Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они

доказали, что по своей функциональной активности все гены

разделяются на "регуляторные", кодирующие структуру

регуляторного белка, и "структурные гены", кодирующие синтез

ферментов.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков

осуществляется с помощью наследственной информации,

материальным носителем которой являются молекулы дезокси-

рибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК состоит из двух цепей,

идущих в противоположных направлениях и закрученных одна

вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает

винтовую лестницу. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей

для синтеза одного белка, называют геном. Гены расположены в

хромосомах (части ядер клеток). Было доказано, что основная

функция генов состоит в кодировании синтеза белков. Механизм

передачи информации от ДНК к морфологическим структурам дал

известный физик-теоретик Г. Гамов, указав, что для кодирования

одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК.

Молекулярный уровень исследования позволил показать, что

основным механизмом изменчивости и последующего отбора

являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом

уровне. Мутация—это частичное изменение структуры гена.

Конечный эффект ее—изменение свойств белков, кодируемых му-

тантными генами. Появившийся в результате мутации признак не

исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией,

химическими соединениями, изменением температуры, наконец,

могут быть просто случайными. Действие естественного отбора

проявляется на уровне живого, целостного организма.

Поскольку минимальной самостоятельной живой системой

можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического

уровня следует начать именно с клетки. В настоящее время

различают три типа онтогенетического уровня организации живых

систем, которые представляют собой три линии развития живого

мира: 1) прокариоты — клетки, лишенные ядер; 2) эукариоты,

появившие позднее, — клетки, содержащие ядра; 3) архебакте-

360

рии — клетки которых сходны, с одной стороны, с прокариотами, с

другой — эукариотами. По-видимому, все эти три линии развития

исходят из единой первичной минимальной живой системы,

которую можно назвать протоклеткой. Структурный подход к

анализу первичных живых систем на онтогенетическом уровне

нуждается в дополнительном освещении функциональных

особенностей их жизнедеятельности и обмена веществ.

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным

живым организмам — одноклеточным и многоклеточным. В

разных организмах число клеток существенно отличается. В

соответствии с числом клеток все живые организмы разделяют на

пять царств: бактерии, водоросли, грибы, растения, животные.

Первые живые организмы имели одиночные клетки, затем

эволюция жизни усложнила структуру и число клеток.

Одноклеточные организмы, имеющие простое строение, называются

монерами (греч. moneres — простой), или бактериями.

Одноклеточные организмы с более сложной структурой относят к

царству водорослей, или проститов. Среди водорослей есть и

простейшие многоклеточные организмы. К многоклеточным

относят растения, грибы и животных. Живые организмы

классифицируют в связи с их эволюционным родством, поэтому

считается, что многоклеточные имели своими предками проститы, а

те произошли от монер. Но три многоклеточных царства произошли

от разных проститов. Каждая группа многоклеточных организмов

— растений, животных и грибов — имеет свой план строения,

приспособленный к своему образу жизни, а у каждого вида в

процессе эволюции сложилась определенная разновидность этого

достаточно гибкого плана. Почти каждый вид состоит из

различающихся по строению, но в то же время кровно родственных

групп индивидов. Вид представляет собой не простое собрание

индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных и

тесно связанных друг с другом.

Известный немецкий биолог Э. Геккель открыл

биогенетический закон, согласно которому онтогенез в краткой

форме повторяет филогенез, т. е. отдельный организм в своем

361

индивидуальном развитии в сокращенной форме повторяет историю

рода.

Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и

взаимодействия между совокупностями особей одного вида,

которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию.

Такие совокупности, или скорее системы живых организмов,

составляют определенную популяцию. Очевидно, что

популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и

поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

Популяция представляет собой первый надорганизменный

уровень организации живых существ, который хотя и тесно связан с

их онтогенетическим и молекулярными уровнями, но качественно

отличается от них по характеру взаимодействия составляющих

элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают как

целостные общности организмов. По современным представлениям,

именно популяции служат элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого

составляет различные системы популяций, которые называют

биоценозами или сообществами. Они являются более обширными

объединениями живых существ и в значительно большей мере

зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в

качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени

характеризуется зависимостью от многочисленных земных и

абиотических условий своего существования (географических,

климатических, гидрологических, атмосферных и т. п.). Для его

обозначения применяется термин биогеоценоз, или экологическая

система (экосистема).

Четвертый надорганизменный уровень организации возникает

из объединения самых разнообразных биогеоценозов и теперь

называется биосферой.

