Воспроизводство жизни и развитие генетики

Воспроизводство жизни

Три самых важных составляющих процесса развития организма:

1) оплодотворение (слияние половых клеток) при половом размножении;

2) воспроизводство в клетке по данной матрице определенных веществ и структур;

3) деление клеток, в результате которого организм растет из одной оплодотворенной яйцеклетки.

Существует  два способа деления клеток.

Митоз - это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с набором хромосом (части ядер клеток), идентичными наборам родительской клетки.

Мейоз - это деление клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро.

Первый способ характерен для всех клеток, кроме  половых; второй - для половых клеток. При всех формах клеточного деления  ДНК каждой хромосомы реплицируется.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков  осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем  которой выступают молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов (напоминает винтовую лестницу).

В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом и содержит около 1 млрд пар оснований, дина ее около 1 м.

Если составить  цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она сможет протянуться  через всю Солнечную систему.

Носители информации - нуклеиновые кислоты - содержат азот и выполняют три функции:

1) самовоспроизведение;

2) хранение информации;

3) реализацию  этой информации в процессе  роста новых клеток. Мономеры  нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты (каждой аминокислоте, входящей в  белок, соответствует определенный  набор из трех мономеров НК - так называемый триплет). Генетическая  информация, содержащаяся в нуклеиновых  кислотах, проявляется в образовании  ферментов, которые делают возможным  строение живого тела.

Реализация многообразной  информации о свойствах организма  осуществляется путем синтеза различных  белков согласно генетическому коду. Сходство и различие тел определяется набором белков. Чем ближе организмы  друг к другу, тем более сходны их белки.

Молекулы ДНК - это как бы набор, с которого «печатается» организм в «типографии» Вселенной.

Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза  одного белка, называют геном (знаменитая гипотеза - «один ген - один фермент»). Гены расположены в хромосомах.

Процесс воспроизводства  состоит из трех частей, называющихся тремя ключевыми словами: репликация, транскрипция, трансляция.

Репликация - это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток.

В основе способности  клеток к самовоспроизведению лежат  уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две идентичные.

Как происходит репликация? ДНК распределяется на две цепи, а затем из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, формируется  вдоль каждой цепи еще одна цепь. Этот процесс можно сравнить с  печатанием фотокарточек. Так как  каждая клетка многоклеточного организма  возникает из одной зародышевой  клетки в результате многократных делений, все клетки организма имеют одинаковый набор генов.

Вторая часть  процесса воспроизводства - транскрипция представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК (информационная РНК - копия части молекулы ДНК, одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции).

РНК отличается от ДНК тем, что вместо дезоксирибозы содержит рибозу (речь идет об одной гидроксильной группе ОН каждого сахарного кольца), а вместо азотистого основания тимина содержит урацил.

Третья часть  процесса воспроизводства - трансляция - это синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки - рибосомах, куда доставляет аминокислоты транспортная РНК.

Основной механизм, с помощью которого молекулярная биология объясняет передачу и переработку  генетической информации, по существу, является петлей обратной связи. ДНК, содержащаяся в линейно-упорядоченном виде всю  информацию, необходимую для синтеза  различных протеинов (без которых  невозможно строительство и функционирование клетки), участвует в последовательности реакций, в ходе которых информация кодируется в виде определенной последовательности различных протеинов.

Некоторые ферменты осуществляют обратную связь среди  синтезированных протеинов, активируя  и регулируя не только стадии превращений, но и автокаталитический процесс  репликации ДНК, позволяющий копировать генетическую информацию со скоростью  размножения клеток.

Как показали исследования по молекулярной биологии последних  десятилетий, петли положительной  обратной связи (вместе с отрицательной  обратной связью и более сложными процессами взаимного катализа) составляют самую основу жизни. Именно такие  процессы позволяют объяснить, каким  образом совершается переход  от крохотных комочков ДНК к сложным  живым организмам.

Как получаются именно разные белки и клетки? Французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно предложена следующая гипотеза. Ген-регулятор производит молекулу-репрессор. Она выключает, когда нужно, оператор, который размещается на одном конце оперона - группы генов, и в результате данные ферменты не производятся.

3. Развитие генетики

Генетика прошла в своем развитии семь этапов.

1) Г. Мендель  (1822 - 1884) открыл законы наследственности. Скрещивая гладкий и морщинистый  сорта гороха, он получил в  первом поколении только гладкие  семена, а во втором поколении - ? морщинистых семян.

И он догадался: в зародышевую клетку поступает  два наследственных задатка - от каждого  из родителей. Если они не одинаковые, то у гибрида проявляется один доминантный (преобладающий) признак - гладкость. Рецессивный (уступающий) остается как бы в скрытом состоянии. В следующем поколении признаки распределятся в соотношении три к одному.

