Горбачев В.В. Концепция современного естествознания
Подождите немного. Документ загружается.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
211
холодных стадиях эволюции Вселенной, когда могли образовываться хиральные
органические соединения, очень малы по сравнению с ядерными, и, по-видимому,
асимметричное влияние слабых взаимодействий на них ничтожно мало.
В 1980 г. было установлено, что право- и левовращающие молекулы, помещенные в
магнитное поле, по-разному поглощают свет. Это свойство молекул разной хиральности
назвали магнитным дихроизмом. Ученые из Гренобльской лаборатории во Франции в
июне 2000 г. показали, что химическая реакция, приводящая к разделению левых и
правых молекул (процесс называется энтаниоселекцией), не может осуществляться в
слабом (для такого процесса) магнитном поле Земли. Полагают, что в момент зарождения
жизни на Земле были другие условия, способствовавшие формированию первых
микроорганизмов из молекул определенной направленности.
Однако не следует однозначно считать превалирующей роль асимметрии по
сравнению с симметрией. Оба этих представления одинаково важны для живого в
диалектическом единстве, отражая двойственность и единство мира. Понятия симметрии
и асимметрии неразрывно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости, порядка
и хаоса, организации и дезорганизации сложных систем в гармонии их динамики.
Симметрия связана с сохранением, стабильностью процессов, их устойчивостью, делая
возможными те процессы, которые подчиняются законам сохранения. Она ограничивает
число возможных вариантов структур или вариантов поведения системы. Большая
энтропия соответствует более высокой симметрии, а высокой симметрии соответствует
большая вероятность состояний (§ 8.7). Поэтому симметричному состоянию
соответствует и меньшая информация.
Симметрия (проявление здорового консерватизма) как бы ограничивает число
возможных вариантов поведения системы, сводит их лишь к необходимому, организуя
некий минимальный порядок; в известном смысле симметрия подчеркивает общее в
объектах и явлениях, что можно рассматривать как проявление категорий целого и
частей
1
.
Асимметрия, как процесс развития частей, основанный на случайностях, флуктуациях,
обеспечивает эволюцию живого организма через дезорганизацию, хаотические
состояния. Согласно И. Р. Пригожину процесс самоорганизации живого через возни-
J
См. сноску на с. 212.
352
кающие диссипативные структуры связан с нарушением симметрии в точках
бифуркации.
Реальный мир живого организма и его жизнедеятельность обеспечиваются и
симметрией, и асимметрией, в сочетании с сохранением целостности организма и его
динамического развития. Диалектическая борьба противоположностей симметрии—
асимметрии проявляется и в том, что стремление организма сохранить наследственные
различия между левым и правым уравновешивается преимуществами, которые организм
имеет благодаря симметричному расположению некоторых своих органов (например,
наши конечности больше подчиняются симметрии, чем внутренние органы).
В заключение отметим, что в биологии понятие левого и правого играет большую
роль, чем в физике, поскольку физическая структура пространства не позволяет их
отличить иначе, чем выбором отсчета, что произвольно. Как Вы думаете, почему мы
здороваемся правой рукой?
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие теории происхождения жизни на Земле Вы знаете? В чем их сущность?
2. Объясните основные положения гипотезы А.И. Опарина о происхождении жизни.
3. Каковы отличия между автотрофными и гетеротрофными организмами?
4. Каков механизм воспроизведения жизни на молекулярном уровне?
5. Может ли возникнуть жизнь в современных условиях в виде эукариотных
организмов?
6. Чем различаются анаэробные и аэробные формы жизни?
7. Какова роль свободных радикалов и автокаталитических процессах в химической
эволюции?
8. В чем состоит сущность теории молекулярной самоорганизации?
9. Что представляют собой биохимические составляющие живого вещества?
10. Какова роль углерода в живой природе?
И. Из чего состоят белки и нуклеиновые кислоты?
12. Какое значение имеет АТФ в энергетических процессах клетки?
13. Какими свойствами воды обусловлены ее функции в живом организме?
14. Что такое клетка и из чего она состоит?
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
212
15. Какие процессы могут происходить в клетке?
16. Как проходит процесс фотосинтеза?
17. Какова роль гомохиральности в образовании живого?
18. Приведите примеры симметрии и асимметрии в живой и неживой природе.
ЛИТЕРАТУРА
4, 5, 8, 9, 12, 26, 45, 51, 64, 66, 85, 120, 123, 127, 152.
Глава 13. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА И
РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ
Благодарение божественной натуре за то, что она все нужное сделала и
нетрудным, а трудное - ненужным.
Эпикур
There are more things in heaven and earth, Ηoratio, than are dreamt of your
philosophy.
Shakespeare
(Гораций, много в мире есть того, что вашей философии не снилось.)