Для характеристики трофического (пищевого) взаимодействия

популяции и биоценозов существенное значение имеет

362

общее правило, согласно которому, чем длиннее и сложнее пищевые

связи между организмами и популяциями, тем более

жизнеспособной и устойчивой является живая система любого

(надорганизменного) уровня. Отсюда становится ясным, что с

биологической точки зрения на таком уровне решающее значение

приобретает трофический характер взаимодействия между

составляющими живую систему элементами.

14.3. Генная инженерия и биотехнология

Многие вещи нам непонятны не

потому, что наши понятия слабы;

но потому, что сии вещи не входят

в круг наших понятий.

Козьма Прутков

Результаты исследования молекулярной генетики и

молекулярной биологии являются иллюстрацией лидирующего

состояния биологии в современном естествознании. На их базе

возникли новые научные направления, такие как генная инженерия

и биотехнология.

Генетическая инженерия — эта система экспериментальных

приемов, позволяющих конструировать искусственные

генетические структуры в виде гибридных молекул ДНК. Суть

генетической инженерии сводится к переносу в организм

чужеродных генов, которые могут сообщать им полезные свойства.

Геном является определенный участок молекулы ДНК, который

хранит и передает наследственную информацию. Молекулы ДНК

представляют собой длинные полимерные молекулы — по-

линуклеотиды, состоящие из мономерных звеньев. Элементарными

частицами генетического материала являются мономерные звенья

полимерной молекулы ДНК. Гены содержат в себе такую

информацию, код или своего рода программу, по указанию которой

происходит синтез белков в клетках данного организма. На

линейной молекуле ДНК отдельные гены разделены регулятор-

ными участками, и они не могут перекрываться. Молекулу ДНК

363

можно разбить на непрерывные участки (гены), на каждом из

которых записана информация о последовательности аминокислот

одного белка. Если найти методы, позволяющие резать ДНК на

точно необходимые куски, отделять разные куски друг от друга,

затем их сшивать по усмотрению экспериментатора и переносить их

в клетку другого организма, то можно заставить эту клетку

синтезировать не свойственный ему (т. е. чужой) белок.

Итак, процедуры генетической инженерии сводятся к тому, что

из набора фрагментов ДНК, содержащих нужный ген, собирают

гибридную структуру, которую затем вводят в клетку. Введенная

генетическая информация экспрессируется, что приводит к синтезу

нового продукта. Таким образом, вводя в клетку новую

генетическую информацию в виде гибридных молекул ДНК, можно

получить измененный организм. Синтезирование нужных белков,

гормонов, вакцин и других необходимых для медицины и сельского

хозяйства соединений методами молекулярной биологии и есть

основная задача генной инженерии. Сложной задачей здесь является

поиск методов резки молекулы ДНК с точностью до миллиардных

долей метра, с тем чтобы получить все одинаковые молекулы в

заданном образце строго в одних и тех же местах. После долгих

исследований ученые установили, что в роли такого высокоточного

скальпеля могут быть применены ферменты рестриктазы. Они

узнают самые разные последовательности нуклеотидов и разрезают

их в нужном месте. Полученные куски затем сшивают с помощью

другого фермента, называемого ДНК-лигазой, способного

залечивать разрывы в цепи ДНК. Таким путем, искусственно можно

получить какие угодно комбинации генов, которые в естественных

условиях нельзя реализовать из-за существующих барьеров на

межвидовое скрещивание.

Полученная путем перетасовки генов гибридная молекула ДНК

должна размножаться в составе живой клетки и менять ее

генетические свойства. В этом особая роль принадлежит плаз-

мидам. Оказывается, в клетках бактерий, дрожжей и высших

организмов кроме основных молекул ДНК, не переходящих из

одной клетки в другую, присутствуют еще и маленькие молеку-

364

лы ДНК — плазмиды, которыми клетки легко обмениваются. Если

из бактерий извлечь плазмиды и встроить в них фрагменты чужой

молекулы ДНК, а затем залечить раны и смешать полученные

гибридные плазмиды с бактериальными клетками, то такие

гибридные плазмиды окажутся биологически активными и будут

размножаться. Далее в результате размножения гибридных плазмид

с бактерией-хозяйкой удается многократно умножить

(тиражировать) встроенный чужеродный фрагмент молекулы ДНК.

Этот прием генной инженерии получил название клонирования.

