Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

292

миру животных

СРЕДНЕВЕКОВЬЕ

(400–1400

н.э.)

Теории, основанные на более ранних кон-

цепциях, перечисленных выше, или при-

знание креационизма

ВРЕМЯ УМОЗРИТЕЛЬНЫХ ПОСТРОЕНИЙ (1400–1790)

Джон Рей

(1627–1705)

Создал концепцию вида

Карл Линней

(1707–1778)

Ввел биномиальную систему номенклату-

ры. Считал, что роды были созданы по от-

дельности, а виды представляют собой

варианты родов

Бюффон

(1707–1788)

Высказал мнение, что разные типы живот-

ных имеют различное происхождение и

возникли в разное время. Признавал

влияние внешней среды и наследование

приобретенных признаков

Джеймс Хаттон

(1726–1797)

Теория униформизма. Исчислял возраст

Земли миллионами лет

ВРЕМЯ СОЗДАНИЯ ТЕОРИЙ (1790–1900)

Эразм Дарвин

(1731–1802)

Жизнь возникла из одной «нити», создан-

ной богом. Не признавал отдельного со-

творения человека. «Нить» эволюциони-

ровала в результате наследования приоб-

ретенных признаков

Жан-Батист Ла-

марк (1744–1829)

Наследование приобретенных признаков

(воздействие внешней среды на организ-

мы и передача фенотипических признаков

потомству). Концепция упражнения и не-

упражнения органов

Жорж Кювье

(1762–1832)

Использование палентологической лето-

писи. Ископаемые остатки – результаты

«катастроф», после которых создавались

новые виды

Уильям Смит Возражал против теории катастроф Кю-

293

(1797–1875) вье, основываясь на непрерывном рас-

пространении сходных видов в близких по

возрасту слоях

Чарлз Лайель

(1795–1875)

Продемонстрировал прогрессивные изме-

нения ископаемых остатков

Чарлз Дарвин

(1809–1882)

Находился под влиянием идей Лайеля и

Мальтуса. Сформулировал теорию эволю-

ции в результате естественного отбора

Альфред Рассел

Уоллес (1823–1913)

Сформулировал теорию, сходную с дар-

виновской, но не включал в нее человека

Гуго де Фриз

(1848–1935)

Открыл существование наследуемых му-

таций, составляющих основу дискретной

изменичивости; считал, что виды возника-

ют в результате мутаций

Август Вейсман

(1834–1914)

Показал, что половые клетки обособлены

от остального организма и поэтому не

подвержены влияниям, действующим на

соматические ткани

Грегор Мендель

(1822–1884)

Генетические исследования (опубликова-

ны в 1865 г.), получившие признание толь-

ко после 1900 г. Открыл законы наследст-

венности

ДВАДЦАТЫЙ ВЕК (НЕОДАРВИНИЗМ)

И.Л. Иогансен Фенотипические признаки определяются

генотипом и факторами среды

Т. Хант Морган Создал хромосомную теорию наследст-

венности, основанную на генетических и

цитологических данных

Г. Дж. Меллер

(1927)

Генотип может изменяться под действием

рентгеновских лучей: индуцированные му-

тации

Р.А. Фишер (1930) Изменения, изучаемые генетиками, анало-

гичны изменениям, выявляемым в пале-

онтологической летописи

Дж.У. Бидл

и Э.Л. Татум (1941)

Продолжая работы А. Геррода (1909) и

Дж. Холдейна (1935), выявили генетичес-

ку ю основу процессов биосинтеза

Дж. Ледерберг Продемонстрировали ценность бактерий

294

и А.Д. Херши (1951) как объектов для изучения генотипических

изменений

Дж. Уотсон

и Ф. Крик (1953)

Предложили модель молекулярной струк-

туры ДНК и механизма ее репликации

Ф. Жакоб, Ж. Моно

(1961)

Открыли механизм регуляции генной ак-

тивности

Можно сделать вывод, что современное эволюционное уче-

ние свою главную задачу видит в возможности углубленного по-

знания механизма эволюционных процессов предсказать воз-

можности эволюционных преобразований и на этой основе

управлять процессами эволюции. Огромную роль для решения

этой задачи играет генетика.

Основы генетики

Центральным понятием генетики является «ген». Генами

называют многочисленные различные единицы, из которых сла-

гается вся совокупность генетической информации индивидуума.