Шекспир
13.1. Информационные молекулы наследственности
Клетка представляет собой сложную и высокоупорядоченную структуру и является
элементарной организованной частью живой материи. Она способна усваивать и
преобразовывать энергию, и в ней происходят процессы, необходимые для
возникновения, развития и существования живого вещества. Извне в клетку поступают
органические вещества, которые служат «строительным материалом» для элементов
клетки и источником химической энергии. При расщеплении питательных веществ в
клетке освобождается энергия для совершения различной работы по поддержанию ее
жизнедеятельности. Для развития живых организмов необходимы три основных условия:
• возможность оплодотворения (слияние половых клеток) при половом размножении,
• возможность деления клеток,
• возможность воспроизводства в них определенных веществ и структур.
Во всех этих процессах участвуют клетки, как элементарные частицы живого, и
молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК, управляющие этими процессами.
На молекулярно-генетическом уровне организации живого элементарной единицей
является ген. Этот термин как фактор наследственности ввел в биологию в 1909 г.
датский ученый В. Л. Иогансен (1857—1927). На самом деле ген — это участок молекул
ДНК и РНК со специфичным набором нуклеотидов, в последовательности которых
закодирована генетическая инфор-
354
мация. Ген состоит из 450 нуклеотидов, объединенных в 150 кодонов длиной около
150 нм, в то время как межатомные расстояния, например, в неорганических кристаллах,
составляют около 0,1 — 0,2 нм. Следовательно, генная структура содержит порядка 1000
— 1500 атомов. Это позволило Э. Шрёдингеру [25] предположить, что такое число с
точки зрения статистической физики слишком мало, чтобы обусловить упорядоченное и
закономерное поведение. Живой же организм воспринимает воздействие только
огромного числа атомов и молекул.
Можно считать, что погрешность в выполнении физических
и химических законов природы составляет 1/√n, где n — число молекул, участвующих
в проявлении этих законов. Какими мы были бы чувствительными, если бы реагировали
на воздействие отдельных атомов! Отсюда можно сделать вывод, что поведение генов
должно определяться вероятностным характером законов квантовой механики. Обычно в
клетках растений и животных молекулы ДНК присутствуют в виде некоторых структур
ядра клетки, которые называются хромосомами. Хромосомы состоят из большого числа
генов, которые расположены на ней в линейном порядке, а гены являются кусками
молекулы ДНК. Гены, как правило, располагаются в ядрах клеток. Они имеются в каждой
клетке, и их число может достигать многих миллиардов. Можно в шутку сказать, что по
своей роли гены представляют собой «мозговой центр» клеток.
Собственно исходная генетическая информация заключена в последовательности
аминокислот в различных пептидных цепях. Поэтому можно считать, что на
молекулярно-генетическом уровне элементарными единицами, несущими в себе коды
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
213
генетической информации, являются молекулы ДНК. В клетке человека молекула ДНК
содержит около 1 млрд пар оснований, длина ее около 1 м. Если составить цепочку из
ДНК всех клеток одного человека, то она может протянуться через всю Солнечную
систему. В ДНК даже простейшего организма содержится информация, объем которой
эквивалентен информации во всех томах Российской государственной библиотеки.
13.1.1. Генетический код
Наш соотечественник Г.А.Гамов предложил вариант описания структуры
генетического кода. Ход его рассуждений был таков. Было уже известно, что белки
строятся из 20 аминокислот,
355
а индивидуальные свойства белка определяются тем, из каких аминокислот и в какой
последовательности он образован. Способ записи этой информации с помощью
четырехбуквенного алфавита (азотсодержащих оснований — цитонин, тимин, аденин и
гуанин) универсален и одинаков для всего живого. Каждое «слово» в генетическом тексте
— это название аминокислоты, каждое «предложение» определяет белок. Если в
алфавите жизни четыре буквы, то как из них строятся слова? Можно подсчитать, что слов
должно быть не менее 20. Допустим, что каждое слово состоит из двух букв, тогда таких
различных пар оснований будет 4
2
= 16, но этого мало. Гамовым было предложено, что в
каждом слове должно быть, вероятно, не две, а три буквы, тогда 4
3
= 64. В принципе это
уже больше, чем число аминокислот.
Поэтому он сделал еще одно предположение, что среди 64 трехбуквенных слов есть
синонимы, т.е. некоторые из этих слов означают одну и ту же кислоту. Это хорошо
укладывается в «логику» природы — делать все экономно и рационально, но с
некоторым избытком, наверняка. Гамов предположил, что для кодирования одной
аминокислоты используется сочетание трех нуклеотидов, и такая элементарная единица
получила название кодона. Последовательность кодонов в гене определяет
последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемой этим геном.
На основании такой модели Ф. Криком и Дж. Уотсоном в 1953 г. были интерпретированы
результаты рентгеноструктурного анализа молекул ДНК. Это был триумф генетики и
большой личный успех Г. А. Гамова. Он считал, что разработка генетического кода —
его самая сильная работа.