Метод клонирования с помощью плазмид дает молекулярной

биологии уникальную возможность перетасовки генов бактерий,

вирусов, дрожжей и высших организмов — человека и животных.

Еще несколько лет назад ученые задавали вопрос, можно ли

создать сорта, сбалансированные по составу аминокислот,

устойчивые к холоду, засухе, не поражаемые вредителями. Сегодня

можно с уверенностью утверждать, что такие трансгенные растения

уже вышли в поле. Областей применения трансгенных растений

довольно много. На уровне лабораторных экспериментов ведутся

работы по получению растений, устойчивых к холоду, тяжелым

металлам, повышенному содержанию солей и др. Трансгенные

растения, устойчивые к гербицидам (химическим соединениям,

которые используют для борьбы с сорняками), к вирусам, растения с

повышенным содержанием масел и незаменимых аминокислот уже

выращивают на миллионах гектаров. Не менее интересен и другой

аспект работ — получены трансгенные растения с измененными

декоративными свойствами. Поскольку основные трансгенные

формы кукурузы, сои, хлопчатника с устойчивостью к гербицидам и

насекомым хорошо себя зарекомендовали, есть все основания

ожидать, что площадь под генно-инженерными растениями в

будущем увеличится.

Среди последних достижений инженерной, или

конструктивной, биологии следует упомянуть успешное

клонирование млекопитающих (овцы, свиньи, коровы), создание

первых искусственных хромосом человека, создание трансгенных

мышей.

365

Если в плазму встроить ген (фрагмент ДНК) человека, то такая

плазмида внутри бактерии или дрожжей начинает вырабатывать

белок, отвечающий человеческому гену. Разработка технологии,

заставляющей бактериальные или дрожжевые клетки синтезировать

в больших количествах необходимые человеку для различных целей

белки, положило начало новой биотехнологической эре.

Услугами генной инженерии особенно успешно пользуются

фармацевты, для которых этот метод дает сравнительно дешевые, но

жизненно необходимые гормоны, такие как инсулин, интерферон,

гормоны роста и другие, имеющие белковую природу. По заказу

фармацевтов генными инженерами налажено производство

человеческого гормона инсулина (вместо ранее применяемого

животного инсулина), играющего важную роль в борьбе с сахарным

диабетом. Методом генной инженерии получают также достаточно

дешевый и чистый человеческий интерферон — белок, обладающий

универсальным антивирусным действием, антиген вируса гепатита

В.

Другими важнейшими областями, в которых успешно

применяются достижения генной инженерии, являются медицина и

сельское хозяйство. На наших глазах современная биология

превратилась в науку, которая дала начало технологиям,

преобразившим производство. Биотехнология стала реальной

производительной силой. Питание и медицинское обслуживание

возрастающего быстрыми темпами населения Земли представляют

собой наиболее важные проблемы, стоящие перед человечеством, и

решать их скорее всего придется методами биотехнологии.

Производство и применение вакцин против вирусных

заболеваний позволили медиками ликвидировать полностью

эпидемии чумы и оспы, от которых раньше умирали миллионы

людей. Метод генной инженерии, в отличие от других методов,

позволяет получить абсолютно безвредную (не содержащую

инфекционного начала) вакцину. Ведутся также работы по

производству вакцин от гриппа, гепатита и других вирусных

заболеваний человека.

366

В настоящее время для производства интерферона и гормона

роста в качестве источника плазмидов вместо бактерий широко

применяются также дрожжи, которые на эволюционной лестнице

стоят где-то между бактериями и высшими организмами. Еще одной

задачей, успешно решаемой в настоящее время биотехнологией,

является производство белка, содержащего незаменимую

аминокислоту лизин, и используемого в качестве полноценных

кормовых добавок для животных.

В биотехнологии применяются не только методы генной

инженерии, но и методы клеточной инженерии. Суть метода

клеточной инженерии сводится к следующему: из организма

искусственно выделяют клетки, которые затем размножают в

специально подобранных питательных средах. Полученные таким

путем клеточные культуры используются для производства ценных

лекарственных веществ и для гибридизации клеток, которые

невозможно воспроизвести обычным половым путем. Методом

гибридизации соматических клеток получены новые формы

культурных растений (томаты, картофель). Гибридизация же

животных клеток (например, раковых клеток и клеток крови —

лимфоцитов) применяется для выработки ценных медицинских

препаратов.

14.4. Проблемы происхождения жизни во Вселенной

Река времени в своем стремленъи

Уносит все дела людей. И топит в

пропасти забвенья Народы,

царства и царей.

