, но получая более страшного врага. Один из первых опытов биологической войны с "агрессорами" был проведен в 19 веке. После того, как корабельные крысы высадились на ряд островов Полинезии и стали грозой амбаров, было принято решение бороться с ними с помощью индийских мангустов. Однако мангусты не оправдали доверия: они предпочли охотиться на местных птиц и животных, менее опасных, чем крысы.
Цена агрессии.Вероятно наиболее грозными врагами местной фауны могут считаться также домашние животные и растения, завезенные человеком во все уголки планеты. Например, особо значительный ущерб наносят обычные собаки, кошки и свиньи.
По данным организации Global Invasive Species Database, в последние десятилетия этот процесс идет по нарастающей. Здесь человек также играет негативную роль, поскольку изменяет окружающую среду, приспосабливая ее к своим нуждам - в результате выигрывают определенные виды живых существ. Кроме того, огромную роль сыграло развитие транспорта. Пики "биологических вторжений" отмечались в результате строительства железных дорог, появления пароходов (к примеру, суда часто используют в качестве балласта морскую воду - они заливают ее в одной точке земного шара, а выливают в другой, доставляя на новые места нежелательных пришельцев - о решении этой проблемы смотрите в новости - "Глобалласт: "Как это делалось в Украине".), в недавнем прошлом - начала пассажирских авиаперевозок. Вероятно самым известным примером является эпидемия гриппа - новый штамм вируса возникает в одном месте и буквально за несколько недель поражает население всей планеты. В начале 20 века, когда впервые началась эпидемия гриппа -"испанки", его распространение заняло несколько лет: из Китая он попал в Испанию, позже распространился по Европе, откуда попал в Северную Америку и Африку.
Впервые серьезные масштабы этой проблемы были признаны в 1992 году на Саммите ООН в Рио-де-Жанейро. Однако до сих пор не существует международных соглашений, которые призваны остановить или каким-то образом ввести в рамки этот процесс. Большинство экспертов признают, что биологические вторжения наносят колоссальный ущерб экономикам мира - прямой и косвенный. Однако точных данных на эту тему пока нет. Существуют лишь оценки по отдельным странам. К примеру, в 1999 году Новая Зеландия сообщила, что биологические вторжения обходятся ей в 1% валового внутреннего продукта.
В 1933 году по заказу Конгресса США (US Congress) было проведено исследование, которое показало, что 79 "пришлых" животных и растений за период с 1906 по 1991 год нанесли ущерб, оцениваемый в 97 миллиардов долларов. По оценкам созданной в 1999 году в США государственной организации Совет по Враждебным Видам Живых Существ (Invasive Species Council) годовой ущерб экономике США может достигать 123 миллиарда долларов. Иные исследования (например, Корнельского Университета) называют и большие суммы - например, 137 миллиардов долларов. Причины подобных потерь очень разнообразны: биологические "агрессоры" достаточно часто негативно влияют на здоровье людей, сельское и жилищно-коммунальное хозяйство, приводят к увеличению расходов на дорожное строительство, наносят ущерб туризму, ведут к деградации экосистем и пр.
Ныне, по данным Исследовательской Службы Конгресса США, ежегодно в США попадает до 50 тысяч растений и животных. В стране ныне насчитывается более 4542 видов живых существ, которые появились на территории страны в недавнем прошлом и успешно прижились. "Пришельцы" составляют 6% от общего числа видов наземных позвоночных животных, 8% видов рыбы, 4% моллюсков. Совет по Враждебным Видам Живых Существ считает, что опасен примерно каждый седьмой "пришелец", прибывающий в США из-за рубежа. По оценкам Службы Сохранения Дикой Природы США, более 40% традиционных для Северной Америки растений и животных находятся под угрозой со стороны пришлых "агрессоров".
В США борьба с "пришельцами" ведется достаточно неорганизованно. Одной из причин является то, что попытки ограничить появление нежелательной флоры и фауны предпринимаются лишь на уровне отдельных штатов, поскольку эта проблема лежит вне поля деятельности федеральных законодателей (это правило было заложено практически сразу после создания США). Исключением является право федеральной власти контролировать ситуацию с перелетными птицами, морскими млекопитающими, животными и растениями, находящимися под угрозой вымирания (организмы-агрессоры в эти категории не попадают). Причиной является традиционное англо-саксонское право. Согласно юридической традиции, штаты отвечают за все дикие животные и растения, а владельцы земли контролируют местные организмы на принадлежащей им территории. То есть, дикий олень, пасущийся на чьем-то лугу не принадлежит собственнику земли и "подчиняется" властям штата, но кусты, которые объедает олень, принадлежат землевладельцу.
Впрочем, плюсы и минусы процесса "биологических вторжений" определить крайне сложно. С одной стороны, пришельцы стали врагами местного животного и растительного мира, с другой - они позволяют прокормить значительное население. К примеру, если до открытия Колумба на американском континенте было лишь несколько десятков сельскохозяйственных растений, то ныне их сотни. В свою очередь, в Европе стали разводить американских индюков, культивировать перец, табак, картофель, помидоры, которые уже давно не воспринимаются, как "иностранцы". Аналогичная история произошла с акацией, которую завезли в Южную Африку - ныне она стала важным источником топлива для местного населения и сырьем для деревообработки. Ряд отраслей экономики выигрывают от появления "пришельцев". К ним относятся сельское хозяйство и пищевая промышленность, а также компании, продающие домашних животных. К примеру, многие рыбные фермы специально разводят "пришлых" рыб, более плодовитых, устойчивых к болезням и вкусных.
Известный американский биолог, исследующий эту проблему на протяжении десятилетий, Майкл Маккини, автор книги "Биогомогенизация", пришел к выводу, что "гонка вооружений между местными и пришлыми организмами продолжает складываться в пользу пришельцев.
В результате, в ближайшем будущем мы можем столкнуться с гомогенизацией биосферы всей планеты".
Ряд исследователей называют биологические вторжения второй по важности экологической угрозой (после загрязнения окружающей среды, вызванной действиями человека).
Впрочем, есть и иные точки зрения. Американский биолог Дэвид Теодоропулос в книге "Местные против Экзотических: Миф об Угрозе" доказывает, что не существует никаких доказательств того, что этот процесс носит негативный характер и оказывает разрушительное воздействие на биологическое разнообразие Земли.
По его мнению, невозможно определить, какие существа являются местными, а какие - пришлыми, поскольку миграции растений и животных происходили всегда.
По его мнению, существует множество примеров, когда чужеродные создания улучшали ситуацию в местных экосистемах. Экосистемы "принимают" "пришельцев", таким образом адаптируясь к изменившимся условиям.
Теодоропулос задает парадоксальный вопрос:"
Если бы слона удалось адаптировать к сибирским условиям - было бы это расценено, как "биологическое вторжение" или как восстановление исконной популяции уничтоженных мамонтов?"