Интересно отметить, что Дж. Уотсон называл себя научным внуком Н. В. Тимофеева-
Ресовского, ученика основателя российской экспериментальной биологии Н. К.
Кольцова. В свою очередь, Дж. Уотсон — прямой ученик другого Нобелевского лауреата,
американского физика Дельбрюка — молодого соратника Тимофеева-Ресовского,
которого Тимофеев-Ресовский вместе с Циммерманом «переманил» из физики в
биологию.
Любопытно, что в своей работе Крик и Уотсон использовали данные Розалинды
Фрэнклин без ее ведома и согласия. Ссылок на нее не было ни в их знаменитой статье о
том, каким образом молекула ДНК может воспроизводить сама себя, опубликованной в
1953 г. в журнале «Nature», ни в последующих публикациях. Более того, физики Ф. Крик
и Дж. Уотсон, совместно с биохимиком Уилкинзом (зав. лабораторией, где работала Р.
Фрэнк-
356
лин, который и познакомил первых двух с ее результатами без ее согласия) получили в
1962 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Как писал М. Ичас, «когда эта
некрасивая (но, заметим, типичная!) история выплыла в свет, это произвело нехорошее
впечатление, и не только на феминисток».
Впоследствии выяснилось, что генетический код, связывающий последовательность
нуклеотидов в молекуле ДНК с последовательностью аминокислот в молекулах белка,
должен быть триплетным. Образно говоря, кодоны, как ключевые слова, должны
состоять из трех букв, и их определенная комбинация и последовательность в ДНК
кодируется в необходимую генетическую информацию. Поскольку молекула ДНК
содержит четыре азотистых основания: аденин (А), цитонин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т),
— то подсчет возможных сочетаний из четырех этих букв А, Ц, Г и Τ показывает, что
сочетание по два обеспечивает лишь 16 возможностей, а по три — 4 · 4 · 4 = 64 кодона.
Оказалось, что только сочетания из трех элементов обеспечат построение тех 20
аминокислот, которые необходимы для образования молекул белка. Поэтому
«наименьшая длина» таких слов, определяющих аминокислоты, должна состоять из трех
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
214
нуклеотидов.
Таким образом, ДНК можно представить как последовательность букв —
нуклеотидов, образующих текст из огромного числа знаков. В принципе любой живой
организм — «розу, дельфина или человека» [9] — можно закодировать длинным рядом
этих букв. Расположение нуклеотидов не случайное, и, например, первые два основания
кодонов, определяющих какую-либо аминокислоту (или аминокислотный остаток),
одинаковы, а третье может быть в разных кодонах разным.
Однако природа так придумала, что большинство аминокислот кодируется
несколькими кодонами. Имеется избыток и вариативность информации, чтобы сделать
то, что нужно наверняка. Установлено, что ядра клеток содержат столько молекул ДНК,
что их хватило бы на образование в 10 раз большего числа генов. Это подобно
вырождению в квантовых физических состояниях, когда разные волновые функции
соответствуют одному и тому же значению собственной энергии. Такой код в
молекулярной биологии также называется вырожденным — в том смысле, что несколько
разных триплетов передают один и тот же смысл, т.е. являются по существу синонимами.
Эту аналогию можно продолжить и в языкознании. Наше письмо — тоже ко-
357
дирование звуков. Код, в котором несколько букв читаются одинаково, будет также
вырожденным.
Было также установлено, что сама структура генетического кода для всего живого
одинакова. Понятно, однако, что количество нуклеотидов, а значит, по существу, и
молекул ДНК, разное и механизм реализации кода разный, отсюда различия в наборе
синтезирующихся белков и в сложности строения различных организмов. Одинаковость
кода для всех живых организмов указывает на единство происхождения всего живого.
Чем ближе родство между организмами, тем больше похожи последовательности их
молекул ДНК. Даже у растений, животных и бактерий можно обнаружить частичное
сходство молекул ДНК. Сходство аминокислотного состава всех белков также
свидетельствует о биохимическом единстве жизни и позволяет считать, что все живые
организмы генетически родственны и происходят от общего предка.
Таким образом, признаки и свойства живых организмов, зафиксированные в
молекулах ДНК, генах и хромосомах, хранятся и передаются химическим путем
комбинацией соответствующих органических молекул. Ген выступает как неделимая
единица наследственности и в различных мутациях изменяется как целое. Его можно
назвать квантом наследственности. Шрёдингер называл его атомом наследственности. В
настоящее время считается установленным, что признаки передаются дискретным
образом как раз через эти дискретные образования — гены, что позволяет ввести в
биохимическую генетику квантово-механические представления физического
микромира. Так как наследственность по своей природе дискретна, то для изучения ее
могут быть использованы математические и физические модели. Это отмечал еще
Шрёдингер: «Уже сам принцип дискретности, прерывистости наследственности,
лежащей в основе генетики, очень созвучен атомарной теории строения вещества»
[25].
