Биологическая информация и самовоспроизведение жизни

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Биологическая информация и самовоспроизведение жизни

1. Проблема наследственности и развития в науке

синергетика размножение наследственность генетический

Прежде чем углубиться в сложные понятия молекулярной биологии развития, посмотрим на проблему исторически и увидим, что путь к пониманию лежал, как это обычно бывает, через непримиримый антагонизм альтернативных суждений.

Исторические корни проблемы

В истории человечества существует давний интерес к природе размножения и развития. От античных времен ведут начало две противоположные точки зрения на причины и движущие силы индивидуального развития организмов - преформизм и эпигенез.

Сторонники преформизма (от лат. praeformo - заранее образую, предобразую) утверждали, что формы и свойства будущего организма заложены в нем еще до рождения. Более того, уже в этом, еще не родившемся, организме содержатся невидимые (очень маленькие) зачатки будущих поколений, как вложенные одна в другую многочисленные матрешки убывающих размеров.

Так, основоположник европейской медицины Гиппократ (IV в. до н.э.) обращал внимание на то, что цыпленок содержится в яйце со всеми необходимыми членами тела уже задолго до вылупления. По его мнению, цыпленок в миниатюре заложен в яйце изначально, а в ходе насиживания яйца курицей происходит только рост, увеличение размеров. Расцвет преформизма приходится на XVII-XVIII вв. Когда стало ясно, что новый организм происходит от слияния яйца и сперматозоида, мнения преформистов о первоисточнике развития разделились. Большинство считало, что организм заложен в яйце (оно гораздо крупнее и содержит питательные вещества), тогда как сперматозоид лишь активирует яйцо к развитию. Другие видели будущую форму организма в сперматозоиде, даже рисовали его в виде скрюченного человечка с хвостом.

По философской сути такой механистический преформизм являлся, на первый взгляд, примитивным материализмом, поскольку возникновение нового организма объяснялось существованием вполне реальных материальных зачатков. Однако в своей крайней форме и в завершенном логическом построении преформизм приходил к идеалистической догме о заложенных в организме зачатках всех будущих поколений. В итоге он приводил к идее изначального сотворения живых существ богом, то есть становился «аргументом» в пользу креационизма (от лат. creatio - создание, сотворение).

В противоположность преформизму, сторонники эпигенеза (от греч. epi - над, сверх и genesis - возникновение) считали, что зародышевое развитие осуществляется путем последовательных новообразований структур из недифференцированной массы оплодотворенного яйца. Принципиально важным было решение вопроса о движущих силах такого развития. Эпигенетики невольно приходили к признанию нематериальных факторов, управляющих морфогенезом. Так, уже Аристотель, в противоречие Гиппократу, утверждал, что ни в яйце, ни в семени нет готовых структур взрослого организма; развитием управляет некая высшая цель, жизненная сила - энтелехия (см. раздел 3.1 о витализме).

В XVIII веке член Петербургской академии наук Каспар Фридрих Вольф доказал, что в курином яйце появление зачатков органов идет постепенно. На месте неоформленной массы желтка сначала возникают зачатки в виде пластов, только потом они перестраиваются в характерные формы: трубки, складки и т.п. Развитием, по представлению Вольфа, управляет «существенная (эссенциальная) сила» - по смыслу та же энтелехия.

Таким образом, эпигенез, по сути, предлагает виталистическое решение проблемы индивидуального развития. Энтелехия, существенная сила и т.п. нематериальные факторы синонимичны божественной воле, так что все учение становится явно идеалистическим.

Как ни странно, но и преформисты, и эпигенетики каждый по-своему были рациональны. Если от преформизма взять идею программы (матрицы) строения организма, а от эпигенеза поэтапность развития и его зависимость от среды (в том числе материнского организма), то в итоге мы получим современную трактовку биологии развития, которая признает наличие как генетических, так и эпигенетических факторов.

Генетика объясняет наследственность

С начала XX века проблемами наследственной информации занимается наука генетика. Во второй половине века на стыке химии, биологии и генетики возникли молекулярная биология и ее генетическая ветвь - молекулярная генетика. Немаловажную роль в понимании теоретических основ генетической информации сыграла кибернетика.

Заметим, что представление о генах как о носителях наследственных признаков возникло еще в XIX веке. В 1865 году чешский ученый Грегор Мендель (1822-1884) при скрещивании разных сортов гороха открыл первые законы наследования отдельных признаков, доказал дискретность признаков, то есть их раздельное, независимое друг от друга существование и наследование. Выводы Менделя свидетельствовали о существовании неких дискретных «факторов наследственности» (позже их назвали генами), хотя представления о том, что это за факторы, Мендель не имел и не мог иметь, так как ни ДНК, ни хромосомы тогда не были известны. К сожалению, современники (включая Дарвина) проглядели или не поняли Менделя; биология того времени не была готова к восприятию его идей. Приоритет и выдающееся значение открытия Менделя признали уже задним числом, когда в 1900 году те же законы были переоткрыты другими учеными. К этому же времени стало ясно, что носителями генов являются микроскопические тельца - хромосомы, содержащиеся в клеточных ядрах.

Гораздо позднее, в 40-х годах XX века, состоялось открытие основного вещества хромосом - ДНК, а в 1953 году Джеймс Уотсон из США и Френсис Крик из Великобритании расшифровали строение и механизм удвоения молекул ДНК - материального носителя генетической информации. Вскоре был раскрыт и механизм использования этой информации в процессе биосинтеза белков, ответственных за формирование признаков организма. Абстрактное до сих пор понятие гена приобрело материальный смысл и получило функциональное толкование. В 1962 году Уотсон и Крик вместе с Уилкинсом (его рентгенограммы ДНК использовались для обоснования биспиральной модели) были удостоены Нобелевской премии.

