II. Прокомментируйте высказывания.




Тема 11

Генетика и самовоспроизводство жизни

I/ Значение клетки

Воспроизводство жизни

З/ Генетика

Значение клетки

Переходя от проблемы происхождения жизни к проблеме строения живого, отметим, что научное значение в этой области в большей сте­пени достоверно за счет успехов, достигнутых новой наукой — моле­кулярной биологией. Можно сказать, что примерно в середине сто­летия произошла научная революция в биологии, вторая в нашем ве­ке, после научной революции в физике, и благодаря ей биология выбилась в лидеры «соревнования» между науками.

Во второй половине XX века 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 атома 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» (Кендрью Дж. Нить жизни.- М., 1968.- С. 16).

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. Собственно, клетка и нужна для аппарата воспроиз­водства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический ап­парат не мог бы существовать.

Если же случится так, 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 у 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» (Там же.- С. 19).

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 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» (Там же.- С. 14). Ученые выясняют, как работает эта фабрика и каков механизм ее воспроизводства.

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокисло­ты, которые затем используютсяим 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.

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. Миоглобин — это как бы младший брат гемоглобина; его молекула в четыре раза меньше и способна связать 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 потребуется клетке.

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

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 наборами хромосом (части ядер клеток), идентичными наборам роди­тельской клетки.

Мейоз — это деление клеточного ядра с образовани­ем четыре 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 являются 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, длина 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:

· самовоспроизведение;

· хране­ние информации;

· реализация 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.

· 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.

· 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, содержа­щая в линейноупорядоченном виде всю информацию, необходимую для синтеза различных протеинов (без которых невозможно строи­тельство и функционирование клетки), участвует в последователь­ности реакций, в ходе которых вся информация кодируется в виде определенной последовательности различных протеинов. Некоторые ферменты осуществляют обратную связь среди синтезирован­ных протеинов, активируя и регулируя не только различные стадии превращений, но и автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать генетическую информацию с такой же скоростью, с какой размножаются клетки.

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.

Интересен вопрос о том, 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. Генетика.

Генетика прошла в своем развитии семь этапов.

1. Грегор Мендель (1822-1884) открыл законы наследственности. Скрещивая гладкий и морщинистый сорта гороха, он получил в первом поколении только гладкие семена, а во втором поколении — 1/4 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 3:1. «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 пишет Г. Селье (Селье Г. Цит. соч.- С. 26). Результаты исследова­ний Менделя, опубликованные в 1865 году, не обратили на себя никакого внимания и были повторно открыты только после 1900 года.

2. Август Вейсман (1834-1914) показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани.Несмотря на убедительные опыты Вейсмана, которые было легко проверить, победившие в советской биологии сторонники 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, изменением 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 легальна, 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» (Кендрью Дж. Цит. соч.- С. 117-118).

4. Томас 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 году 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 году выявили генетическую осно­ву процессов биосинтеза.

7. Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель моле­кулярной структуры ДНК и механизма ее репликации.

То, что именно ДНК — носитель наследственной информации, выяснилось в середине 40-х годов, когда после перенесения ДНК од­ного штамма бактерий в другой, в нем стали появляться бактерии штамма, чья ДНК была взята.

25-летний Уотсон, приехав из США в Кембридж в 1953 году, должен был заниматься изучением структуры белка. Но он посчи­тал, что это очень тяжело для него, и подолгу беседовал с Криком о появившихся только что улучшенных рентгенограммах ДНК и пра­вил 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 если аминокислота — это слово, то бактерия — том, 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 вспрыскивается ДНК, «и часто уже через несколько минут клетка разрывается, освобождая сотню и боль­ше новых вирусных частиц, готовых к зарождению новых кле­ток» (Там же.- С. 101).

Процесс заражения сходен с государствен­ным переворотом. Вирус совершает революцию в клетке. Бороть­ся с ним можно с помощью интерферона — синтезируемого клет­ками вещества, которое специально предназначено для разруше­ния чужих ДНК.