«Когда австрийский  монах Грегор Мендель развлекался наблюдением результатов скрещивания красно- и белоцветущего гороха в монастырском саду, даже наиболее дальновидные его современники не могли вообразить себе всех последствий его находок», - справедливо писал Г. Селье.

Результаты исследований Г. Менделя, опубликованные в 1865 г., не обратили на себя внимания и были переоткрыты после 1900 г.

2) А. Вейсман  показал, что половые клетки  обособлены от остального организма  и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические  ткани.

Несмотря на убедительные опыты А. Вейсмана, которые  было легко проверить, победившие в  советской биологии сторонники Т.Д. Лысенко долго отрицали генетику, называя ее вейсманизмом-морганизмом. В этом случае идеология победила науку, и многие ученые, как, например, Н.И. Вавилов, были репрессированы.

3) Гуго де  Фриз (1848 - 1935) открыл существование  наследуемых мутаций, составляющих  основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды  возникали вследствие мутаций.

Понятие мутации  в генетике аналогично понятию флуктуации в синергетике.

Мутация - это частичное  изменение структуры  гена.

Конечный ее эффект - изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся  в результате мутации признак  не исчезает, а накапливается. Мутации  вызываются радиацией, химическими  соединениями, изменениями температуры, наконец, могут быть просто случайными.

«Согласно нашей  аналогии, мутации, очевидно, представляют собой опечатки, неизбежно появляющиеся при каждом новом переиздании  Книги Жизни. Подобно тому, как  в наших книгах опечатки чаще всего  приводят к бессмыслице и крайне редко улучшают текст, так и мутации  почти всегда приносят вред; чаще всего  они просто убивают организм или  клетку на очень ранних стадиях, и  мы даже не замечаем, что они вообще существовали на свете.

С другой стороны, тот факт, что мутация летальна, сам по себе исключает опечатку из последующих изданий, ибо содержащая эту мутацию клетка никогда не произведет себе подобных. В иных случаях  мутация может оказаться вредной, но не летальной. Она появится и в  новых клетках, но есть надежда, что  такие вредные мутации в последующих  поколениях исчезнут в результате естественного  отбора.

Изредка все  же считается, что мутация оказывает  благоприятное действие. Она уже  не исчезает, поскольку создает организму  большие преимущества в борьбе за существование. В конце концов, эта  мутация будет постоянно включаться в Книгу Жизни данного вида организмов. Так протекает процесс  эволюции».

4) Т. Морган (1866 - 1945) создал хромосомную теорию  наследственности, в соответствии  с которой каждому биологическому  виду присуще свое строго определенное  число хромосом.

5) Г. Меллер в 1927 г. установил, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и то, что впоследствии было названо генетической инженерией с ее грандиозными возможностями и опасностями вмешательства в генетический механизм.

6) Дж. Бидл и Э. Татум в 1941 г. выявили генетическую основу процессов биосинтеза.

7) Д. Уотсон  и Ф. Крик предложили модель  молекулярной структуры ДНК и  механизма ее репликации.

То, что именно ДНК - носитель наследственной информации, выяснилось в середине 1940-х гг., когда  после перенесения ДНК одного штамма бактерий в другой в нем  стаи появляться бактерии штамма, чья  ДНК была взята.

Двадцатилетний  Уотсон, приехав из США В Кембридж в 1953 г., должен был заниматься изучением  структуры белка. Он подолгу беседовал  с Ф. Криком о появившихся только что улучшенных рентгенограммах  ДНК и правилах спаривания ее оснований. Им удалось расшифровать ДНК за несколько  недель.

Чуть позже  был открыт триплетный перекрывающийся (как азбука Морзе) генетический код, универсальный для всех организмов, и ядро стало пониматься как орган  управления, содержащий всю информацию о клетке.

Продолжая аналогию ДНК с книгой, можно сказать, что  аминокислота - это слово, то бактерия - книга, а человек - огромная энциклопедия.

В заключение несколько  слов о вирусах, которые в тысячу раз больше обычных молекул белка, не питаются и не растут, а воспроизводятся  только в клетке хозяина. Изучение их как раз хорошо демонстрирует  значение аппарата наследственности.

Вирус имеет  головку и спираль с хвостом. Спиральная пружина сжимается и, подобно игле, проталкивает хвост  внутрь клетки. Затем через трубку впрыскивается ДНК, и часто уже  через несколько минут клетка разрывается, освобождая сотню и  больше новых вирусных частиц, готовых  к заражению новых клеток.

Процесс заражения  сходен с государственным переворотом. Вирус как бы совершает революцию  в клетке.

Если в организме  нормально функционирует иммунная система, то зараженные клетки уничтожаются действующими в организме защитными  «клетками-полицейскими». Если же иммунная система ослаблена, (когда, скажем, человек  болен СПИДом), то нападение вирусов  приводит беззащитный организм к  гибели.