Синергетика - новый взгляд на проблему развития

Итак, в середине XX века состоялись великие научные открытия, знаменовавшие начало молекулярно-биологической революции в естествознании. Вместе с тем, со стороны новой науки синергетики обозначается новый подход к проблеме развития, в котором как ключевое выступает понятие самоорганизации. Об этом мы уже говорили коротко при характеристике системной организации (см. раздел 2.1), теперь приоткроем важные детали. Синергетика (от греч. synergos - совместно действующий) как наука об общих причинах и механизмах самоорганизации систем различного происхождения сформировалась на стыке интересов математики, физики и химии во второй половине XX века при изучении самопроизвольно развивающихся процессов. Далее она нашла свое приложение в биологии, а также социологии и философии.

Напомним, что в 60-70-е годы физиками были открыты кооперативные резонансные процессы в атомах с возникновением когерентного излучения, происходящие в лазере при мощной «накачке» внешним светом. Еще раньше описаны колебательные реакции, идущие по принципу «химических часов». Колебательная химическая система, названная брюсселятором (в честь г. Брюсселя - столицы Бельгии, где и сформировалась новая научная школа), изучена отечественными учеными - радиохимиком Б.П. Белоусовым и биофизиком А.М. Жаботинским. При свободном поступлении в такую систему химических субстратов и при наличии в ней катализаторов происходит реакция, продукты которой самопроизвольно удаляются, освобождая место для поступления новой порции субстрата. Реакция идет по замкнутому циклу, и периодические изменения концентрации реагирующих веществ сопровождаются образованием характерных пространственных структур в виде расходящихся цветных колец или спиралей на реакционной поверхности. Создается картина пульсирующей, «живущей» химической системы. Не менее впечатляют такие самоорганизующиеся структуры, как ячейки Бенара - правильно расположенные сотовидные сгустки в вязкой жидкости, самопроизвольно возникающие в ней при медленном равномерном подогреве, или завихрения, спонтанно появляющиеся в изначально ровном и плоском течении жидкости.

Теоретическое объяснение и математическую модель процессов самоорганизации предложил бельгийский физико-химик Илья Пригожин (выходец из России), получивший в 1977 году за эту работу Нобелевскую премию. Среди положений теории самоорганизации, объясняющей механизм самопроизвольного образования упорядоченных структур, выделим следующие.

Самоорганизация - это такой процесс развития, который не имеет программного управления, а всякие упорядоченные новообразования возникают сами по себе в результате взаимодействия элементов, расположенных изначально без видимого порядка, хаотично.

Самоорганизующаяся система должна быть открытой и диссипативной. Это означает, во-первых, что условием самоорганизации является поступление в систему внешней энергии, достаточно концентрированной и способной произвести работу. Во-вторых, возникновение нового порядка, структурное усложнение сопровождается диссипацией (рассеянием) энергии, которая становится непригодной для производства работы (как мы это видели на примере энергетического обмена в клетке; раздел 3.3, рис. 3.1 и 3.3). Можно сказать, что открытая развивающаяся система производит энтропию, но не накапливает ее, а рассеивает во внешнюю среду. Напомним, что энтропия обозначает меру беспорядка, хаоса в состоянии материи.

Образование нового порядка в системе происходит через флуктуации, бифуркации и нарушения изначальной симметрии. В системе всегда возникают малые флуктуации элементов и связей - случайные отклонения от среднего положения (уже сама нестабильность атомов предрасполагает к этому). По законам саморегуляции они устраняются, однако при некоторой начальной организованности системы, за счет свободной энергии и резонансного совпадения нескольких флуктуаций отклонения усиливаются. Наступает момент бифуркации (от лат. bifurcus - раздвоенный) - неустойчивая переломная точка в развитии системы, за которой возможно устойчивое и необратимое отклонение от прежнего состояния (элементарная катастрофа). Прежний порядок и симметрия элементов в системе исчезают, возникает и закрепляется новый порядок, появляется асимметрия, структурное неравновесие. Система приобретает новое качество.

Наконец, самоорганизация возможна при некотором критическом количестве элементов в системе, достаточном для возникновения их кооперативного поведения. Путь к новому качеству возможен через изменение количества.

Оказалось, что диссипативные процессы самоорганизации происходят и в живой природе. Немало интересных примеров можно найти при изучении строительства колоний у бактерий, амеб или насекомых, при анализе коллективного упорядоченного поведения особей в популяциях, которое, на первый взгляд, можно принять как программированное или даже разумное (см.: Исаева, 2005). И, конечно же, механизмы самоорганизации (самосборки) вполне ожидаемы в процессах индивидуального развития организмов, что мы и увидим далее, наряду с детерминированными генетическими событиями и внешними эпигенетическими регуляциями.

2. Зачем и о чем нужна генетическая информация

В предыдущей главе при характеристике обмена веществ мы уже говорили, что в ходе реакций пластического метаболизма в клетках синтезируются четыре типа сложных органических веществ: углеводы, липиды (жиры и им подобные вещества), белки и нуклеиновые кислоты (см. рис. 3.3). Из этих веществ клетки создают свои рабочие структуры, с их участием осуществляется жизнедеятельность - превращения энергии, размножение, рост, развитие, защита от внешних агентов и т.д. Теперь добавим, что основную роль в этих процессах, в исполнении всех жизненных функций играют белки.

Углеводы и липиды, при всей их важности как строительных и энергетических субстратов клетки, по сравнению с белками выполняют все же более простые и менее разнообразные функции. Причем сами углеводы и липиды создаются с помощью белков-ферментов, поэтому их функции можно рассматривать как продолжение функций соответствующих белков. Нуклеиновые кислоты - это генетические предшественники белков, они существуют для воспроизведения клеточных белков в ряду клеточных поколений.