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

Перед современной генетикой стоят проблемы изучения:

1. соче­таний (связок) генов,

2. их динамики (меняются ли признаки или нет),

3. поиска социально обусловленных генов.

Что же касается биологии, 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 начинает с другого конца и продвигается с самого низа вверх. Она начала с простейших компонентов живого организма — стала изучать отдельные молекулы и их взаимодействие внутри клеток, пренебрегая всем остальным. Теперь пришла пора обратиться к это­му остальному и двигаться вверх вдоль иерархии биологической ор­ганизации» (Там же.- С. 118-119). По этому пути и идет современная биология.

 

СОВРЕМЕННАЯ БИОЛОГИЯ

ВОПРОСЫ

(Темы 10 и 11)

1. Чем отличается живое от неживого?

2. Относятся ли вирусы к живым или неживым телам и почему?

3. Каков механизм действия вируса?

4. Каковы концепции происхождения жизни?

5. Какова модель происхождения жизни А. И. Опарина?

6. Зачем нужен озоновый слой в атмосфере?

7. Как образовалась атмосфера на Земле?

8. Что такое фотосинтез?

9. Чем отличается ДНК от РНК?

10. Какие виды РНК вы знаете?

11. Каков механизм воспроизводства жизни на молекуляр­ном уровне?

12.Что такое рибосома?

13. Что такое ген?

14. Чем занимается генная инженерия?

15. Какой вклад в теорию эволюции внесла генетика?

Литература

1. Кендрью Дж. Нить жизни. — М., 1968.

2. Краткий миг торжества. — М., 1989.

3. Мир вокруг нас. — М., 1983.

4. Опарин А.И., Фесенков В.Г. Жизнь во Вселенной. — М., 1956.

Практикум к семинару

I. Ответьте на вопросы.

1. Почему проблема происхождения жизни одна из самых трудных и интересных в науке?

2. Чем живое отличается от неживого?

3. Как Пастер доказал, что жизнь не может возникнуть сей­час сама по себе?

4. Как это связано с процессом пастеризации?

5. Что нужно, чтобы появилось и могло существовать жи­вое вещество.

6. Каковы современные представления о происхождении жизни?

7. Каковы стации происхождения жизни по А. Опарину?

8. Какое значение имеет то, что с точки зрения теории ве­роятностей вероятность возникновения жизни очень мала?

10. Почему деятельность живых систем сравнивают с рабо­той фабрики и одновременно со звучанием симфонии?

11. В чем суть процесса метаболизма и что происходит с по­требляемой пищей?

12. Что изучает генетика?

13. Что такое ген, ДНК, РНК, хромосома, рибосома, амино­кислота, мутация, генотип, фенотип, онтогенез, филоге­нез, доминантность и рецессивность?

14. Как из одной оплодотворенной клетки возникает орга­низм?

15. Что такое биосинтез и как он происходит в организме?

16. Что такое самовоспроизводство и каков механизм само­воспроизводства жизни на молекулярном уровне?

17. Если отрезать ногу, то можно ли назвать это мутацией?

18. Как определить, что приобретенные признаки не насле­дуются? Как это показали опыты А. Вейсмана с мышами?

19. Какова суть и основание возражения против теории эво­люции Дарвина?

20. Что такое общая теория эволюции? Каков ход эволюции на Земле?

II. Прокомментируйте высказывания.

«Специфичность жизни, отличие живых систем от неор­ганического мира хорошо видны с точки зрения химии. В живых системах протекает множество отдельных хими­ческих реакций, например, в человеческом организме в одну секунду совершается примерно 15 миллирдов актов реакций, многие из которых давно и хорошо изучены. Для живого специфичен определенный порядок этих ре­акций, их последовательность и объединение в целостную систему» (Из книги «Мир вокруг нас»).