Каждый живой организм представляет собой неповторимую ин-

дивиду альность, потому что неповторима имеющаяся у каждого

человека комбинация генов. Гены несут в себе информацию о

том, какие белки и в каком соотношении должны вырабатывать

наши клетки, а также о том, как будет сказываться на их образо-

вании и взаимодействии та среда, в которой развивается и жи-

вет организм. Ген - элементарная единица наследственности,

характеризующаяся рядом признаков. Ген – внутриклеточная

молеку лярная структура. По химическому составу - это нуклеи-

новые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и

фосфор. Гены, как правило, располагаются в ядрах клеток. Они

имеются в каждой клетке. Поэтому их общее количество в круп-

ных организмах может достигать многих миллиардов.

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых

систем: наследственность и изменчивость, то есть способность

живых организмов передавать свои признаки и свойства из поко-

ления в поколение, а также приобретать новые качества. На-

следственность создает непрерывную преемственность призна-

ков, свойств и особенностей развития в рядах поколений. Из-

менчивость обеспечивает материал для естественного отбора,

создавая как новые варианты признаков, так и бесчисленные

295

комбинации прежде существовавших и новых признаков живых

организмов.

Признаки и свойства организма, передающиеся по наслед-

ству, фиксируются в генах – участках хромосомы, определяющих

возможность развития одного элементарного признака или син-

тез одной белковой молекулы. Хромосомы состоят из белка и

дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Совокупность всех

внешних признаков организма называется фенотипом, а сово-

купность всех генов одного организма называется генотипом.

Фенотип представляет собой результат взаимодействия геноти-

па и окружающей среды.

В основу генетики положены законы наследственности, об-

наруженные Г. Менделем при проведении опытов по скрещива-

нию различных сортов гороха. Скрещивание двух организмов

называется гибридизацией. Потомство от скрещивания двух

особей с различной наследственностью называется гибридным,

а отдельная особь – гибридом. В честь заслуг Менделя законы

генетики названы его именем.

Первый закон Менделя говорит о том, что при скрещивании

дву х организмов, относящихся к двум разным чистым линиям

( двух гомозиготных организмов - в их генотипах есть два абсо-

лютно идентичных по последовательности нуклеотидов гена),

отличающихся друг от друга одной парой альтернативных при-

знаков, все первое поколение гибридов (FI) окажется единооб-

разным и будет нести признак одного из родителей. Выбор этого

признака зависит от того, какой из генов является доминантным,

а какой рецессивным. Мутация (замена или потеря части нуклео-

тида в молекуле ДНК) может возникнуть в разных частях одного

и того же гена. Это может происходить как в разных половых

клетках одного организма, так и в клетках разных организмов.

Таким путем образуется несколько аллелей одного гена и соот-

ветственно несколько вариантов одного признака (например,

несколько аллелей по гену окраски глаз). Совокупность всех ва-

риантов каждого из генов, входящих в состав генотипов опреде-

ленной группы особей или вида в целом, называется генофон-

дом. Это видовой, а не индивидуальный признак.

Второй закон Менделя говорит о том, что при скрещивании

дву х потомков первого поколения между собой (двух гетерози-

готных организмов – признак записывается как Аа) во втором

поколении наблюдается расщепление в определенном числовом

296

отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1 (Аа +Аа = АА +

2Аа +аа).

Третий закон Менделя гласит, что при скрещивании двух го-

мозитных особей, отличающихся друг от дру га по двум и более

парам альтернативным признаков, гены и соответствующие им

признаки наследуются независимо друг от дру га и комбиниру ют-

ся во всех возможных сочетаниях.

Важным этапом в развитии генетики было создание хромо-

сомной теории наследственности (Г. Морган). Морган выявил

закономерности наследования признаков, гены которых нахо-

дятся в одной хромосоме: они наследуются совместно. Это на-

зывается сцеплением генов (закон Моргана). Морган заметил,

что у любого организма признаков много, а число хромосом не-

велико. Следовательно в каждой хромосоме должно находиться

много генов.

Генетика ответила на вопрос о происхождении половых от-

личий. Так у человека из 23 пар хромосом 22 пары одинаковы и у

мужского и у женского организма, а одна пара – различна. Имен-

но благодаря этой паре и различаются два пола. Эту пару хро-

мосом называют половыми хромосомами (одинаковые хромосо-

мы называют аутосомами ). Половые хромосомы у женщин оди-

наковы и их называют Х-хромосомами. У мужчин половые хро-

мосомы различны: одна Х-хромосома, вторая – Y-хромосома.

Для каждого человека решающую роль в определении пола иг-

рает Y-хромосома. Если яйцеклетка оплодотворяется спермато-

зоидом, несущим Х-хромосому, развивается женский организм.

Если же в яйцеклетку проникает сперматозоид, несущий Y-

хромосому, то развивается мужской организм.

Следующим важным этапом в развитии генетики стало от-

крытие роли ДНК в передаче наследственной информации в 30-х

годах XX века. Началось раскрытие генетических закономерно-

стей на молекулярном уровне, зародилась новая дисциплина –

молеку лярная генетика. В ходе исследований было установлено,

что основная функция генов – в кодировании синтеза белков. В

результате исследований стало ясно, что для синтеза белков

вместе с ДНК необходимо наличие РНК. Это видно из того, что

ДНК остается в ядре эукариотических клеток, РНК находится в

протоплазме, т.е. там где протекает синтез белка. ДНК и РНК

построены из одних и тех же мономерных нуклеотидов, но между

ними имеются и некоторые различия:

297

- несколько различаются входящие в их состав сахара

(РНК содержит рибозу, а ДНК – дезоксирибозу);

- три азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин

(Ц) в нуклеотидах ДНК и РНК одинаковы. Четвертое же

основание у этих у этих двух нуклеиновых кислот отли-

чается. В состав РНК входит урацил (У), в состав же

ДНК входит сходное с (У) основание тимин (Т);

- молеку лы РНК одноцепочечные, а у ДНК – духцепочеч-

ные. Но молекула РНК может образовывать петли. Та-

кие участки ее структуры напоминают двухцепочечные,

так как часть оснований на одной ветви петли соединя-

ется водородными связями с основаниями на другой ее

же ветви.

РНК синтезируется на матрице ДНК. Этот процесс называ-

ется транскрипция (переписывание). При этом часть двой-

ной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из ее цепей

движется особый фермент, который выстраивает нуклео-

тидные мономеры РНК против их партнеров на цепи ДНК и

соединяет эти мономеры друг с другом с образованием

длинной цепи РНК. Правила спаривания оснований соблю-

даются и в этом случае, т.е гуанин спаривается с цитозином,

а тимин ДНК спаривается с аденином РНК. Урацил РНК

спаривается с аденином ДНК. На матрице ДНК образуются

три типа РНК:

- матричная (мРНК), в которой передается генетическая

инструкция по синтезу полипептидов от ДНК к белоксин-

тезирующему аппарату – рибосомам;

- транспортная (тРНК), которая доставляет к рибосомам

аминокислоты, из которых строится полипептидная

цепь. Причем, каждую аминокислоту переносит особый,

именно для нее предназначенный вид тРНК.

- рибосомная (рРНК), являющаяся главным компонентом

рибосом.

В клеточной ДНК имеются гены, ответственные за синтез

всех трех типов РНК, но только гены матричной РНК содер-

жат информацию по синтезу белков (рис. 4.2).

Молеку ла мРНК образуется в результате транскрипции од-

ного из генов, так, что в ней содержится та же информация по

синтезу полипептида, что и в этом гене. Процесс, с помощью

298

которого генетическая информация мРНК превращается в струк-

туру полипептида, называют трансляцией (переводом).

Рис.4.2. Схема строения важнейшего биополимера

дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Молекула ДНК представляет собой двойную

спираль; буквами обозначены входящие в нее

нуклеотиды.

За исследования ДНК и РНК в 1952 году Дж. Бидл, Э. Тей-

тум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии.