Таким образом, для понимания существа жизни после выяснения ее энергетических источников важнейшим вопросом встает природа белков и принципы их функционирования.

Белки, или протеины, представляют собой полимерные молекулы полипептиды длиной в 50-100-500 и более мономеров - аминокислот 20 разновидностей. Исходное определение «белок» возникло от сваренного куриного яйца; термин «протеин» (от греч. protos - первый, важнейший) подчеркивает роль белков как основы живой материи; «полипептид» - это уже биохимическое определение структуры белка.

Одна из валентностей центрального атома углерода удерживает специфическую группу - радикал, обозначаемую в общем виде символом R. Строением радикала аминокислоты отличаются друг от друга (см. рис. 2.2, белки). Соединяясь в цепь, аминокислоты разного качества создают неоднородную по длине молекулу белка, подобную ожерелью, набранному из разнообразных бусинок.

У разных организмов существуют тысячи разных белков, больших и маленьких, но все они строятся из 20 видов аминокислот, которые различаются по составу и химическим свойствам их свободных концов - радикалов. Между прочим, такая биохимическая гомологичность явно указывает на общность происхождения и эволюционную преемственность всех биологических видов.

Для каждого вида белка набор аминокислот, т.е. их количество и порядок чередования, строго индивидуален и составляет его так называемую первичную структуру. От нее зависит конечная форма молекулы (вторичная и третичная структуры) и тип ее функционирования. Замена аминокислот в полипептидной цепи, т.е. изменение первичной структуры, приводит к искажению конечной структуры данного белка и утрате его функции.

Говоря о функциях белков, надо четко представлять, что они не просто «входят в состав» живой материи, но совершают ту или иную работу, которая и определяется как функция белка. Белки вместе с солями кальция составляют скелетную основу многих организмов, в том числе основу костей и хрящей у человека (опорная функция белков). Двигательная функция реализуется сократимыми белками мышечных клеток. Транспортная функция белков проявляется в переносе кислорода от легких в разные органы (белок красных кровяных телец - гемоглобин), а также в поглощении клетками питательных веществ и выносе шлаков. Важнейшая функция белков-ферментов - ускорение (катализ) биохимических реакций, без чего просто невозможен обмен веществ в организмах. С помощью особого класса белков - иммуноглобулинов (их называют также антителами) осуществляется защитная функция, т.е. улавливание и уничтожение в организме чужеродных молекул, вирусов, бактерий (их обозначают общим термином - антигены). Аналогично с большой точностью распознавания осуществляется сигнальная функция белков-гормонов и их рецепторов, а также белков нервных клеток, ответственных за восприятие внешних раздражителей. Наконец, особые белки в клеточных ядрах осуществляют регуляторную функцию по отношению к генам - организаторам биосинтеза самих же белков. Ясно, что специфичность химического распознавания в реакциях фермент - субстрат, антиген - антитело, гормон - рецептор и других возможна только при строгом соблюдении определенной первичной структуры (последовательности аминокислот) белков.

Обычно называют еще энергетическую функцию белков, поскольку, как и другие органические молекулы, они могут окисляться до углекислого газа и воды и отдавать энергию на синтез АТФ. Такую энергетическую функцию выполняют, например, специальные белки яйца. Однако в обычных клетках на путь энергетического обмена вступают лишь се и отработавшие свой срок (искаженные) молекулы белков. При голодании, когда исчерпаны запасы углеводов и жиров, расщепление белков усиливается, в ущерб структурной целостности организма. Но целевое расщепление белков в энергообмене расточительно, так как аминокислоты представляют дефицитный продукт. Белки имеют уникальную структуру, которой дано более высокое предназначение.

Но зададимся вопросом: как долго может работать белок? Оказывается, белковая молекула со временем изменяется в результате «засорения» мелкими свободными радикалами - побочными продуктами обмена веществ. Происходит окисление белков (и не только белков) активными формами кислорода (H₂O₂, O₂^-, HO^-, NO^-), образующимися в ходе многих биохимических реакций. Возможно также внеплановое присоединение различных химических групп вроде - СН₃ или глюкозы. Следует вывод: белки со временем утрачивают нормальную структуру, стареют, становятся непригодными к выполнению своих функций. Вместе с белками стареют клетки, органы и в целом организмы. Следовательно, в живой природе должны быть механизмы замещения или воспроизведения стареющих белков, клеток и самих организмов. Такие механизмы действительно существуют.

Во всех клетках происходит постоянный синтез новых белков, идущих на замену изношенным и разрушенным. Особенно актуально обновление белков для долгоживущих клеток - нервных, мышечных. Такие клетки живут годами и даже десятилетиями, но они обновляются изнутри - подобно тому, как мы ремонтируем дом, не разрушая его как целое строение. В других тканях реализуется стратегия обновления клеточного состава путем регулярного деления молодых (стволовых) клеток. Так, клетки крови обновляются за несколько недель, кожный эпителий - за неделю, кишечный эпителий - за двое суток. Но и эти процессы не обеспечивают бессмертия организму. Поэтому существует и более радикальный механизм защиты жизни, ее самовоспроизведения - это размножение целых организмов.

Важно то обстоятельство, что и отдельные клетки, и целые организмы воспроизводят в поколениях прежний план организации и «образ жизни». В чем причина этого сходства? Где и в каком виде содержится и как реализуется информация о строении и свойствах белков, клеток, организмов? Как эта информация наследуется? Успехи современной генетики, цитологии, эмбриологии дают на эти вопросы достаточно ясные ответы. Для контроля развития организма используется, прежде всего, собственная генетическая информация клеток. Большую роль в развитии играют также внешние, эпигенетические факторы. Кроме того, в строительстве клеток и органов имеют место процессы самоорганизации.