«Вся совокупность современных биохимических данных показывает, что отдельные, индивидуальные реакции,

протекающие в живых телах, сравнительно просты и од­нообразны. Это хорошо известные и легко воспроизводи­мые в пробирке и колбе химика реакции окисления, вос­становления, гидролиза, фосфоролиза, альдольного уп­лотнения, переаминирования и т.д. Ни в одной из них нет ничего специфически жизненного. Специфическим для живых тел прежде всего является то, что в них эти отдельные реакции определенным образом организованы во времени, сочетаются в единую целостную систему, на­подобие того, как отдельные звуки сочетаются в какое-либо музыкальное произведение, например, симфонию. Стоит только нарушить последовательность звуков — по­лучится дисгармония, хаос. Аналогичным образом и для организации живых тел важно то, что совершающиеся в них реакции протекают не случайно, не хаотически, а в строго определенном гармоничном порядке, который ле­жит в основе как восходящей, так и нисходящей ветви обмена веществ. Такие жизненные явления, как, напри­мер, брожение, дыхание, фотосинтез, синтез белков и т.д., — это длинные цепи реакций окисления, восста­новления, альдольного уплотнения и т.д., сменяющих друг друга в совершенно точной последовательности, в строго определенном закономерном порядке. Но что осо­бенно важно, что принципиально отличает живые орга­низмы от всех систем неорганического мира — это прису­щая жизни общая направленность указанного выше по­рядка. Многие десятки и сотни тысяч химических реак­ций, совершающихся в живом теле, не только гармонич­но сочетаются в едином порядке, но и весь этот порядок закономерно обусловливает самосохранение и самовосп­роизведение всей жизненной системы в целом и в данных условиях внешней среды, в поражающем соответствии с этими условиями» (А.И. Опарин, В.Г. Фесенков).

«На бесчисленном множестве небесных тел нет жизни, многие из этих тел никогда и не будут ею обладать в тече­ние всего своего развития, так как оно здесь идет совер­шенно иными путями, чем это имеет место на нашей плане­те. Но из этого совершенно не следует, что только Земля является единственным обиталищем жизни. В нашей метагалактической системе имеются сотни миллионов галак­тик, и каждая отдельная галактика может состоять из миллиардов и сотен миллиардов звезд. Даже в нашей галак­тике, включающей примерно 150 миллиардов звезд, мо­гут быть сотни тысяч планет, на которых возможно воз­никновение и развитие жизни. Во всей бесконечной Все­ленной должно существовать также и бесконечное множе­ство обитаемых планет» (А. И. Опарин, В.Г. Фесенков).

«Органический синтез осуществлялся в период, предше­ствовавший образованию Солнечной системы и во время ее образования; он имел место уже на том этапе, когда Земля еще окончательно не сформировалась. По-видимо­му, такой синтез происходил в атмосферах углеродных звезд, в солнечной туманности, в планетозималях и про-топланетах» (Дж. Оро).

«Я полагаю, что обмен у первых организмов был направ­лен — а у первых синтетических организмов будет направ­лен — на синтез нуклеиновых кислот, способных служить матрицей в синтезе белка, а также на синтез одного или более белков, катализирующих образование нуклеиновых кислот и белков» (Дж. Холдейн).

«В некотором смысле живые системы можно сравнить с хорошо налаженным фабричным производством: с одной стороны, они являются вместилищем многочисленных химических превращений, с другой — демонстрируют ве­ликолепную пространственно-временную организацию с весьма неравномерным распределением биохимического материала» (И. Пригожий, И. Стенгерс).

«Из множества возникавших при неспецифической поли­меризации вариантов благодаря действию естественного отбора сохранялись только те, участие которых в метабо­лизме данной системы способствовало ее более длитель­ному существованию, росту и размножению. Так проис­ходило постепенное совершенствование как всей живой системы в целом, так и ее отдельных механизмов» (А.И. Опарин).

«Если бы в период первоначального синтеза таких моле­кул существовал свободный кислород, то они почти на­верное в конце концов разрушились бы в результате окис­ления. Только в среде, лишенной свободного кислоро­да, эти предшественники живых систем могли накапливаться в концентрациях, способных обеспечить их частое взаимодействие друг с другом..., что было необходимо для возникновения первых метаболических систем» (П. Хочачка, Дж. Сомерс).



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-12 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: