Концепции современного естествознания

Из рассмотрения механизмов биологической сигнализации видно, что в их основе лежат элементарные физико-химические процессы. Белково-углеводные рецепторы клеточных мембран стереохимически распознают различные сигнальные молекулы - аттрактанты и репелленты, гормоны и медиаторы. Восприятие света, а значит и зрительных образов, основано на электромагнитном возбуждении белковых рецепторов в мембранах светочувствительных клеток - колбочек и палочек - в сетчатке глаза. Во всех случаях реагирующие молекулы претерпевают обратимую конформационную денатурацию. В передачу сигналов часто вовлекаются ферментативные реакции, где рабочим моментом также является конформационная перестройка. Практически все сигнальные и регуляторные процессы происходят с затратой энергии. Солнечная энергия в клетках растений генерирует синтез глюкозы, окисление глюкозы у животных дает энергию для синтеза молекул АТФ. Из макроэргических связей АТФ энергия переходит в работу - превращается в другие химические связи, в электрическую, световую, механическую энергию и рассеивается в космос в виде остаточного тепла. Как и другие виды жизнедеятельности, сигнализация, гормональная и нервная деятельность представляют варианты существования и преобразования материи - вещества и поля.

Жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. Материя, в том числе живая - это объективная реальность, она существует вне сознания, вне духа, независимо от какой-либо «жизненной силы». Материя первична, тогда как сознание вторично, производно от материи, то есть представляет свойство живой материи, одну из форм ее движения. Движение -всеобщее свойство материи. Это даже больше, чем свойство - это ее способ существования. В этом смысле невозможно разделить саму живую материю и ее функциональные проявления, в том числе невозможно разделить живой мозг и его продукт - сознание. Жизнь - это особенная форма движения особенно сложно устроенной материи, качественно (эмерджентно) отличная от форм движения неорганической материи. Это новое качество - жизнь - порождается как сумма свойств составляющих элементов. Количество переходит в качество, целое оказывается больше суммы его частей. Аналогично - формы организации и движения социальных систем отличны от форм организации и движения отдельных живых индивидуумов. Современная биология имеет достаточно фактических оснований для материалистического объяснения сущности жизни.

ТЕМА 3. КОНЦЕПЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЖИЗНИ

ОНТОГЕНЕЗ

Сегмент 20. Самовоспроизведение - важнейшее свойство жизни. Общая схема онтогенеза.

Сегмент 21. Преформизм и эпигенез в истории эмбриологии.

Сегмент 22. Генотип и фенотип организма. Центральная догма молекулярной биологии.

Сегмент 23. Репликация ДНК и размножение клеток.

Сегмент 24. Формы размножения организмов. Клонирование.

Сегмент 25. Развитие организма.

Заключение по теме 3.

3.1 Самовоспроизведение - важнейшее свойство жизни. Общая схема онтогенеза

Из материала предыдущей темы следует, что основные проявления жизни -обмен веществ и энергии, движение, биокатализ, иммунитет, сигнализация -обеспечиваются разнообразными белками. Каждый вид белка имеет строго определенную первичную структуру - набор и последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Первичная структура предопределяет вторичную и третичную структуры, а третичная структура принципиально важна для функционирования молекулы - от нее зависит стереохимическое узнавание других молекул, дозированные конформационные перестройки, проведение ионов, выстраивание скелетных нитей и т. п.

Однако зададимся вопросом: как долго может работать белковая молекула? Характеризуя биокатализ, мы отмечали, что белки-ферменты в реакциях субстратов сами не разрушаются, они лишь многократно и обратимо денатурируют (см. сегмент 17, рис. 8). Значит ли это, что ферменты работают бесконечно долго и не претерпевают никаких нарушений структуры? Будем исходить из того, что белок - обычное материальное тело, испытывающее регулярные колебательные нагрузки (вспомните образ сжимающейся и разжимающейся стальной пружины). По всем законам сопротивления материалов даже в покоящихся телах, а тем более при регулярной, да еще пульсирующей нагрузке, в них возникают механические напряжения, которые рано или поздно приводят к искажениям структуры - разрывам или смещениям химических связей, нарушениям кристаллической решетки и т. п. Следует вывод: белки со временем теряют нативную (природную, естественную) структуру, они стареют, становятся непригодными к выполнению своих функций. Вместе с белками стареют, изнашиваются клетки, ткани, 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.

В долгоживущих клетках (нервных, мышечных) происходит постоянный синтез новых белков, идущих на замену изношенным и разрушенным. 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 клеток. Так, клетки крови обновляются за несколько недель, кожный эпителий - за неделю, кишечный эпителий - за 2 суток. Но и эти процессы не обеспечивают бессмертия организму. В нейронах накапливаются продукты распада и они погибают, репродуктивный потенциал соматических клеток истощается, наступает старение и смерть организма. Гибель организмов происходит также при их взаимодействии с внешней средой - одним просто не хватает пищи, другие становятся жертвами

хищников, третьи погибают от природных катаклизмов (пожары, наводнения, холод и т. п.). Нужен радикальный механизм защиты жизни, ее дублирования, самовоспроизведения. Для этих целей существуют особые, максимально защищенные от повреждений клетки, которые вовремя «покидают» организм и дают начало новому поколению. Это половые клетки - предшественники бесконечной череды актов размножения организмов. Мужская и женская половые клетки - сперматозоид и яйцеклетка - сливаясь, образуют одноклеточную зиготу, которая в эмбриональном периоде многократно делится и превращается в зародыш, а далее в постэмбриональном развитии формируется полноценный организм. Организмы производят новые половые клетки, оставляют потомство и умирают (рис. 12). Весь цикл индивидуального развития организма от образования зиготы до его смерти называется онтогенезом. Рис. 12

Важно то обстоятельство, что как отдельные клетки, так и целые организмы воспроизводят в поколениях прежний план организации и «образ жизни». Долгоживущие нервные клетки восстанавливают одни и те же органоиды, эритроциты во всех поколениях остаются эритроцитами, лейкоциты - лейкоцитами, а дети в целом похожи на родителей. В чем причина этого сходства? Где и в каком виде содержится и как реализуется информация о строении и свойствах организма? Успехи современной генетики, цитологии, эмбриологии дают на эти вопросы достаточно ясные ответы. Для контроля развития используется два источника информации: внутренний -генетический и внешний - эпигенетический. Однако прежде, чем углубиться в эти понятия, посмотрим на проблему исторически и увидим, что путь к пониманию «золотой середины» лежал, как это обычно бывает, через непримиримый антагонизм альтернативных суждений.

3.2 Преформизм и эпигенез в истории эмбриологии

В истории человечества существует давний интерес к природе размножения и развития. Эмбриология - наука о зародышевом развитии - одна из древнейших научных дисциплин. От античных времен ведут начало две противоположные точки зрения на причины и движущие силы индивидуального развития организмов - преформизм и эпигенез.

Сторонники преформизма (от латинского praeformo - заранее образую, предобразую) исходили из того, что все формы, структуры и свойства будущего

организма заложены в нем еще до рождения, даже в половых клетках. 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, выдающийся врачеватель Древней Греции, основоположник медицины Гиппократ (IV в. до н. э.) обращал внимание на то, что цыпленок содержится в яйце в готовом виде со всеми необходимыми членами тела; в ходе его насиживания курицей происходит только рост, увеличение размеров уже предсуществующей формы (отсюда и «пре-формизм»). Наблюдения Гиппократа относятся к периоду зарождения эмбриологии, это ранний преформизм - как одно из ранних проявлений механицизма в биологии (см. сегмент 11).

Расцвет преформизма приходится на XVII-XVIII в.в., когда эта точка зрения и оформляется в теорию преформации. Излюбленными аргументами преформистов, кроме цыпленка в яйце, становятся личинка бабочки - куколка, которая содержит все части взрослого организма, многоклеточная шаровидная водоросль вольвокс с вложенными один в другой шарами 2-й и 3-й генерации (это вариант бесполого, или вегетативного, размножения - вроде внутреннего почкования). Уже известен в общих чертах онтогенетический цикл. Благодаря созданию микроскопа (Роберт Гук, 1665 г.) стали известны соматические и половые клетки. Когда стало ясно, что новый организм происходит от слияния яйца и сперматозоида, мнения преформистов о первоисточнике развития резко разделились. Большинство считало, что организм заложен в яйце (оно гораздо крупнее и содержит питательные вещества), тогда как сперматозоид лишь активирует яйцо к развитию. Сторонников этой теории называли овистами (от латинского ovum - яйцо). Другие - их называли анималькулистами (от латинского animalculum зверек, что означало сперматозоид, то есть микроскопический зверек) -видели предсуществующую форму организма именно в сперматозоиде, даже рисовали его в виде скрюченного человечка с хвостом. Яйцо по мнению анималькулистов является лишь питательной средой для развития сперматозоида, подобно тому, как плодородная почва служит кормилицей для прорастающего семени.

Как уже отмечено, преформизм можно отнести к разряду механистических представлений в биологии. По философской сути он является примитивным материализмом, поскольку возникновение нового организма объяснялось существованием вполне реальных, материальных, хоть и микроскопических, зачатков. Однако в своей крайней форме и в завершенном логическом построении преформизм приходил к догме о заложенных в организме зачатках зародышей всех будущих поколений («вложение зародышей») и, таким образом, смыкался с идеей изначального сотворения живых существ богом, то есть становился «аргументом» в пользу креационизма (от латинского creatio - создание, сотворение).

В противоположность преформизму сторонники эпигенеза (от греческих epi -над, сверх, после и genesis - происхождение, возникновение) представляли зародышевое развитие как процесс, осуществляемый путем последовательных новообразований структур из недифференцированной массы оплодотворенного яйца. Принципиально важным было решение вопроса о движущих силах развития. Эпигенетики невольно приходили к признанию неких внешних 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. сегмент 11 о витализме). В XVIII веке член Петербургской Академии наук К.Ф.Вольф провел детальное изучение развития яйца курицы и показал, что появление зачатков органов идет постепенно, на месте неоформленной массы желтка. Развитием, по мнению Вольфа, управляет «существенная (эссенциальная) сила» - по сути та же энтелехия.

Таким образом, эпигенез в законченном виде 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 в самой основе своих воззрений были правы. Если от преформизма взять наличие уже в половых клетках некоторого материального образа или программы строения будущего организма, а от эпигенеза поэтапность развития и необходимость его внешнего контроля (хотя бы со стороны материнского организма), то в итоге мы получим современную трактовку биологии индивидуального развития, которая признает наличие как генетических, так и эпигенетических начал развития. Суть этих начал мы и рассмотрим в следующих сегментах.

3.3 Генотип и фенотип организма. Центральная догма молекулярной биологии

Сегодня каждый школьник знает, что организм имеет наследственную (генетическую) информацию о своих внешних признаках (строении, свойствах, поведении), которая передается от родителей к детям. Большинство сумеет объяснить, что эта информация в виде генов хранится и передается в хромосомах. Многие скажут, что ген - это участок молекулы ДНК, отвечающий за отдельный признак. Кое-кто вспомнит, что ДНК обеспечивает синтез белков, которые, в основном, и формируют внешние признаки. К этому следует добавить, что совокупность генов данного организма, то есть его генетических задатков, обозначается понятием генотип (от греческого genos - род, происхождение), а то, что получается в итоге - совокупность внешних признаков организма - называется фенотипом (от греческого phaino - являю, обнаруживаю). Наиболее думающие заметят, что под «внешними признаками» подразумеваются не только структурные свойства организма - форма частей тела, окраска и т. п., но также и функциональные характеристики - скорость роста, мышечная сила, характер питания, устойчивость к болезням и многое другое, что определяется функциями белков. Наконец, самые памятливые должны подсказать нам, 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 и вся квинтэссенция молекулярной биологии развития. Но почему белкам нужна внешняя информация? Почему информация хранится в ДНК? Как реализуется и чем контролируется эта информация?

В сегменте 20 мы выяснили, что белки, как и целые клетки, организмы, стареют и разрушаются, поэтому их надо создавать заново. Синтез новых белков необходим в каждом новом поколении клеток и организмов, а в долгоживущих клетках он происходит ежедневно и ежечасно. Но каждый тип белка имеет уникальную, строго обязательную последовательность из аминокислот 20 разновидностей (первичная структура), которая должна быть воспроизведена в точности. В противном случае это будет искаженный белок или бессмысленный, не функциональный полипептид. Вот почему в каждой клетке должна быть информация о первичной структуре белков, причем эта информация должна копироваться и наследоваться, чтобы воспроизводить те же белки в поколениях. Проблемами наследования биологической информации занимается наука генетика, а также возникшая на стыке химии, биологии и генетики молекулярная биология. В понимание теоретических основ биологической информации внесла свой вклад и кибернетика.

Заметим, что представление о генах как носителях наследственных признаков и сама наука генетика возникли еще в конце XIX века. В 1865 г. чешский монах Грегор Мендель 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. Представления о том, что такое гены, Мендель не имел и не мог иметь, так как ни ДНК, ни хромосомы тогда не были известны. Поскольку результаты наблюдений Менделя были опубликованы в мало доступном издании, о них узнали уже задним числом, когда в 1900 г. те же законы были переоткрыты другими учеными. К этому же времени стало ясно, что носителем генов являются микроскопические тельца - хромосомы, содержащиеся в клеточных ядрах, хорошо окрашиваемые (отсюда и название: от греческих chroma - окраска, цвет и soma - тело) и видимые во время деления клетки. Гораздо позднее - в 40-е годы XX века состоялось открытие ДНК и ее связи с хромосомами, а в 50-60-е годы установлена структура ДНК, выяснены причинные связи ДНК и белков, то есть генотипа и фенотипа.

Итак, в середине XX века состоялись великие научные открытия, обозначившие начало молекулярно-биологической революции в естествознании. Молодые исследователи Джеймс Уотсон из США и Френсис Крик из Великобритании в 1953 году расшифровали строение молекулы ДНК - материального носителя генетической информации (см. сегмент 7 и рис. 2). Следом был раскрыт и механизм передачи информации с ДНК на синтезируемый белок. Абстрактное до сих пор понятие гена приобрело материальный смысл и получило функциональное объяснение. Принцип 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 (например, какого-либо фермента) заключена в молекуле ДНК, то есть в молекулярной структуре гена. Процесс передачи информации однонаправленный: по ДНК можно построить белок, но обратный процесс - синтез ДНК по белку - не возможен. Вспомним, что белок и ДНК являются полимерами, но у них разные мономеры: аминокислоты в белке и нуклеотиды в ДНК (см. сегмент 7 и рис. 2). Таким образом, принцип кодирования белка с помощью ДНК состоит в том, что последовательность (порядок чередования) мономеров-аминокислот в белке зависит от последовательности мономеров-нуклеотидов в молекуле ДНК. Важно понимать, что процесс «передачи информации» от ДНК на белок означает реакцию синтеза белка, то есть процесс сборки новой полимерной белковой цепи из отдельных аминокислот, которые поступают в клетку в качестве пищи.

Как видно из формулы центральной догмы, передача информации, то есть синтез белка, осуществляется с помощью особого посредника - молекулы информационной РНК (рибонуклеиновая кислота). РНК, как и ДНК, состоит из 4 типов нуклеотидов (только тимин - Т заменен на близкий ему урацил - У), но в отличие от ДНК представляет одноцепочечный полимер (см. сегмент 7 и рис. 2). РНК синтезируется из свободных нуклеотидов на одной из цепей молекулы ДНК по принципу комплементарности (дополнительности) и фактически является рабочей копией гена, так как ее нуклеотиды повторяют нуклеотидный набор одной из цепей ДНК (рис. 13). Этот этап называется транскрипцией (от латинского transcriptio -переписывание) и осуществляется в ядре клетки, где хранится ДНК. Теперь РНК переходит в цитоплазму, и по ней идет синтез белка с помощью так называемых транспортных РНК и специальных органоидов рибосом. Транспортные РНК выступают в роли «переводчика» с 4-буквенного языка нуклеотидов на 20-буквенный язык аминокислот, что следует из их структуры. Один конец тРНК имеет вывернутый наружу триплет (тройку) нуклеотидов - антикодон, который присоединяется к комплементарному триплету иРНК - кодону, а другой конец держит аминокислоту, строго соответствующую данному антикодону. Когда две молекулы тРНК, нагруженные аминокислотами, сойдутся на соседних кодонах иРНК, рибосома обеспечивает соединение висящих аминокислот (см. рис. 13). Так, шаг за шагом осуществляется синтез полимерной цепи белка. Этот второй этап передачи информации от РНК к белку называется трансляцией (от латинского translatio -передача). Как видно, генетический код является триплетным - он устроен так, что трем нуклеотидам цепи ДНК (РНК) соответствует одна аминокислота белковой цепи.

Рис. 13 Схема биосинтеза белка. Транскрипция и трансляция.

БЕЛОК

Таким образом ДНК (ген) выполняет роль матрицы (шаблона, образца) для синтеза белка. Информационная РНК служит промежуточной матрицей, то есть рабочей копией гена. В целом в молекулярной биологии выполняется принцип: один ген - один белок.

Почему именно ДНК выбрана Природой для кодирования структуры белков, не известно. В 20-х годах Российский биолог Н.Кольцов высказал идею о самовоспроизведении белков 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 простого белка. Кристаллы апатита изначально имели многочисленные искажения кристаллической решетки («мутации»), что и послужило первичным источником разнообразия генов и, соответственно, белков. В последствии искажения нарастали, возрастало разнообразие структур и функциональных свойств белков. Таким образом, ДНК-белковое соответствие является изначальным свойством жизни.

3.4 Репликация ДНК и размножение клеток

Процесс биосинтеза белка - транскрипция и трансляция - это по сути реализация имеющейся в клетках генетической информации, направленная на рост клеток и межклеточных структур, в итоге - на построение тела организма. Но, кроме синтеза белков, индивидуальное развитие включает размножение клеток, а через половые клетки - и размножение самих организмов. Для этого необходим механизм воспроизведения генетической информации. Копирование генетической программы осуществляется посредством репликации ДНК в цикле деления клетки (рис. 14).

В интерфазе митотического цикла происходит репликация (удвоение) молекул ДНК, входящих в хромосомы. Во время митоза хромосомы спирализуются и делятся по дочерним клеткам. Через несколько циклов деления клетки приступают к дифференцировке.

Репликация (от латинского replicatio - повторение) означает процесс матричного синтеза молекулы ДНК, ведущий к ее самовоспроизведению (удвоению). Материнская молекула ДНК раскручивается и с помощью фермента ДНК-полимеразы достраивается по обнаженным цепям свободными нуклеотидами. Как и при синтезе РНК, подбор парных нуклеотидов идет по принципу комплементарности: аденин -тимин, гуанин - цитозин. В результате происходит образование двух молекул ДНК, которые идентичны друг другу и, в то же время, повторяют материнскую молекулу. При этом каждая вновь образованная молекула содержит одну старую и одну новую цепочки нуклеотидов (полуконсервативный механизм).

Рис. 14 Цикл деления и дифференцировка клеток

Когда в 1953 г. Уотсон и Крик показали возможность копирования ДНК по принципу комплементарности, научная общественность была в шоке - настолько неожиданно прост и надежен оказался механизм наследственности! Не столько сама структура ДНК, сколько вытекающий из нее механизм самокопирования представлял наибольший интерес в их открытии. В 1962 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик вместе с Морисом Уилкинсом (именно его рентгенограммы ДНК использовались для обоснования биспиральной модели) были удостоены Нобелевской премии.

Ядерная ДНК находится в составе хромосом (от греческих chroma - цвет, окраска и soma - тельце). Эти структуры хорошо окрашиваются специальными красителями и отчетливо видны во время деления клетки.

Каждая хромосома представляет одну гигантскую (до нескольких сантиметров длиной!), плотно свернутую молекулу ДНК, подразделенную на информационные участки - гены. Обычно полный комплект генов распределен в несколько хромосом разной величины, число которых строго специфично для каждого вида животных или растений (хромосомный набор, или кариотип вида). У человека в разных хромосомах содержится от сотен до нескольких тысяч генов, а всего в хромосомном наборе человека имеется порядка 60 тысяч разных генов (соответственно, столько же видов белков функционируют в нашем организме).

Начиная от зиготы, во всех поколениях клеток имеется один и тот же набор хромосом, причем этот набор двойной, или диплоидный. Диплоидность возникает в момент оплодотворения - один хромосомный набор дает яйцеклетка, а второй -сперматозоид. Так, у человека в каждой соматической клетке содержится 23 хромосомы от матери и 23 такие же (за исключением одной - половой хромосомы) от отца; всего диплоидный набор человека составляет 46 хромосом, или 23 пары хромосом. Таким образом, каждый признак, то есть каждый белок, закодирован в клетке не одним, а двумя генами, от двух гомологичных (одноименных) хромосом. О преимуществах такого дублирования генов мы еще поговорим при рассмотрении полового размножения.

В цикле деления клетки в результате репликации ДНК в каждой хромосоме становится по 2 молекулы ДНК, а сами хромосомы приобретают вид Х-образных телец, так как состоят из 2 равных половинок - хроматид. Таким образом, число одинаковых генов в клетке временно становится равным четырем. Далее проходит митоз - так называется процесс разделение хромосом на отдельные хроматиды (теперь они становятся самостоятельными хромосомами) и, далее, деление самой клетки надвое (см. рис. 14). В результате митоза в дочерних клетках воспроизводится исходный диплоидный набор хромосом, поэтому каждая дочерняя клетка обладает той же информацией о белках, что и материнская клетка.

Деление клеток приводит к увеличению их числа. В крупных организмах насчитываются миллионы, миллиарды и триллионы клеток. На этой основе возможна дифференциация клеток - появление структурно-функциональных различий между ними. В дифференцированных клетках синтезируются разные РНК и белки, строятся разные рабочие структуры, в итоге клетки имеют разный вид и выполняют разные функции. У человека в различных органах и тканях насчитывают более 200 типов клеток: разнообразные нервные, мышечные, эпителиальные, кровяные, опорные и другие клетки.

Таким образом, индивидуальное развитие отдельной клетки или целого организма слагается из 2 процессов: размножения и роста. Соответственно этому на молекулярном уровне процесс развитие включает 2 операции:

репликация ДНК - копирование генотипа;

синтез белков тела клетки или организма - построение фенотипа.

Так что все живые организмы представляют неразрывное единство фенотипа и генотипа, то есть сомы (тела) и программы ее развития (ДНК), передающейся по наследству (соматическая и наследственная плазма Вейсмана).

Теперь схему центральной догмы молекулярной биологии можно дополнить механизмом репликации ДНК, после чего она будет иллюстрировать всю молекулярно-биологическую сущность индивидуального развития (рис. 15). Рис. 15

Центральная догма молекулярной биологии (молекулярно-биологическая сущность развития).

ГЕНОТИП ФЕНОТИП

п .„транскрипция трансляция

ДНК > РНК > БЕЛОК

репликация

ДНК ДНК

-> РНК

¦* БЕЛОК

/\ /\

ДНК ДНК ДНК ДНК > РНК

А А

¦* БЕЛОК

Развитие складывается из двух процессов:

Размножение - копирование генотипа путем репликации ДНК и деления клеток;

Рост - построение фенотипа в результате синтеза белков.

ДНК кодирует первичную структуру (набор аминокислот) белков. Реализация этой генетической программы идет в две стадии: транскрипция - синтез информационной РНК ("переписывание" информации); трансляция - синтез самого белка ("передача" информации). Все процессы: репликация, транскрипция и трансляция -являются матричными синтезами.

Внимательный читатель заметит, что рассмотренная схема индивидуального развития отражает только его генетическую (внутреннюю) сущность. Но еще в начале мы сказали (устами самого памятливого школьника), что внешний облик организма - его фенотип - зависит не только от генотипа, но и от условий среды. При этом «условия среды» понимаются в широком смысле: это все, что так или иначе влияет на работу генов. Запомним это важное положение и вернемся к нему при рассмотрении механизмов эмбрионального развития, а пока продолжим разговор о размножении, но от клеток перейдем к целым организмам.

3.5 Формы размножения организмов. Клонирование

Размножение организмов является их важнейшим свойством и служит безграничному продолжению жизни в новых поколениях, при том, что отдельные особи смертны. Существует два способа размножения организмов - бесполое и половое.

Бесполое размножение наиболее распространено у растений. Это известно любому дачнику. В практике широко используется размножение черенками (смородина), усами (земляника), клубнями (картофель) и другими частями тела. Поскольку новые растения вырастают из вегетативных (не половых) органов, этот механизм называют также вегетативным размножением. Реже встречается бесполое размножение у животных, причем с повышением уровня организации эта способность снижается, а у высших животных и человека она совсем утрачивается. Легко почкуются гидры и медузы. Плоские черви планарии восстанавливаются из оторванных частей тела. Морские звезды вырастают со всеми органами из отдельных оторванных лучей. Но если разрезать пополам насекомое, например, жука или муху, или позвоночное животное - рыбу, лягушку, не говоря уже о птицах и млекопитающих, то из этого ничего хорошего не выйдет.

Общим принципом бесполого размножения является участие одного «родителя». Важно и то, что дочерние особи образуются из обычных соматических (не половых) клеток, которые делятся митозом, как это описано выше. Это означает, что все поколения имеют в клетках один и тот же набор хромосом, один и тот же генотип - от одного родителя. 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 вирусами, приобретают случайные нежелательные мутации и стареют, как стареет отдельный организм. Время от времени посадочный материал приходится менять на молодой, полученный при половом размножении. Но об этом чуть позже.

Одной из форм бесполого размножения является клонирование растений и животных. Теория и практика клонирования уже давно не новые, хотя заговорили об этом в последние годы, когда в 1997 году в Шотландии удалось вывести знаменитую овечку Долли. Но практичные японцы без шума в прессе выращивают клонированных коров уже с начала 90-х годов. Что же такое клонирование?

Клон - это совокупность генетически однородных особей, полученных путем простого митотического размножения клеток без полового процесса, без хромосомного комбинирования. Клонированные организмы генетически идентичны, как однояйцовые братья или сестры. Этим клон отличается от потомков, полученных половым путем, у которых имеются хромосомы двух родителей. По сути потомство одного растения или животного, полученное обычным черенкованием или почкованием, это тоже клон. Но в последнее время клонирование особей ведут из отдельных клеток. Это повышает генетическую чистоту клона и имеет ряд других преимуществ. Схемы клонирования растений и животных приведены на рис. 16а и 16б

Рис. 16а Схема клонирования растений.

На стерильной питательной среде целое растение вырастает из группы или даже из одной соматической (не половой) клетки, взятой из какого-нибудь вегетативного органа материнского растения.

У растения берут какую-нибудь ткань, например, кусочек корнеплода моркови, помещают в колбу или пробирку с плотной питательной средой, добавляют гормоны роста. Через некоторое время клетки теряют признаки прежней дифференцировки и приступают к размножению. В это время клетки можно рассадить по одной штуке в множество колб или пробирок, и процесс пойдет с прежним темпом в каждой из них. Образуется клеточная масса (каллус), в которой далее идет дифференциация по разным тканям, формируются органы: корень, стебель, листья и в конце концов цветки.

Растение в пробирке готово. 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 особых и дорогих сред и стимуляторов роста, поэтому широкого применения в практике клонирование растений пока не получило.

Рис. 16б Схема клонирования животных.

Овечка Долли была получена из яйцеклетки, в которую имплантировали ядро соматической клетки (из молочной железы). Ядро и яйцеклетка были взяты от разных овец, а для вынашивания детеныша взяли третью овцу. Но возможен и вариант с одной матерью, когда одна и та же овца дает соматическую клетку, яйцеклетку и сама же вынашивает детеныша.

Клонирование животных в хозяйственных масштабах также делает первые шаги. Главный резон этой технологии - рациональное использование генотипов элитных, особо ценных и редких производителей. Для клонирования берут соматические клетки эмбриона или даже взрослого животного. Так для выращивания овечки Долли взяли клетки молочной железы взрослой овцы. Клетки размножают в культуре, получается «посадочный» материал из генетически однородных клеток, которые представляют клеточный клон. Каждая клетка содержит ядро, а в ядре диплоидный (элитный!) набор хромосом. Теперь выращенные элитные ядра можно пересаживать в яйцеклетки других особей того же вида, предварительно удалив из них собственные ядра. Яйцеклетка с встроенным полноценным (то есть диплоидным) ядром представляет аналог зиготы, образуемой при обычном оплодотворении. Далее такую комбинированную зиготу имплантируют(пересаживают, вживляют) в матку взрослой самки для эмбрионального развития. Это может быть та же особь, от которой брали соматические клетки с ядрами, или особь, давшая яйцеклетку, или вообще другая самка. Так, злополучная Долли, зачатая без участия отца, имеет трех матерей, поскольку ядро и яйцеклетка были получены от двух разных овец-доноров, а реципиентом, принявшим зиготу для дальнейшего развития, была третья овца. В 1999 году было сообщено о клонировании обезьяны от разделенного на отдельные клетки 4-клеточного зародыша (после того, как зигота проделала два цикла деления). Эта методика значительно проще и дешевле, чем клонирование от более поздних стадий развития (как было в случае с Долли), и она по сути воспроизводит лишь то, что иногда происходит в природе. Именно так, но без участия экспериментатора, получаются обычные однояйцовые близнецы: начавшая делиться зигота по разным причинам не удерживает дочерние клетки, они расходятся и развиваются далее самостоятельно. Получаются абсолютно идентичные дети.

Проблема клонирования решена в биологическом плане, но встали чисто гуманитарные вопросы о допустимости клонирования человека. Шотландский ученый Ян Вильмут, который со своими сотрудниками и проделал опыты по выращиванию Долли (и наверное может считаться ее «крестным отцом»), высказался против клонирования людей. В ряде стран 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 вылилось в гонку 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.

Половое размножение принципиально отличается от бесполого и различных форм клонирования тем, что в образовании нового организма участвуют два родителя разного пола. Как уже показано в сегменте 20 и на рис. 12, первая клетка нового организма - зигота - образуется от слияния яйцеклетки и сперматозоида. Их ядра несут по гаплоидному (одинарному) набору хромосом, так что ядро зиготы получает после слияния нормальный диплоидный набор. Но если при бесполом размножении во всех поколениях копируется одна и та же комбинация парных (аллельных) генов, то в зиготе всякий раз образуются новые комбинации из отцовских и материнских генов.

Надо понимать важную тонкость природы генов. Как мы уже знаем, ген - это участок молекулы ДНК, отвечающий за синтез одного вида белка. Но дело в том, что под действием различных факторов среды гены постоянно изменяются, то есть мутируют, и, если эти мутации не приводят к полной потере структуры и функции кодируемого белка, такие организмы выживают, и мутация закрепляется в потомках. Если родители не являются близкими родственниками, то как правило, у них один и тот же ген чем-нибудь да различается, а если у них появляются дети, то эти различия комбинируются. Так, если одна половая клетка несет полноценный ген (исходный, или дикий, тип), а в другой этот же ген мутантный, то после слияния хромосом в зиготе полноценный ген доминирует над мутантным (доминантный и рецессивный гены, аллели), но если оба гена мутантные (рецессивные), причем каждый в своей степени, то в фенотипе проявится один из них. Это будет новый фенотипический признак, отсутствовавший у дикого предка. Кроме того, если углубиться в процесс формирования самих половых клеток, то можно увидеть, что в процессе мейоза (особое деление, которое и приводит от диплоидного набора хромосом к гаплоидному) идет так называемый кроссинговер - схождение и коньюгация одноименных (гомологичных) хромосом, разрезание нитей ДНК, их переворот крест-накрест и сшивка в новом сочетании генов. Так что даже у одного родителя в разных половых клетках (допустим - в двух сперматозоидах) комбинации разнокачественных генов получаются разные. Поэтому у одной родительской пары дети различаются по многим признакам (кроме уже упомянутых случаев однояйцовых близнецов). Кроме того, яйцеклетка имеет большой объем цитоплазмы с питательными веществами и некоторыми дополнительными цитоплазматическими генами (нехромосомная ДНК ряда органоидов), которые тоже вносят свой вклад в генетическое разнообразие потомков.

Таким образом, в результате случайного сочетания отцовских и материнских хромосомных наборов, в которых одноименные гены могут заметно различаться, потомство получает самые разнообразные комбинации признаков родителей, так что у детей общий баланс генов - генотип - будет отличаться и от отцовского, и от материнского. Поэтому у людей разный цвет кожи и глаз, разная форма носа, разные группы крови, разные предпочтения в пище (разные ферменты и рецепторы), разные интеллектуальные способности и т. д. и т. п. На Земле нет двух одинаковых людей, если они не однояйцовые близнецы.

Заметим, что половое размножение свойственно всем эукариотным организмам, начиная от одноклеточных водорослей и простейших и кончая человеком. (Даже у прокариот, у бактерий, где нет настоящей диплоидности и полового размножения, внехромосомные гены - плазмиды - могут мигрировать от одной клетки-особи к другой, внося генетическое разнообразие в популяцию). Те виды, которые хорошо размножаются бесполым путем (растения, низшие беспозвоночные - см. выше), через несколько вегетативных поколений обязательно вступают в половой процесс. Комбинативная изменчивость особей одного вида, возникающая только при половом размножении, - очень важный фактор генетического разнообразия, которое служит материалом для отбора на лучшие комбинации признаков. В этом - движущий фактор эволюции. Исключение полового размножения, переход на варианты клонирования обедняет генетическое разнообразие и становится тормозом эволюции. С другой стороны, бесполое размножение и клонирование позволяют тиражировать однажды полученную генетическую комбинацию во многих поколениях, что и используется в сельскохозяйственной практике.

3.6 Развитие организма

Развитие нового организма, полученного половым путем, начинается от оплодотворенной яйцеклетки - зиготы и заканчивается смертью. В сегменте 20 мы уже рассмотрели общую схему онтогенеза, идущего от слияния половых клеток (см. рис. 12). Важно помнить, что в ядре зиготы содержатся два набора хромосом от двух родителей (гибридный генотип). При клонировании в целом выдерживается та же схема онтогенеза, с той лишь разницей, что зигота имеет подсаженное диплоидное ядро от одного родителя.

Биологическое развитие происходит по общим диалектическим принципам развития, которое можно наблюдать в неживой природе или в обществе. Чтобы убедиться в этом, сопоставим стадии «развития вообще», заимствованные нами из философского словаря, и стадии нормального онтогенеза многоклеточного организма,

Индивидуальное развитие системы, в том числе организма, происходит циклично, так что восходящее развитие всякий раз сменяется нисходящим. Восходящее развитие идет от простого, низшего (предзиготическая стадия) к сложному, высшему (многоклеточный организм). Нисходящее - от сложного, высшего (многоклеточный организм) к простому, низшему (бесклеточная мертвая материя). Законы диалектики утверждают, что развитие как конечный процесс с самого начала в скрытом виде содержит тенденции, ведущие от низшего к высшему и обратно. То есть развитие имеет векторный, направленный характер.

Чем же задается этот вектор? Чем детерминировано (предопределено) индивидуальное развитие? Где программа развития и как она реализуется? Как из оплодотворенного яйца - из одной клетки - получается сложный многоклеточный организм, в котором тканевые клетки с одинаковым набором генов (одним генотипом) имеют разную структуру и функции (разный фенотип)? Поставленные вопросы составляют основной научный смысл науки эмбриологии или, говоря шире, биологии индивидуального развития. Они имеют и практическое медико-биологическое значение, так как нарушение процессов развития приводит к болезни и сокращает сроки полноценной жизни человека.

Чтобы сократить путь к пониманию программы развития, вспомним главную идею о том, что развитие находится под контролем двух начал - генетического (внутреннего) и эпигенетического (внешнего). Найдем эти начала в развивающемся организме.

Внутренняя, генетическая программа развития заложена в ДНК зиготы. Это генотип организма. Помним, что при размножении клеток - от зиготы до самой последней клетки тела - ДНК каждый раз удваивается и делится поровну, так что все клетки получают полный набор генов. В ДНК записана информация о всех белках организма.

При этом надо иметь в виду, что существуют гены и белки двух классов: структурные и регуляторные. Первые обеспечивают построение рабочих структур клеток и межклеточного вещества, ферментативный катализ, транспорт и прочие жизненно важны функции. Вторые регулируют активность первых, то есть гены-регуляторы производят соответствующие регуляторные белки, которые управляют активностью структурных генов. Сейчас установлено, что и среди регуляторных генов есть взаимозависимость - одни гены активируются другими. Таким образом, гены образуют функциональные цепи с заранее предопределенной последовательностью включения. Работает принцип домино: продукт первого гена активирует второй ген, продукт второго - третий и т. д. Благодаря слаженной работе таких конвейеров контролируются тесно увязанные шаги морфогенеза, развитие приобретает динамичный и направленный (векторный) характер.

Однако организм - очень сложная система, чтобы ее развитие было выстроено по простому алгоритму домино. Отдельные морфогенетические процессы часто идут независимо и параллельно. В разных зачатках эмбриона, а потом в клетках разных тканей эти процессы расходятся, идет дифференциация клеток по функциям. Но при этом все клетки имеют один и тот же набор генов (!). Возникает ключевой вопрос проблемы клеточной дифференциации - почему при одинаковом наборе генов синтезируются разные белки и получаются разные клетки? Современная биология развития дает ответ и на этот сложный вопрос.