Таким образом, важнейшим свойством жизни является ее способность к самовоспроизведению. Процессы воспроизводства и индивидуального развития протекают и контролируются на разных уровнях: молекулярном, клеточном, организменном. Они выражаются в постоянном новообразовании клеточных белков, размножении самих клеток и целых многоклеточных организмов.

3. Генетический код и биосинтез белков

Сегодня каждый школьник знает, что организм имеет наследственную (генетическую) информацию о своих признаках (строении, свойствах, поведении), которая передается от родителей к детям. Носителем информации в каждой клетке являются молекулы ДНК, входящие в состав микроскопических структур - хромосом. ДНК обеспечивает образование белков, которые и формируют признаки. Участок молекулы ДНК, отвечающий за образование одного вида белка, это и есть один ген (от греч. genos - род, происхождение). К этому следует добавить, что совокупность генетических задатков данного организма обозначается понятием генотип, а то, что получается в итоге совокупность признаков сформированного организма, называется фенотипом (от греч. phaino - являю, обнаруживаю). Важно понимать, что под признаками и фенотипом подразумеваются не только «внешние» признаки, морфологические свойства организма (размер, форма частей тела, окраска и т.п.), но также и функционально-биохимические характеристики (скорость роста, предпочтения в пище, устойчивость к болезням, группы крови и многое другое) - все, что определяется особенностями строения и функциями белков. Наконец, мы знаем, что фенотип зависит не только от генотипа, но и от условий среды, в которых развивается организм, и что пределы варьирования фенотипа при неизменном генотипе обозначаются как норма реакции. Вот, в сущности, основная квинтэссенция молекулярной биологии развития, известная по школьному учебнику общей биологии. Но почему (зачем) белкам нужна наследственная информация? Как она реализуется, чем контролируется, как наследуется?

Только что мы выяснили, что белки, как и целые клетки, стареют и разрушаются, поэтому их надо создавать заново путем синтеза (соединения) из свободных аминокислот. Синтез новых белков необходим в каждом новом поколении клеток и организмов, а в долгоживущих клетках он происходит ежедневно и ежечасно. Но ведь каждый тип белка имеет уникальную, строго обязательную последовательность из множества аминокислот 20 разновидностей (первичную структуру), и эта последовательность должна воспроизводиться с абсолютной точностью. В противном случае будет получаться искаженный, нефункциональный полипептид. Вот почему в каждой клетке должна быть генетическая информация (программа) о первичной структуре белков. Причем эта информация должна не только работать на синтез белков, но и периодически копироваться, т.е. наследоваться, чтобы воспроизводить те же белки в поколениях новых клеток и организмов.

Основной закон, объясняющий механизм функционирования ДНК (гена) при реализации наследственной информации, был обозначен как центральная догма молекулярной биологии. Вот ее краткая формула:

ДНК > РНК > белок.

Оставляя пока в стороне РНК, выделим самую суть догмы: информация о первичной структуре белка заключена в молекуле ДНК, т.е. в молекулярной структуре гена. Процесс передачи информации однонаправленный: по ДНК можно построить белок, но обратный процесс - синтез ДНК по белку - невозможен. В целом в молекулярной биологии выполняется принцип: один ген - один белок.

Белок и ДНК являются полимерами, но у них разные мономеры: аминокислоты 20 видов в белке и нуклеотиды 4 видов в ДНК. Сам принцип кодирования белков с помощью ДНК состоит в том, что последовательность (порядок расположения) мономеров-нуклеотидов в молекуле ДНК предопределяет (кодирует, шифрует) последовательность мономеров-аминокислот в белке. Таким образом, суть информации заключается в последовательности нуклеотидов молекул ДНК, как последовательность букв в словах определяет смысл сказанного или написанного. Сам шифр или принцип соответствия определенных комбинаций нуклеотидов, с одной стороны, и аминокислот - с другой, называется генетическим кодом.

Как видно из формулы центральной догмы, «передача информации» от ДНК к месту синтеза белковой молекулы происходит в два этапа, с помощью особого посредника - молекулы информационной РНК (иРНК). Эти два этапа определяются в молекулярной биологии как транскрипция (переписывание) и трансляция (передача, перевод). По своей химической сущности оба процесса представляют реакции синтезов, соответственно синтеза иРНК и синтеза белка (рис. 1).

Схема биосинтеза белка. Транскрипция и трансляция

На этапе транскрипции вдоль одной цепи ДНК, как по матрице, в соответствии с принципом комплементарности синтезируется новая молекула - информационная РНК. Т.е. информация (порядок чередования нуклеотидов) как бы «списывается» (отсюда и термин) с матрицы ДНК путем строительства новой цепи нуклеотидов. Одна цепь ДНК (рабочая) используется в качестве матрицы, другая цепь в это время не функционирует. Синтезированная РНКовая цепь повторяет нуклеотидный набор антиматричной цепи ДНК, т.е. фактически иРНК является рабочей копией гена. Благодаря транскрипции информация о каком-либо белке тиражируется в большом числе РНКовых копий, что позволяет многократно увеличить скорость производства данного белка в клетке.

На этапе трансляции происходит собственно синтез белка с использованием матрицы иРНК, т.е. информация «переводится» на другой молекулярный язык. Для этого синтезированная в ходе транскрипции иРНК переносится из ядра в цитоплазму, и по ней идет сборка аминокислот в полипептидную цепь с помощью так называемых транспортных РНК (тРНК) и специальных органоидов рибосом (рис. 1, нижняя часть схемы).