Заметим также, что дарвиновская изменчивость действует по известному принципу
Бора: воспроизводятся лишь разрешенные признаки. Имеются эксперименты по
скрещиванию волка и собаки, а затем и их гибридов. В конечном результате получали
или чисто волка, или чисто собаку. Насильственно перемешанные гены, как только их
предоставили самим себе, тут же разошлись по разрешенным наборам.
358
13.1.2. Гены и квантовый мир
В генетической системе обнаруживаются те же закономерности, что и в квантовом
мире: атомизм, высокая упорядоченность дискретных единиц, возможность их
комбинации и образование других порядков, прерывистой наследственности,
скачкообразность переходов из одних состояний в другие, а также вырождение
состояний. Российский генетик И. А. Рапопорт (1912—1990) установил некоторые
аналогии между генными нуклеотидами и кварками с барионами (три кварка в барионе и
три нуклеотида в триплете), подобие взаимодействий нуклеотидов и кварков, отсутствие
тех и других в свободном состоянии и т.д. [117]
Представим эти аналогии в виде следующей схемы.
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
215
Иерархия и сопоставление элементов в физическом и
генетическом атомизме
Сравнительный анализ этих данных показывает структурное единство живой и
неживой природы и возможность описания материального мира физическими методами.
На это указывал В. Гейзенберг: «Изучение атомистической структуры биологической
материи может сыграть важную роль в понимании дискретных закономерностей, а
биологические понятия могут дать дополнение и расширение квантовой механики».
Поэтому можно сказать, что человеческая индивидуальность (а вообще говоря, и
поведение всех живых организмов) является результатом различий в структурах молекул
ДНК, несущих генетическую информацию, и связана она с квантовыми эффектами.
359
Физический уровень Генетический
уровень
1. Кварки 1. Нуклеотиды
2. Элементарные частицы 2. Триплеты
3. Атомные ядра 3. Интероны
4. Атомы 4. Гены
5. Молекулы 5. Хромосомы
6. Коллоидные частицы,
полимеры
6. Геном
Проведем аналогичное сопоставление между биологическим и космическим
уровнями.
Биологический уровень Космический уровень
1. Клетки 1. Звезды
2. Ткани 2. Звездные скопления
3. Организмы 3. Галактики
4. Популяции 4. Метагалактики
5. Биогеоценозы 5. Вселенная (Космос)
6. Биосфера 6. Космические струны
13.2. Воспроизводство и наследование признаков
Весомы и сильны среда и случай Но главное — таинственные гены. И как
образованием ни мучай От бочек не родятся Диогены.
И. Губерман
Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с
помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются
молекулы ДНК. Основой воспроизводства является синтез белков, который происходит в
клетках организма по программе, заложенной в ДНК и реализуемой через РНК.
Необходимость такого синтеза обусловлена тем, что большинство компонентов живого
находится в динамическом состоянии и постоянно обновляется. Белки все время
распадаются, и их необходимо замещать вновь синтезируемыми молекулами, а для этого
нужна генетическая информация о том, как это надо делать.
Поэтому такая система воспроизведения должна содержать в закодированном виде
полную информацию, необходимую для того, чтобы построить из запасенного клеткой
органического материала белок, нужный в данный момент, а также сведения о механизме
извлечения и передаче этой программной информации. Механизм передачи
наследственных признаков рассматривается в классическом варианте генетики и более
углубленно, с позиций молекулярной биологии.
В основу генетики были положены закономерности дискретной наследственности,
открытые учеными-генетиками разных стран — Г. Менделем (1822—1884) (Австрия), А.
Вейсманом (1834—1914) (Германия), В. Иогансеном (1857—1927) (Дания), Т.
Морганом (1866-1945) (США), Н.И. Вавиловым (1887-1943), Н.К. Кольцовым (1872—
1940), С.С. Четвериковым (1880-1959) (все — Россия) и др. Работы этих и других
ученых-генетиков развили на новом уровне описательные представления Ч. Дарвина о
наследственности, изменчивости и естественном отборе. Термин «генетика» был введен в
1905 г. английским биологом У. Бэтсоном (1861—1926) и означает науку о законах
наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.
Идея Г. Менделя как раз и состояла в предположении, что наследственные признаки
передаются дискретными единицами —
360
наследственными факторами или генами. Каждый ген отвечает за синтез конкретного
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
216
белка. Контролируя их образование, гены управляют всеми химическими реакциями
организма и определяют тем самым его признаки. Уникальными свойствами гена
являются его высокая устойчивость (неизменяемость в ряду поколений — в этом суть
самой наследственности!) и способность к наследуемости изменений в результате
мутаций. Совокупность всех генов одного организма называется генотипом, а
совокупность всех признаков организма — фенотипом.