Внешняя, эпигенетическая программа развития контролирует и направляет реализацию генетической программы. Под действием внешних сигналов, биологически активных веществ, через посредство клеточных рецепторов и внутриклеточных мессенджеров (молекул-посланников) происходит избирательная активация одних генов и подавление других. В итоге в дифференцированных клетках разных органов и тканей работают не все гены, а только та их часть, которая ответственна за данную тканевую функцию. Генетики называют этот механизм дифференциальной экспрессией генов. Но встает новый вопрос: что является самой первой командой к дифференциации клеток? Ведь развитие начинается с одной клетки - зиготы.

Установлено, что в онтогенезе работают, сменяя друг друга, три системы регуляции.

1. Эмбриональная детерминация развития на основе позиционной информации, заложенной в яйце. В процессе роста и созревания яйцеклетки, когда она еще находится в материнском организме, в ее цитоплазме неравномерно откладываются различные РНК и белки-регуляторы, которые предопределяют будущий план раннего развития и ранней дифференциации клеток. Начало этой топологической неоднородности цитоплазмы яйца задает его полярное положение в яичнике: одним полюсом яйцо контактирует со стенкой (отсюда идет питание), другим обращено в просвет (здесь сосредотачиваются продукты сложных синтезов) (рис. 17а). Таким образом, еще до начала развития генетический материал (хромосомы в ядре) лежит в неоднородной, анизотропной среде, насыщенной биологически активными регуляторами. Уже в яйце мы имеем сочетание генетического (хромосомы) и эпигенетического (цитоплазма с регуляторами) факторов развития. После оплодотворения зигота многократно делится, и дочерние ядра попадают в различно детерминированные участки цитоплазмы, содержащие разные регуляторы (рис. 17б). Эти регуляторы и становятся первыми внутренними индукторами дифференцировки эмбриональных клеток.

Рис. 17а,б

Рис. 17в

2. Эмбриональная индукция - влияние одних зачатков на другие с помощью выделяемых клетками веществ-регуляторов. Этот механизм включается в ранних зародышах и представляет по сути эмбриональную гуморальную регуляцию; внешние регуляторы - индукторы выступают в роли первых гормонов. Так, например на стадии гаструлы (двухслойный зародыш) под действием выделений внутреннего слоя клеток впячиваются и дифференцируются клетки будущей нервной системы (рис. 17 в).

3. Нейрогормональная регуляция дефинитивного (окончательного) типа, осуществляемая сложной системой желез внутренней секреции и нервной системой (рис. 17 г). Заметим, что гормоны вырабатываются железами под контролем нервной деятельности, а нервная система в свою очередь находится под воздействием внешней среды.

Рис. 17г

Таким образом, окружающая среда генотипа сформированного организма, например, человека, включает цепь управляющих факторов: факторы собственно внешней среды (свет, тепло, другие природные явления, социальное окружение, трудовая деятельность, образование, воспитательные меры и т. п.), общий ритм и режим жизни, качество питания, активность нервной системы, гормональные регуляторы клеток, внутриклеточные мессенджеры и модуляторы активности генов. В этом же ряду стоят все окружающие нас живые организмы, в том числе паразиты, микробы, вирусы. В результате клетки и сами организмы могут иметь разную скорость размножения и роста, разную продолжительность жизни, разную интенсивность синтеза белков и, следовательно, разное проявление всех жизненных функций. Например, даже у однояйцовых близнецов, с абсолютно одинаковым генотипом, со временем выявляются фенотипические различия (рост, мышечная сила, структура кожи, трудовые навыки и др.), если они выросли в разных условиях, допустим - в городе и деревне. Вся совокупность внешних относительно генотипа условий и регуляторов - от природно-климатических до нейрогормональных и внутриклеточных - и составляет сложную эпигенетическую программу развития, поскольку все эти факторы существенно влияют на генную активность, стимулируя одни гены и подавляя другие.

Из сказанного следуют важные определения:

фенотип - это совокупность всех признаков и свойств организма, формирующихся в процессе взаимодействия его генотипа (генетической структуры) и внешней среды;

в фенотипе никогда не реализуются все генетические возможности;

в конкретных условиях развивается конкретный фенотип.

Таким образом, в развитии фенотипа, то есть конкретного организма со всеми его индивидуальными свойствами, имеет место единство генетического и эпигенетического начал, проявляющих себя на разных уровнях организации жизни -молекулярно-генетическом, клеточном, организменном.

На вопрос: что первично, курица или яйцо? - должен последовать ответ: первично и конечно единство яйца (генотипа, программы) и курицы (фенотипа, сомы). Результатом этого единства является развивающийся организм.

Думается, что каждый сумеет сделать и некоторые практические выводы в отношении своего собственного организма и развития (это никогда не поздно), но в особенности в отношении развития своих будущих детей, которое начинается задолго до их появления на свет и даже до их зачатия. В первую очередь это касается будущих матерей, так как внешнее управление развитием закладывается уже в цитоплазме яйцеклетки, еще даже не оплодотворенной. Нарушения этой закладки в результате болезней, неправильного питания, употребления алкоголя, токсических веществ, лекарств и т. п. чревато развитием у зародыша уродств, врожденных заболеваний, а то и полным бесплодием. Не исключение и представители сильного пола. Названные внешние факторы приводят к потере подвижности сперматозоидов (одна из наиболее распространенных причин мужского бесплодия), нарушению их производства или повреждениям ДНК (мутациям), которые неминуемо передадутся клеткам ребенка. Важное полезное заключение для будущих родителей касается также роли воспитания и обучения в развитии личности. Врожденные (генотипические) интеллектуальные, художественные наклонности и даже физические задатки не проявятся в полной мере, если соответствующие гены не будут востребованы. А востребованы они будут при постоянной нагрузке, которая и создается в процессе воспитания, обучения, трудовой деятельности.