Как видно, генетический код является триплетным: он устроен так, что одна аминокислота белковой цепи кодируется тремя нуклеотидами РНК, а изначально, в структуре гена, - тремя парами нуклеотидов ДНК. Другое важное свойство генетического кода - его универсальность. Шифр соответствия триплетов в ДНК (РНК) определенным аминокислотам в синтезируемом белке используется («читается» и «понимается») всеми организмами на Земле - от бактерий до высших растений и животных, включая человека. Идентично устроен и весь аппарат биосинтеза белка, основанный на взаимодействии молекул ДНК, иРНК, тРНК и рибосом. Именно поэтому человеческую ДНК можно размножить, а затем транскрибировать и транслировать в человеческий белок (например, инсулин) внутри бактериальной клетки. Универсальность кода означает, что он зародился единожды, у самых первых организмов (примитивных протоклеток), и прошел неизменным через всю биологическую эволюцию.

Интересный «выверт» центральной догмы был обнаружен в ходе исследования биохимии вирусов. Установлена возможность обратной транскрипции синтеза двухцепочечной молекулы ДНК на основе одноцепочечной РНК. Обратная транскрипция происходит у так называемых ретровирусов (например ВИЧ), и для этого нужен специальный фермент обратная траскриптаза. При переходе от организма к организму ретровирусы содержат РНК, но для размножения в зараженных клетках они преобразуют свою РНК в ДНК. Далее ДНК работает, как обычно, на синтез иРНК и вирусных белков. Механизм обратной транскрипции широко используют в генно-клеточной биотехнологии, в научных исследованиях по молекулярной генетике.

Таким образом, представление о молекулярной догме изменилось, она приобрела вид:

ДНК - РНК > белок

(первая стрелка, обращенная в обе стороны, означает принципиальную возможность не только прямой, но и обратной транскрипции). Однако это открытие пока что не поколебало основную идею: перенос генетической информации - однонаправленный, от генотипа к фенотипу, то есть нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) строят белок, но обратный процесс строительство новой ДНК или РНК по белку невозможен. И все же открытие обратной транскрипции, возможно, указывает путь направленных преобразований ДНК (генов) через предварительные изменения молекул РНК, что имело бы далеко идущие последствия в объяснении механизмов биологической изменчивости и эволюции. К этим вопросам мы еще вернемся в соответствующей главе нашего пособия.

В заключение параграфа несколько слов о геноме и геномике. Геномом называют один полный (гаплоидный) набор («список») генов данного биологического вида. Некоторые гены являются вспомогательными или регуляторными, но подавляющее их большинство кодируют конкретные структурные белки. В настоящее время для ряда объектов определено примерное число генов и выявлен их нуклеотидный состав. Это несколько видов бактерий (от 500 до 4 тысяч генов), из царства грибов - дрожжи (около 6 тысяч генов), из животных - плодовая мушка дрозофила (около 14 тысяч генов) и некоторые другие. В целом завершена международная программа «Геном человека». Как показали пятнадцатилетние исследования, в нашем геноме имеется более 30 тысяч разных генов. Но функции большинства выявленных генов (т.е. состав и назначение кодируемых ими белков) пока неизвестны. Поставлена задача обнаружения этих белков и определения их роли в организме, выраженная девизом: «от геномики - к протеомике», т.е. от состава генов - к составу и функциям протеинов (белков).

Почему именно ДНК выбрана Природой для кодирования структуры белков, неизвестно. В 20-х годах ХХ века российский биолог Н.К. Кольцов высказал идею о самовоспроизведении белков путем аутосинтеза по матричному принципу. В отношении матричного принципа догадка была гениальной, но роль матрицы, как выяснилось позднее, выполняют не сами белки, а молекулы ДНК - полимера, совершенно не похожего на полипептидные цепи белков. Согласно одной из новых гипотез (Костецкий, 1999), уже в момент зарождения жизни на Земле на основе перестройки кристаллов природного минерала апатита сразу возник комплекс ДНК и белка (подробнее см. раздел 6.2 о происхождении жизни). Кристаллы апатита изначально имели многочисленные искажения кристаллической решетки («мутации»), что и послужило первичным источником разнообразия генов и, соответственно, белков. Впоследствии искажения нарастали, возрастало разнообразие структур и функциональных свойств белков. Таким образом, ДНК-белковое соответствие является изначальным свойством жизни.

Репликация ДНК и размножение клеток

Кроме синтеза белков индивидуальное развитие включает размножение клеток, а также и размножение самих организмов. Для этого необходим механизм воспроизведения генетической информации. Копирование генетической программы осуществляется посредством репликации ДНК в цикле деления клетки (рис. 2). Это вторая функция генов.

Репликация (от лат. replicatio - повторение) означает процесс матричного аутосинтеза молекулы ДНК, ведущий к ее удвоению, самовоспроизведению. Как и в случае транскрипции, молекула ДНК разделяется на две нити и достраивается свободными нуклеотидами, но не по одной цепи, а сразу по обеим (рис. 2, вверху слева). Подбор нуклеотидов идет по принципу комплементарности: аденин - тимин, гуанин - цитозин. Новые цепи не удаляются со своих матриц, как это происходит с РНК при транскрипции, а остаются на них, удерживаемые водородными связями. В результате образуются две молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну старую и одну новую цепи нуклеотидов. Дочерние молекулы ДНК идентичны друг другу и в то же время повторяют материнскую молекулу. На рис. 2 видно, как в репликативной вилке пара А-Т воспроизводится в две такие же А-Т пары, а пара Г-Ц, соответственно, в две Г-Ц пары.

Когда в 1953 г. Уотсон и Крик показали возможность самокопирования ДНК по принципу комплементарности, научная общественность была в шоке: настолько неожиданно прост и надежен оказался механизм наследственности! Не столько структура ДНК, сколько вытекающий из нее механизм самокопирования представлял наибольший интерес в их открытии.

Ядерная ДНК находится в составе хромосом, она связана с большим количеством вспомогательных белков, способствующих ее правильной упаковке. Во время деления клетки эти структуры максимально спирализованы. Число хромосом (как и их размеры, форма) специфично для каждого вида животных или растений (хромосомный набор, или кариотип вида). В половых клетках содержится минимальный, одинарный, или гаплоидный, набор хромосом, включающий один комплект генов, т.е. один геном, его обозначают латинским символом «n». Начиная от зиготы, полученной от слияния мужской (1n) и женской (1n) половых клеток, во всех поколениях соматических клеток воспроизводится двойной, или диплоидный, набор хромосом - 2n. Так, у человека в обычной соматической клетке содержится 46 хромосом - 23 хромосомы от матери и 23 такие же от отца (только по 23-й паре есть различия хромосом женского и мужского организмов).

Цикл деления и дифференцировка клеток

Между прочим, из сказанного следует важный вывод: каждый признак, то есть каждый белок, закодирован в клетке (и организме) не одним, а двумя генами, от двух гомологичных (одноименных) хромосом. Такие пары генов, отвечающих за один и тот же признак, называют аллельными генами, или просто аллелями. О преимуществах дублирования генов мы еще вспомним при рассмотрении полового размножения организмов и механизмов эволюции.

Но вернемся к циклу деления клетки (рис. 2). Во время интерфазы, между делениями, происходит репликация ДНК, в результате чего в каждой хромосоме ДНК удваивается. В ходе деления клетки (оно называется митозом) ядерная оболочка разрушается, хромосомы спирализуются, продольно расщепляются и симметрично расходятся к полюсам клетки. Следом происходит деление самой клетки. В результате митоза в дочерних клетках воспроизводится исходный диплоидный набор хромосом 2n, поэтому каждая новая клетка обладает той же информацией о белках, что и материнская клетка.

Понятно, что размножаются только клетки с полноценным ядерным (хромосомным) аппаратом. Также исключена всякая самосборка клеток из неклеточного вещества, например из желтка или белка в развивающемся яйце, из плазмы крови или других биологических жидкостей. Такие идеи предлагались еще на заре клеточной теории (Шлейден, 1838), но в 1855 году немецкий ученый Рудольф Вирхов «не оставил камня на камне» от такой теории, доказав на большом научном материале, что новые клетки возникают только от таких же клеток в результате их деления.

Деление клеток приводит к увеличению их числа. В крупных организмах насчитываются миллионы, миллиарды и триллионы клеток. Тело человека, например, образовано сотнями триллионов (10¹⁴) или даже квадриллионом (10¹⁵) клеток. В многоклеточном организме происходит дифференцировка клеток - появление структурно-функциональных различий между ними и формирование специализированных тканей (см. рис. 2).

Итак, индивидуальное развитие клетки слагается из двух процессов: размножения и роста. На молекулярном уровне это означает две операции с участием одной и той же генетической матрицы, молекул ДНК: 1) репликация ДНК, обеспечивающая копирование генотипа, размножение клеток; 2) транскрипция (синтез РНК) и трансляция (синтез белков) генной информации, необходимые для построения фенотипа, т.е. для роста, включающего и дифференцировку клеток. Так что живые клетки, а значит, и сами организмы представляют неразрывное единство генотипа и фенотипа, с точки зрения молекулярной биологии - единство программы развития в форме ДНК, передающейся по наследству, и собственно живого тела (сомы), образованного преимущественно белками.

Теперь схему центральной догмы молекулярной биологии можно дополнить механизмом репликации ДНК, после чего она будет иллюстрировать всю молекулярно-биологическую сущность развития (рис. 3). Поистине уникальная способность ДНК - одинаково легко осуществлять собственную репликацию (аутосинтез) и однонитевую транскрипцию (гетеросинтез) - лежит в основе самовоспроизведения живой материи на разных уровнях организации: молекулярном, клеточном, организменном.

Центральная догма молекулярной биологии (молекулярно-генетическая сущность развития)

Заметим, однако, что рассмотренная схема отражает только генетическую программу развития. Но еще вначале мы сказали, что конечный облик и образ жизни организма, его фенотип, зависит не только от генотипа, но и от условий среды. При этом «условия среды» понимаются в широком смысле как совокупность всех эпигенетических факторов, так или иначе влияющих на работу генов. Кроме того, мы хотели увидеть и проявления процессов самоорганизации в развитии. Запомним эти важные дополнения и вернемся к ним при рассмотрении индивидуального развития целого организма, а пока продолжим разговор о самовоспроизведении, но от деления клеток перейдем к размножению организмов.

5. Половое размножение организмов

Размножение организмов является их важнейшим свойством и служит безграничному продолжению жизни в новых поколениях, притом что отдельные особи смертны. Существует два способа размножения организмов: половое и бесполое. Основным и стратегически значащим является половое размножение, потому что оно не только выступает средством увеличения числа особей, но и способствует увеличению эволюционных возможностей вида.

Цикл индивидуального развития животного организма (онтогенез)

Онтогенез (индивидуальное развитие) многоклеточного организма, совершаемый на основе полового размножения, протекает по хорошо известной схеме (рис. 4). В образовании нового организма участвуют два родителя разного пола. Взрослые особи производят половые клетки, специально предназначенные для размножения: мужские клетки - сперматозоиды и женские - яйцеклетки. Половые клетки называют также гаметами (греч. gametes - супруг, gamete - супруга). Главное отличие половых клеток от всех остальных клеток тела (определяемых как соматические, от греч. soma - тело) состоит в том, что в ходе своего развития из обычных диплоидных (2n) клеток они претерпевают лишнее деление без удвоения ДНК и поэтому получают гаплоидный (1n) набор хромосом. Такое двойное деление половых клеток называется мейозом. В процессе оплодотворения мужская и женская гаметы сливаются и образуют диплоидную клетку - зиготу. В эмбриональном периоде зигота многократно делится обычным митозом (все клетки остаются диплоидными) и превращается в многоклеточный зародыш, или эмбрион, а далее после рождения формируется взрослый организм. Организмы производят новые половые клетки, оставляют потомство и умирают.

В чем состоит значение полового процесса? Дело в том, что в зиготе всякий раз образуются новые комбинации из отцовских и материнских генов - аллелей, что создает необходимое генетическое разнообразие особей в популяциях и увеличивает шансы всего вида в борьбе за существование.

Для того чтобы оценить значение сказанного, надо, во-первых, понимать важную особенность генов - их изменчивость. Как мы уже знаем, ген - это участок молекулы ДНК, отвечающий за синтез одного вида белка, за один простой признак. В результате случайных ошибок в ходе репликации ДНК либо под действием различных факторов среды - химических, физических, биологических (например, вирусов) молекулярная структура ДНК локально изменяется, то есть со временем гены мутируют, в том числе в половых клетках. Мутации генов приводят к искажениям структуры и функции синтезируемых белков и, соответственно, к изменениям признаков. Мутации бывают разных масштабов и разного качества, и не только вредные, летальные (смертельные), но и потенциально полезные. В таких случаях организмы выживают, и мутации закрепляются в потомках.

Во-вторых, при созревании половых клеток, во время мейоза, происходит не только уменьшение их хромосомного набора, но и важнейший рекомбинационный процесс - кроссинговер, охватывающий большие генные области. Отцовские и материнские хромосомы, имеющие одноименные гены (такие пары хромосом называют гомологичными), тесно сближаются и обмениваются симметричными (гомологичными) участками. Отцовские и материнские гены в этих участках могут различаться качеством мутаций, т.е. являются аллельными.

Как видим, в хромосомном наборе каждой половой клетки происходит рекомбинация (перетасовка) больших пакетов одноименных генов отцовского и материнского происхождения. Число генов, их наименование и порядок расположения в хромосомах не изменяются, но происходит перегруппировка их мутантных (аллельных) вариантов, так что в ходе последующей гаплоидизации гаметы получаются качественно различными. Когда идет слияние мужских и женских половых клеток (оплодотворение), в зиготе может возникнуть любая комбинация мутантных вариантов генов, так что даже у одной пары родителей дети будут иметь многочисленные различия по тем или иным признакам. Исключение составляют однояйцевые близнецы, которые возникают из одной зиготы в результате ее случайного разделения и, естественно, повторяют ее генотип.

Таким образом, в результате мутаций и случайных комбинаций отцовских и материнских хромосомных наборов у людей получается разный цвет кожи, волос и глаз, разная форма носа и ушей, разные группы крови, разные предпочтения в пище (разные ферменты и рецепторы), разные интеллектуальные способности и т.д. и т.п. На Земле нет двух генетически одинаковых людей, если они не однояйцевые близнецы.

Заметим, что половое размножение свойственно всем эукариотным организмам: одноклеточным водорослям и простейшим, грибам, растениям, животным, человеку. Даже у бактерий, т.е. у прокариотных организмов, где нет полового размножения, внехромосомные гены, плазмиды, могут мигрировать от одной клетки-особи к другой, внося генетическое разнообразие в популяцию. Изменчивость особей, возникающая при половом размножении, - очень важный фактор генетического разнообразия в популяциях организмов, которое служит материалом для отбора на лучшие комбинации признаков. Половое размножение увеличивает шансы популяций и всего вида в борьбе за существование и поэтому выступает как важнейший движущий фактор биологической эволюции (подробнее - в главе 6).

6. Бесполое размножение организмов. Клонирование

Бесполое размножение происходит у всех одноклеточных водорослей, грибов (например дрожжей), простейших животных. Это обычное деление клеток, чередующееся с половым размножением и служащее более широкому расселению видов. Бесполое размножение широко распространено также у высших растений, что известно любому дачнику. В практике используется размножение черенками (смородина), усами (земляника), клубнями (картофель) и другими фрагментами. Поскольку новые растения вырастают из вегетативных (не половых) органов, этот механизм называют также вегетативным размножением. Встречается бесполое размножение и у многоклеточных животных, например путем почкования. Легко почкуются гидры и медузы. Плоские черви планарии восстанавливаются из фрагментов тела. Морские звезды вырастают со всеми органами из отдельных оторванных лучей. Однако с повышением уровня организации эта способность снижается, а у высших животных и человека она совсем утрачивается. Если разрезать пополам насекомое, например муху, или позвоночное животное - рыбу, лягушку, не говоря уже о птицах и млекопитающих, то из этого ничего хорошего не выйдет.

Общим правилом бесполого размножения является участие одного «родителя». Важно и то, что дочерние особи образуются из обычных соматических (не половых) клеток, которые остаются диплоидными, так как делятся митотическим путем. Поскольку перед каждым митозом ДНК реплицируется с большой точностью, все поколения имеют в клетках один и тот же набор генов с их изначальными мутациями, один и тот же генотип - от одного родителя. Фактически это генотип тех прародителей (бабушек и дедушек, прабабушек и прадедушек или еще более древних поколений), которые когда-то были получены половым путем. Поэтому земляника, разводимая усами, или картофель при посадке клубнями будут сохранять из поколения в поколение одни и те же сортовые качества. С годами они заражаются бактериями и вирусами, приобретают мутации и стареют, как стареет отдельный организм. Поэтому время от времени посадочный материал приходится обновлять. Для этого используют новое, молодое поколение, полученное из семян при половом размножении.