Г. Державин

Представление о наличии жизни во Вселенной исторически

менялось и всегда интересовало человечество. Взгляды о

бесчисленности обитаемых миров получили широчайшее

распространение в XVIII-XIX вв. Особую известность и

популярность завоевали труды Б. Фонтенеля, К. Фламмариона и др.

В эту эпоху населенными считались практически все небесные тела

—

367

от Луны и планет до комет и Солнца. Об обитателях Луны,

например, писали Кеплер, Ньютон, а позднее, уже на пороге XIX в.,

У. Гершель допускал возможность существования жизни на Солнце.

Проблема происхождения жизни как предмет научных

исследований возникла во второй половине XIX в. Как отмечал М.

Кельвин, еще Ч. Дарвин совершенно отчетливо ставил вопрос о

естественном происхождении жизни на Земле в отдаленном

прошлом и говорил об отсутствии условий для этого теперь, при

наличии развитой жизни.

В начале XX в., однако, возобладало мнение, что жизнь —

привилегия лишь планет типа Земля. А ставшая общепринятой

космологическая теория Джинса, согласно которой планеты

возникают в результате тесного сближения двух звезд — события

очень редкого, привела к заключению о крайней редкости

планетных систем и тем более жизни в звездном мире.

В 20-х гг. XX в. существенно изменилась астрономическая

картина мира, и в том же десятилетии в трудах А. И. Опарина в

СССР и Дж. Холдейна в Англии стала формироваться первая

научная концепция происхождения жизни.

Солнце, в соответствии с расчетами, основанными на

современной теории эволюции звезд, образовалось около 5 млрд лет

назад (через 8-10 млрд лет после звезд 1-го поколения) из

газопылевой среды, уже обогащенной тяжелыми элементами. П.

Дебай, а также В. Г. Фесенков подчеркнули, что у звезд 1-го

поколения, составляющих 90% всех звезд Галактики, не может быть

земноподобных планет, а следовательно, и жизни. Однако

остальные 10%, составляющие население последующих поколений

звезд Галактики (это ≈ 10

объектов), могут обладать планетами

типа Земля. Планеты рождаются в ходе самого процесса

звездообразования, и планетные системы могут быть у значительной

доли звезд — до 2/3 общего числа звезд 2-го и последующих

поколений могут обладать земноподобными планетами. Это значит,

что необходимые для возникновения и развития жизни условия

выполняются в галактиках, подобных нашей, не при уникальном

сочетании редких событий, а как

368

типичное явление. В пользу справедливости этого вывода

свидетельствует медленное (обычно всего несколько км/с на

экваторе) вращение большинства солнцеподобных звезд, ибо оно

может быть истолковано как свидетельство наличия у них, как и у

Солнца, планет, несущих основную (у них 98%) долю

вращательного момента количества движения всей системы.

Следовательно, образование земноподобных планет —

естественный результат общегалактического космогонического

процесса.

Коль скоро есть все основания предполагать, что планетных

систем, сходных с Солнечной, в Галактике насчитывается несколько

миллиардов, вполне естественно принять, что процесс жизни и ее

эволюции там в общих, чертах по своему характеру сходен с тем,

что было на Земле, Разумеется, не на каждой планете возможно

зарождение и развитие жизни. Для этого необходимо учесть:

1. Планеты, на которых возможно зарождение и развитие

жизни, не могут обращаться вокруг звезды слишком близко или

слишком далеко. Необходимо, чтобы температуры их поверхностей

были благоприятны для развития жизни. Учитывая, однако, что

одновременно со звездой должно образоваться сравнительно

большое число планет (скажем, ~10), с большой вероятностью

можно ожидать, что хотя бы одна или две планеты будут

обращаться на расстоянии, при котором температура лежит в

нужных пределах.

2. Массы образовавшихся планет не должны быть ни слишком

большими, ни слишком маленькими. В первом случае гигантские

атмосферы этих планет, богатые водородом и его соединениями,

исключают возможность развития жизни. Во втором случае за время

эволюции атмосферы будут рассеиваться (подобно Меркурию).

Однако, учитывая сравнительно большое число образующихся

планет, можно ожидать, что некоторое, пусть малое, количество их

будет обладать нужной массой. При этом необходимо, чтобы такие

планеты одновременно удовлетворяли первому условию. Заметим,

что первое и второе условия не являются независимыми.

369