13.2.1. Генотип и фенотип
Согласно определению, фенотип, таким образом, представляет результат
взаимодействия генотипа и окружающей среды. Можно считать, что, оставляя те или
иные живые организмы с их генотипом, естественный отбор сохраняет способы
интеграции внешней информации в виде конкретных фенотипов.
Как отмечал российский генетик И.Н. Дубинин (1906—1998), «фенотип — это
явление, а генотип — его сущность». Это означает, что генотип проявляется в фенотипе
и поэтому фенотип всегда шире и разнообразней генотипа. Естественный отбор
действует на фенотип, а не непосредственно на генотип, который лишь определяет
реакции развивающегося организма на внешнюю среду. Генетическая информация
становится биологически осмысленной только в том случае, когда она
«расшифровывается» в результате контакта с окружающей средой. В известном смысле
фенотип включает в себя биологические задатки, природную и социальную среду,
деятельность индивидуума, его сознание и все возможные когерентные взаимодействия
между этими признаками. Б.М. Медников назвал фенотип «машиной для выживания»
[14].
Отдельные гены определяют возможность развития одного элементарного признака
или одной белковой молекулы, а распределение их в хромосомах и последующее
распределение хромосом по дочерним клеткам при клеточном делении обеспечивают
передачу совокупности наследственных свойств всего организма от поколения к
поколению. Хромосомы как структурные образования клеточного ядра имеют
специфичную форму и размер около 1 мкм. Их число для каждого вида остается
постоянным, но для разных видов оно неодинаково. Так, у человека их 46 (у обезьян,
согласно последним исследованиям, их может быть 48), у плодовой мушки дрозофилы
(любимого объекта
361
исследований генетиков) — 8, у некоторых видов растений — до 100. Во всех клетках
хромосомы парные, и такой набор хромо> сом называется диплоидным, т.е. двойным. Его
кодовый номер 2п, где η — число пар, или гаплоидное число (от греческого слова
«гаплос» — половина). Для диплоидных организмов, к которым принадлежит и человек,
каждому признаку соответствуют два гена. Они могут быть представлены на двух парных
хромосомах разными вариантами, их называют аллелями. Таким образом, аллели — это
формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках парных хромосом,
которые определяют варианты развития одного и того же признака. Понятия «генотип»,
«фенотип» и «аллель» также были введены В. Иогансеном. В генетике существуют
определения генома и генофонда.
Геном
Геном — это совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом
определенной животной или растительной клетки.
Генофонд
Генофонд определяет качественный состав и относительную численность разных
аллелей различных генов в популяциях того или иного организма. Это видовой, а не
индивидуальный признак.
13.2.2. Законы генетики Г. Менделя
Г. Мендель, проводя опыты по скрещиванию разновидностей (или линий) гороха,
установил в 1850 г. закономерности, которые считаются основными для классической
генетики. Для контраста он выбирал разновидности с резко различными признаками, а
затем их скрещивал. Растения одной линии были высокими, а другой — низкими. Свои
результаты он обобщил в виде трех законов.
• Первый закон. При скрещивании двух организмов, относящихся к разным чистым
линиям (или высокие, или низкие), отличающимся друг от друга парой возможных
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
217
признаков, все первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести
признак одного из родителей. От каждого из родителей потомок получает по одному
гену, характеризующему признак. Выбор этого признака определяется тем, какой из
генов является более сильным (доминирующим), а какой — более слабым (рецессивным —
подавляемым).
Таким образом, образуется несколько аллелей одного гена и тем самым несколько
вариантов одного признака. Это относится
362
к гомозиготным организмам, т.е. имеющим однородную наследственную основу от
родителей, сходных по какому-то наследственному признаку.
• Второй закон. При скрещивании двух гетерозиготных особей как двух потомков
первого поколения признаки расщепляются в определенном соотношении — по фенотипу
3:1, по генотипу 1:2:1.
Гетерозиготность — это присущее всякому гибридному организму состояние, при
котором его гомологичные (подобные по строению и развитию) хромосомы несут разные
формы одного и того же гена.
• Третий закон. При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от
друга по двум и более парам возможных признаков, гены и соответствующие им
признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всевозможных
сочетаниях.
Последний закон указывает на статистический, вероятностный характер
наследственности и дает возможность применить физические представления
статистической физики.
Теперь становятся хотя бы отчасти понятными для обычных людей шутки генетиков
на «их языке»: «Рецессивный аллель влияет на фенотип, только если генотип
гомозиготен».
13.2.3. Хромосомная теория наследственности
Американский биолог Т. Морган, иностранный член-корреспондент Российской
академии наук с 1923 г. и почетный член АН СССР с 1932 г., обосновал в 1910 г.
хромосомную теорию наследственности и установил закономерности расположения
генов в хромосомах. Исходя из того, что у любого организма признаков много, а число
хромосом невелико и, следовательно, в хромосоме много генов, Морган выявил
закономерность наследования признаков, гены которых находятся в одной хромосоме, —
они наследуются совместно. Эта закономерность называется законом Моргана для
сцепления генов.
Хромосомы могут перемещаться и при клеточном делении распределяться поровну
между дочерними клетками в полном соответствии с выводами Менделя о передаче
наследственных факторов. Деление клетки начинается с ядра, содержимое уплотняется в
хромосомы, область, занятая ядром, становится вытяну-
363
той, и половинки каждой хромосомы направляются в разные концы этой области,
образуя две одноядерные клетки, каждая из которых содержит по одному полному
диплоидному набору хромосом. Такой способ клеточного деления называют митозом, он
характерен для клеток тела. Таким образом, в митозе хромосомы удваиваются, при этом
они расщепляются и равномерно распределяются между дочерними клетками.
Все клетки, полученные в результате митоза, генетически идентичны, так как в
каждой паре клеток ДНК каждой хромосомы является точной копией ДНК
соответствующей хромосомы другой клетки. Все потомство одной клетки,
размножившееся способом митоза, называют клоном. Все клетки, образовавшиеся этим
путем, представляют собой один клон, и поэтому вся содержащаяся в них генетическая
информация одинакова (понятно теперь, как появилась клонированная овечка Долли).
Другой способ распределения наследственных признаков реализуется в процессе
деления половых клеток — гамет (название происходит от греческого слова gamete —
жена) — и называется мейозом. Гаметы — репродуктивные клетки животных или
растений, обеспечивающие при их слиянии развитие новой особи. При оплодотворении в
половом размножении гаметы сливаются и образуют одну клетку — зиготу (от
греческого zygotes — соединенный вместе), которая содержит 2п хромосом. При мейозе
гаметы (женские — яйцеклетки, мужские — сперматозоиды) образуются из диплоидных
клеток. Хромосомы делятся один раз, а сама клетка — дважды, т.е. исходные хромосомы
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
218
дают 2n • 2 = 4« хромосом, а исходные клетки — 1 • 2 • 2 = 4 клетки.
Таким образом, мейоз — это способ деления клеточного ядра, в результате которого
образуются четыре дочерних ядра, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом,
чем исходное материнское ядро. Такой способ, когда происходит уменьшение числа
хромосом в два раза и одна диплоидная клетка, содержащая два набора хромосом, дает
после двух быстро следующих друг за другом делений начало четырем клеткам
(содержащих уже по одному набору хромосом), называется также редукционным
делением. Заметим, что попадание хромосом в гамету также носит случайный характер.
Биохимическая генетика позволяет объяснить половые различия человека и животных.
Из общего числа хромосом человека (23 пары) 22 пары одинаковы для женского и
мужского организмов, а одна пара нет. У женщин — это так называемые
364
две одинаковые Х-хромосомы, а у мужчин — это Х-хромосома и Y-хромосома в этой
23-й паре. Было установлено, что половое различие определяется именно Y-хромосомой.
Если яйцеклетка оплодотворяется Х-хромосомой мужской пары, то развивается женский
организм, если Y-хромосомой, то образуется мужской организм.
Как установлено, X и Y-хромосомы появились более 250 миллионов лет назад, вскоре
после отделения млекопитающих от рептилий. Формирование и эволюция новых видов
прежде всего сказывались на половых хромосомах. Недавно американские биохимики
Мэрфи и О. Брайен сравнили половые хромосомы человека, кошки и мыши и с
удивлением обнаружили, что люди и кошки имеют тот же самый порядок генов на X и Y-
хромосомах, в то же время он сильно отличается от мышиного. Ими также был
обнаружен блок генов, который почти не изменился в процессе эволюции.
Предполагается, что эти гены играют основную роль в формировании функций
размножения особей мужского рода и людей, и котов. Отсюда был сделан вывод, что Y-
хромосома каким-то необычным способом «законсервирована» у определенных видов
млекопитающих. А семейство кошек может оказаться подходящей моделью для
исследования половой функции человека, в частности, мужское сексуальное поведение
можно рассматривать на примере котов.
13.3. Процессы мутагенеза и передача наследственной информации
Когда человек нe nонимает проблему, он пишет много формул, а когда наконец
поймет, в чем дело, останется в лучшем случае две формулы.
А. Пуанкаре
Не печалься и не горюй, жизнь решит самые сложные проблемы, если ей
представить на это достаточно времени.
П. Капица
13.3.1. Мутации и радиационный мутагенез
В клетках, готовящихся к делению, происходит синтез новых копий ДНК. Но в
процессе этого копирования могут возникать ошибки, сбои. Они изменяют смысл
генетических инструкций, и тогда образуются изменения в передаче наследственной
информации. На физическом языке это называется рекомбинацией, в результате которой
происходит перестройка генов и хромо-
365
сом. Частота рекомбинации зависит от расстояния между генами и обычно составляет
в среднем 50%. Изменение состояний происходит скачкообразно, дискретным образом.
Такие скачки основатель квантовой теории биологии X. Фриз (1848—1935) назвал
мутациями.
Мутация — это любое изменение в нуклеотидной последовательности определенного
гена. Наиболее часто происходят точечные мутации, связанные с изменениями одного
азотистого основания, что ведет к изменению типа аминокислотного остатка в одном из
положений полипептидной цепи. Другие мутации приводят к вставкам или удалению
одного или более аминокислотных остатков. Особым типом мутации является удвоение
гена, в результате чего появляются две копии одного и того же гена. Знание
генетического кода позволяет объяснить эффект некоторых мутаций.
Эти изменения — мутации — могут передаваться по наследству и, значит, лежат в
основе дискретной изменчивости: новые виды возникают в результате мутаций. Понятие
мутации в биологии аналогично понятию флуктуации в физике и синергетике. По своей
сути мутации — это такие частичные изменения структуры генов, приводящие к
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
219
изменению свойств белков, которые кодируются уже мутантными генами.
Появляющиеся новые признаки вследствие мутаций не исчезают, а накапливаются.
Такие изменения служат единственным источником генетического разнообразия внутри
вида. Мутации вызываются радиацией, изменениями температуры, действием
химических соединений, любыми другими физическими воздействиями на гены.
Понятно, что такие воздействия происходят совершенно случайным образом. Мутагенез,
таким образом, является случайным процессом возникновения наследственных
изменений — мутаций, возникающих спонтанно в результате действия различных
физических и химических факторов — мутагенов.
В последние 50 лет в связи с химическим и радиационным загрязнением среды
особенно возросла роль мутаций, обусловленных этим причинами. Работами
американского генетика Г. Меллера (1880—1967), Фриза, Н.В.Тимофеева-Ресовского,
М. Дельбрюка (1906—1981) и многих других была создана радиобиология.
Обобщая результаты радиобиологических исследований, проведенных Тимофеевым-
Ресовским, Циммерманом и Дельбрю-
366
ком, Шрёдингер отмечал квантовую природу радиационного мутагенеза. Были
установлены некоторые закономерности, связанные с радиацией: частота мутаций прямо
пропорциональна дозе облучения; если изменяется длина волны излучения, но суммарная
доза остается неизменной, то коэффициент этой пропорциональности остается
постоянным. Таким образом, количество мутаций прямо зависит от накопленной дозы.
Мутации вызывают нарушения в комплементарном пристраивании друг к другу
четырех нуклеотидов и могут значительно изменить или даже создать желаемую
генетическую программу. Тем самым возникает возможность, управляя мутациями в
ДНК методами генной инженерии, создавать новые искусственные образования
органических молекул и значительно изменять строение и облик созданных живых
организмов в нужном человеку направлении. Так, с помощью генной инженерии были
получены инсулин, интерферон и гормон роста, выведены свиньи с меньшим
содержанием жира и коровы, молоко которых не скисает так быстро, и т.д. Из-за
отрицательного действия радиации разные люди являются и разными «мутантами», и
поэтому на них по-разному действует облучение.
Недавно американский исследователь И. Эйхлер и его коллеги при изучении
особенностей генома приматов пришли к выводу, что гены человека и его ближайших
родственников — высших обезьян — весьма склонны к мутациям. Именно эта
«фамильная черта», возможно, стала одной из причин появления человека. Для быстрых
эволюционных изменений нужен текучий, изменчивый геном. Такая гибкость
биохимической конструкции характерна не для всех видов организмов. Так, многие черви
и моллюски очень мало изменились за миллионы лет. Можно в шутку сказать, что
хромосомы приматов отличает скорее «творческое начало», чем консерватизм. Они более
способствуют мутациям содержащихся в них генов и тем самым усиливают генетические
изменения.
Был также обнаружен повторяющийся элемент ДНК, названный ими CAGGG,
который позволяет судить о возрасте генетических изменений. Любопытно, что приматы,
например, бабуины (обезьяны рода павианов), содержат значительно меньше повторов
CAGGG, чем люди. Это означает, что число повторов этого элемента ДНК у человека
увеличивалось в процессе эволюции.
367
Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21
век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.