Затем была установлена тонкая структура генов (1950 год,

С. Бензер), молекулярный механизм функционирования генети-

ческого кода, был понят язык, на котором записана генетическая

информация (азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), цито-

зин (Ц), гуанин (Г), пятиатомный сахар и остаток фосфорной

299

кислоты. При этом А всегда соединяется с Т другой цепи ДНК,

которая представляет собой две нити, скрученные в спираль, а Г

– с Ц). Расшифрован механизм репликации (передачи наследст-

венной информации) ДНК. Известно, что последовательность

оснований в одной нити в точности предопределяет последова-

тельность оснований в другой (принцип комплиментарности),

выполняя функцию своеобразной матрицы. При размножении

две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая стано-

вится матрицей для воспроизводства новых цепей ДНК. Каждая

из двух дочерних молеку л обязательно включает в себя одну

старую полинуклеотидную цепь и одну новую. Удвоение молекул

ДНК происходит с удивительной точностью, чему способствует

двухцепочное строение молекулы – новая молекула абсолютно

идентична старой. В этом заключается глубокий смысл, потому

что нарушение структуры ДНК, приводящее к искажению генети-

ческого кода, сделало бы невозможным сохранение и передачу

генетической информации, обеспечивающей развитие прису щих

организму признаков. Спусковым механизмом репликации явля-

ется наличие особого фермента – ДНК-полимеразы.

Рассмотрев генетические механизмы наследственности,

необходимо перейти к генетическим закономерностям изменчи-

вости, являющейся основой для естественного отбора и эволю-

ции организмов.

Изменчивостью называют способность живых организмов

приобретать новые признаки и свойства, она отражает взаимо-

связь организма с внешней средой. Различают наследственную,

или генетическую, изменчивость, и ненаследственную, или мо-

дификационную, изменчивость.

Пределы модификационной изменчивости называют нор-

мой реакции; они обусловлены генотипом. Эта изменчивость

зависит от конкретных условий среды, в которой находится от-

дельный организм и дает возможность приспособиться к этим

условиям (в пределах нормы реакции). Такие изменения не на-

следуются.

Открытие способности генов к перестройке, изменению

является крупнейшим открытием современной генетики. Эта

способность к наследственной изменчивости получила в генети-

ке название мутации (от лат. mutatio – изменение). Она возни-

кает вследствие изменения гена или хромосом и служит единст-

300

Рис. 4.4. Схема репликации молекул ДНК

венным источником генетического разнообразия внутри вида.

Причиной мутации служат различные физические (космические

лу чи, радиоактивность и т.д.) и химические (разнообразные ток-

сические соединение) причины – мутагены. Благодаря постоян-

ному мутационному процессу возникают различные варианты

генов, составляющие резерв наследственной изменчивости.

Большая часть мутаций по характеру рецессивна и не проявля-

ется у гетерозигот. Это очень важно для существования вида.

Ведь мутации оказываются, как правило, вредными, поскольку

вносят нарушения в тонко сбалансированную систему биохими-

ческих превращений. Обладатели вредных доминантных мута-

301

ций, сразу же проявляющихся в гомо- и гетерозиготном организ-

мах, часто оказываются нежизнеспособными и погибают на са-

мых ранних этапах жизни.

Но при изменении условий внешней среды, в новой обста-

новке, некоторые ранее вредные рецессивные мутации, состав-

ляющие резерв наследственной изменчивости, могут оказаться

полезными, и носители таких мутаций получают преимущество в

процессе естественного отбора.

Изменчивость может быть обусловлена не только мута-

циями, но и сочетаниями отдельных генов и хромосом, напри-

мер, при половом размножении – генетическая рекомбинация.

Рекомбинация также может происходить за счет включения в

геном клетки новых, привнесенных извне, генетических элемен-

тов – мигриру ющих генетических элементов. В последнее время

было установлено, что даже само их внедрение в клетку дает

мощный толчок к множественным мутациям.

Генетический код

Белки выполняют в организме множество функций: они ка-

тализируют биохимические реакции, осуществляют все виды

клеточных движений, создают различные компоненты клеточных

органелл, иными словами, от них зависит вся жизнедеятель-

ность организма. Насколько эффективно работает тот или иной

белок, зависит от его структуры, сама же структура, в конечном

счете, определяется последовательностью аминокислот в его

полипептидных цепях. Напомним, что молекулы некоторых бел-

ков состоят из более чем одной полипептидной цепи; молекула

гемоглобина, например, состоит их четырех полипептидных це-

пей. Сначала синтезируются отдельные полипептиды, а затем

происходит сборка полипептидов в белок.

Биохимики пришли к заключению, что генетическая ин-

формация должна – прямо или косвенно – определять последо-

вательность аминокислот в полипептидах, а тем самым и их

структуру. Поскольку ДНК и полипептиды представляют собой

линейные (неразветвленные) молекулы, естественно напраши-

вается мысль, что порядок нуклеотидов в ДНК определяет поря-

док аминокислот в полипептидах (табл. 4.3).