Близким по сути является клонирование растений и животных. Теория и практика клонирования уже давно не новые, хотя заговорили об этом в последнее десятилетие, после того как в 1997 году в Шотландии удалось вырастить знаменитую овечку Долли. Что же такое клонирование?

Клон - это совокупность генетически однородных особей, полученных путем простого митотического размножения клеток без полового процесса, без хромосомного рекомбинирования. Клонированные организмы генетически идентичны, как однояйцевые братья или сестры. Этим клон отличается от потомков, полученных половым путем, у которых в каждом поколении возникают новые комбинации генов от двух родителей. Потомство одного растения или животного, полученное черенкованием или почкованием, это, по сути, тоже клон. Но в последнее время клонирование особей ведут из отдельных клеток. Это повышает генетическую чистоту клона и имеет ряд других преимуществ.

Схема клонирования растений

Схема клонирования растений приведена на рис. 5. Берут какую-нибудь ткань, например кусочек корнеплода моркови, помещают в колбу или пробирку с плотной питательной средой, добавляют гормоны роста. Вскоре клетки приступают к размножению. В это время их можно рассадить по одной штуке во множество колб или пробирок, и процесс пойдет с прежним темпом в каждой из них. Образуется клеточная масса (каллус), в которой далее идет дифференцировка клеток с образованием разных тканей, формируются органы: корень, стебель, листья. Растение в пробирке готово, оно может достичь половозрелости и дать семена. Ценность метода клонирования растений заключается в том, что таким образом удается вырастить стерильный, не пораженный вирусами или бактериями, посадочный материал. Если это к тому же элитный сорт, урожай после пересаживания в открытый грунт будет превосходный. Естественно, делается это в специальных лабораториях, стерильно, с применением искусственных сред и стимуляторов роста.

Клонирование животных началось гораздо раньше, чем принято думать.

Уже в 1928 г. была показана возможность развития личинок тритона из отдельных клеток 16-клеточного зародыша. В 1950-е годы был получен головастик лягушки из зиготы, в которой ее собственное ядро было удалено и заменено ядром из клетки раннего зародыша. Позднее, с усовершенствованием методик удаления и пересадки ядер, удавалось выращивать взрослых лягушек из икринок, которым трансплантировали ядра из мышечных или кишечных клеток головастика. В наше время осуществлено клонирование сельскохозяйственных животных.

Главный резон этой технологии - сохранение и рациональное использование генотипов элитных, особо ценных и редких производителей. Для клонирования берут ядро какой-либо соматической клетки от животного требуемой породы и пересаживают его в яйцеклетку той же или другой особи. Полученную искусственную зиготу возвращают матери, которая и вынашивает потомство (рис. 6).

Схема клонирования овечки Долли

Так, для выращивания овечки Долли были взяты клетки молочной железы взрослой овцы. Клетки размножили в культуре и получили «посадочный» материал в виде генетически однородного клеточного клона. Каждая клетка содержала ядро, а в ядре диплоидный набор хромосом. Яйцеклетку достали из яйцевода другой овцы и удалили из нее гаплоидное ядро. Далее одно из выращенных диплоидных ядер молочной железы пересадили в безъядерную яйцеклетку и получили аналог зиготы, образуемой при обычном оплодотворении. Теперь искусственную зиготу перенесли в матку взрослой самки для эмбрионального развития. Успех подобных манипуляций пока далеко не стопроцентный. Чтобы получить овечку Долли, потребовалось более 400 попыток.

Проблема клонирования принципиально решена в биологическом плане. Однако в ней следует видеть два аспекта: клонирование клеток и клонирование организмов. Ранний зародыш удобно использовать как источник молодых стволовых клеток, способных к размножению и формированию различных тканей. Такие клетки можно выделить, размножить, т.е. клонировать, и консервировать на многие годы, а при необходимости использовать в медицинских целях - в травматической, ожоговой или иной заместительной тканевой терапии.

Работы по клонированию стволовых клеток сегодня выдвинуты в разряд приоритетных направлений биотехнологии. Однако клонирование клеток из эмбриона считается аморальным (фактически это убийство) и, как правило, запрещается. Поэтому наряду с эмбриональными стволовыми клетками широко используют гемопоэтические (кроветворные) стволовые клетки красного костного мозга, пуповинной крови или аналогичные клетки других тканей. Хотя клетки из этих источников способны давать не все типы тканевой специализации.

Сложнее обстоит дело с клонированием целых животных организмов. Помимо того, что эта технология пока далека от совершенства (велик риск получения уродливых организмов), встают чисто гуманитарные вопросы о допустимости клонирования человека. Шотландский ученый Ян Вильмут, который со своими сотрудниками и проделал опыты по выращиванию Долли, высказался против клонирования людей. В ряде стран, в том числе в России, такие эксперименты запрещены законодательно. Но история науки и техники знает, как трудно удержать в стенах лаборатории выдающиеся открытия. Так было с расщеплением радиоактивных материалов, которое не только породило атомную энергетику, но и вылилось в производство ядерных вооружений. Так же, вероятно, будет и с клонированием человека. Последствия пока трудно предвидеть, но это вопрос не биологический. Это поле деятельности политиков, юристов, правозащитников, церкви - всей мировой общественности.