220
Н.В. Тимофеев-Ресовский (1900— 1981) — выдающийся русский ученый-генетик,
мыслитель-космист и естествоиспытатель нашего времени. Николай Владимирович
Тимофеев-Ресовский родился в Москве, но детство провел на калужской земле в имении
бабушки. Его мать Надежда Николаевна, из обедневшего дворянского рода
Всеволжских, вела свою родословную от Рюриковичей, дальними родственниками ее
были писатели Аксаковы, и Григоровичи, а также известный адмирал Невельской, много
сделавший для освоения Дальнего Востока России. С отцовской стороны Тимофеевы
происходят от беглых донских казаков. По семейному преданию свою фамилию отец
получил от Тимофея Разина — брата Стеньки Разина. Внук этого брата Тимофей
Тимофеевич отличился при присоединении Сибири к России. За это царь Алексей
Михайлович назначил его воеводой в Калуге. Отец же будущего выдающегося
естествоиспытателя, инженер путей сообщения, участвовал в строительстве более 15
тыс. километров железных дорог на Урале, в Сибири, Поволжье, Литве, Белоруссии и
Украине. По отцовской линии предки Николая Владимировича состояли в родстве с Н.В.
Гоголем (1809—1852), адмиралами Д.Н. Сенявиным (1763—1831), Ф.А.
Головиным (1650—1706) и П.С. Нахимовым (1802—1855), имена которых дороги
каждому русскому сердцу. Н.В. Тимофеев-Ресовский всегда гордился служением своих
предков Отечеству и сохранил в себе их вольнолюбивый дух, изобретательность и
отвагу.
В 1925 г. по рекомендации известного биолога Н.К. Кольцова и приглашению
общества кайзера Вильгельма по содействию наукам Тимофеев-Ресовский начал
работать в институте мозга в Берлин-Бухе научным сотрудником, а затем стал
директором отдела генетики и биофизики. Огромный талант, незаурядная эрудиция,
широта охвата научных проблем и наконец свойственная ему любознательность
позволили за 20 лет работы за рубежом установить тесные научные и человеческие
связи со многими выдающимися учеными того времени. Среди них — Н. Бор (которого
он называл на русский манер Нильсушкой), М. Планк, Э. Шрёдингер, Т. Морган, Г.
Мёллер и др. В Берлин-Бух к нему приезжали
368
Н.И. Вавилов и В.И. Вернадский. За эти годы интенсивной работы в области генетики
и молекулярной биологии, в частности по спонтанному и вызванному рентгеновским
облучением мутагенезу, он получил много фундаментальных результатов. В 1935 г.
совместно с физиком-теоретиком М. Дельбрюком (будущим Нобелевским лауреатом) и К.
Циммерманом он опубликовал работу «О природе генных мутаций и структуре гена», в
которой сформулированы основы радиационной генетики; эта работа стала предтечей
современной молекулярной биологии.
Исследования в этой области помогли Н.В. Тимофееву-Ресовскому
радиобиологическими методами впервые вычислить ген, его линейный размер и объем,
используя методологически тот же прием, который Э. Резерфорд применил при
установлении структуры атома, — метод изучения исключений. Как известно, Резерфорд
при рассеянии альфа-частиц (ядер гелия) обратил внимание на то, что лишь одна из
8000 частиц отклонялась на значительные углы (более 90°). Эта, казалось бы,
несущественная деталь, практически не изменяющая общей картины рассеяния частиц,
подсказала Резерфорду планетарную модель атома, в которой почти вся масса
сосредоточена в относительно ничтожном по размеру ядре.
При исследовании влияния ионизирующих излучений на мутации мушек-дрозофил
Тимофееву-Ресовскому удалось выявить редкие исключения, когда такие мутации
появлялись, а по ним определить, что участок ДНК — ген, поражение которого приводит
к мутациям, занимает ничтожную часть клетки. В результате был сформулирован
знаменитый принцип ковариантной редупликации — «самовоспроизведение с
изменениями».
Среди проблем, которыми занимался ученый, были исследования в области
молекулярной и радиационной генетики и биологии, микроэволюции и онтогенеза,
синтетической эволюции и теории уровней организации живого. Все эти исследования
составляют круг современных биологических дисциплин, у истоков которых, таким
образом, стоял Н.В. Тимофеев-Ресовский. Однако сам Николай Владимирович главным,
что он сделал в науке, считал открытие принципа усиления, который фактически стал
аксиомой биологии. Тимофеев-Ресовский рассматривал мутацию как физическое
явление. Биохимически и энергетически это усиление едва уловимо, но, многократно
возрастая, приводит к существенным изменениям в организме. Это один из главных
принципов, лежащих в основе радиационной генетики, а может быть, и всего
естествознания вообще.
369
Η.В. Тимофеев-Ресовский задолго до создания атомного оружия, ядерных
реакторов и аварий на них высказал идею, что ионизирующее излучение
опасно не только лучевой болезнью, но и своими отдаленными последствиями.
Оно способно вызвать такие изменения наследственного аппарата, которые
могут сказаться на потомстве не сразу, а через несколько поколений. Эта идея
легла в основу радиационной генетики и радиобиологии.