Дубнищева Т. Концепции современного естествознания. Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 11 ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ, СВОЙСТВА И УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ
11.1. Общая характеристика науки о живом и развитие традиционной биологии

Биология (от греч. bios— жизнь + logos— понятие, учение) — это наука о живом, его строении, формах активности, связях организмов с неживой природой и друг с другом, имеющая определенные объективные закономерности. Ее цель — познание феномена жизни. Биология занимается изучением различных видов живой природы и их взаимоотношений друг с другом и с внешней средой. Можно выделить три направления биологии, имеющих одну цель и один объект исследования: традиционная, или натуралистическая, физико-химическая и эволюционная. Это условное деление не связано с историей развития науки. Ведутся поиски объединительного начала для создания теоретической биологии, и весьма вероятно, что оно будет найдено с помощью системного подхода в рамках единого естествознания.
Базу накопления биологических знаний и аграрной культуры заложили приемы селекции, стимулированные становлением земледелия и скотоводства. Древние цивилизации накопили много сведений о растениях и животных, одомашнили овец, свиней, уток, крупный рогатый скот. В эпоху образования классов выделилась медицина, требующая специальных знаний и навыков, и изменилось отношение к самому человеку. Формировались традиции лечебного использования трав, цветов, отваров плодов, коры деревьев, минералов, животных жиров и пр. Совершенствовались хирургические приемы, массаж и иглоукалывание. Книдская школа испытывала влияние восточной медицины, часть ее трудов вошла в «Свод Гиппократа». Алкмеон Кротонский начал анатомировать трупы животных, описал зрительный нерв и развитие куриного эмбриона. Он считал мозг органом мышления и ощущений, изучал роль ведущих к нему нервов. Гиппократ отделял медико-биологические знания от магии, знахарства, колдовства и пр. Он считал жизнь единым процессом, выделяя роль среды и наследственности в возникновении болезней, а его ученик, Герофил, выше всего ставил наблюдения и опыт. Проводя в Александрии опыты по вивисекции над преступниками, он установил диагностическое значение пульса и различия между венозной и артериальной кровью. Изучив анатомию печени, глаза и других органов и сопоставив их с анатомией животных, Герофил внес большой вклад в создание терминологии. Прекрасным анатомом был К. Гален, но так как в Риме в то время вскрытие трупов было запрещено, он изучал анатомию животных, центральную и периферическую нервные системы.
415

Гален доказал, что артерии наполнены кровью, связывал с деятельностью спинного мозга процессы дыхания и сердцебиения. В практической медицине уделялось внимание фармакологии, действию растительных лекарственных препаратов. Уже тогда люди задумывались о том, как особенности живых организмов передаются потомкам.
Традиционная биология, соответствующая классической направленности познания, явилась во многом источником конкретных знаний о живой природе. Пока успехи физики, химии и техники не открыли возможности для ученых, она была описательной наукой о формах и видах растительного и животного царства. Совокупность растений называют флорой, а совокупность животных — фауной. Объект изучения традиционной биологии — живая природа в ее естественном состоянии. Э.Дарвин ввел даже отдельный термин «Храм природы», отражающий благоговение перед совершенством ее созданий и ее Создателем. В современное время вклад традиционной биологии в биологию и все естествознание растет, ведь она изучает нерасчлененную природу во всем многообразии связей.
Проявления жизни на Земле чрезвычайно многообразны, образуя ее живую оболочку. Первые живые организмы на Земле появились, по разным оценкам, 2 — 4 млн лет назад, а более 1 млрд лет назад растения и животные начали раздельное существование и развитие от единого предка. Между животными и растениями много и сходств, и отличий. Но растения и животные объединены во взаимозависимые сообщества, в которые помимо них входят производители, потребители и разрушители живой материи, а также некоторые компоненты неорганической природы. Для изучения такого огромного мира живой природы нужно произвести классификацию по каким-либо сходным группам. Этим занимается часть биологии, называемая систематикой, и ее значение трудно переоценить. На Земле идентифицировано почти 2 млн видов животных и растений, из которых большая часть уже вымерла, но есть еще не открытые.
Основы биологической классификации заложил еще Аристотель. Его учение о материи и форме основано на наблюдениях за живой природой. Организм — законченное целое, реализация формы. Каждая часть организма выполняет функцию, составляющую цель его существования. Вещества органов — это материя, а рост — реализация скрытых в ней возможностей. Аристотель исследовал строение более 500 животных, отметив общий план строения высших животных и описав их внешний вид, рассказал об их образе жизни, нравах. Вместе со своим учеником Теофастом он разделил животных на водные, земные и воздушные, а растения — на травы, деревья и кустарники. Такую классификацию называют естественной. Теофаста считают основоположником ботаники, он выделил однодольные и двудольные растения, от него пошли тер-
416

мины — плод, сердцевина, околоплодник. Аристотель высказывался о единстве живой природы и возможности ее развития, хотя отрицал эволюцию органического мира. Он одним из первых высказал догадку о существовании переходных форм между растениями и животными и ввел в биологию идею о расположении существ (от минералов до человека) на определенной шкале.
С упадком античной цивилизации отношение к природе и человеку изменилось. Христианство рассматривало тело человека только как ничтожную оболочку души, а к X —XI вв. латинская церковь ввела даже безбрачие. Арабский ученый Ибн Сина (Авиценна) искал причинные закономерности в мире природы. На Руси сведения о живой природе были обобщены в «Поучении Владимира Мономаха» (XI в.). Устами Фомы Аквинского церковь провозгласила: «Философия — служанка богословия». Расцветали магия, астрология, колдовство. Натурфилософию арабов, освоивших античные знания и соединивших их с достижениями индусской и китайской культуры, представляет Аверроэс. Альхазен, изучив физиологию зрения и строение глаза, строит ход лучей в нем. Английский мыслитель Р.Бэкон, знакомый с достижениями арабской оптики, советует людям со слабым зрением прикладывать чечевицу к глазам, пишет о камере обскуре. Бэкон выступил против схоластики и призвал не только к освоению античного наследия, но и к добыванию знаний через наблюдения и опыт. Но его труды стали известны лишь через столетие, а сам он был брошен в тюрьму. После упадка знаний в Средние века данные о растениях и животных были собраны в энциклопедии немецкого монаха Альберта Великого (XIII в.), но мир живой природы еще представал в качестве символов, выражающих идеи творца.
В эпоху Возрождения формировались стандарты, критерии и нормы изучения живой природы.
Реформация способствовала возрождению эллинских взглядов на бытие и природу человека, новая нравственность основывалась на развитии естественных свойств человека вне зависимости от религиозных убеждений. Поскольку человек — «венец творения», алхимия настроилась на поиск и изготовление лекарств; развивалась медицина; создавались «аптекарские сады», конезаводы и зоопарки. Леонардо да Винчи описал поведение птиц в полете, способ соединения костей суставами, деятельность сердца и зрительной функции глаза, открыл щитовидную железу. А. Везалий заложил основы научной анатомии, В. Гарвей открыл кровообращение, Дж. Борелли, описав механизмы движения животных, выделял большую роль нервов в осуществлении движения и заложил основы физиологии, а Дж. Майов сравнивал горение и дыхание.
Изобретение микроскопа дало сильнейший импульс развитию биологии. Биологические знания с XVII в. стремительно дифференцировались — последовательно выделялись анатомия, физиология, ботаника, зоология. А. Ван Левенгук обнаружил мир мик-
417

роорганизмов. В трудах Р. Гука, Н. Грю, Я. Гельмота и других ученых получила развитие анатомия растений, были открыты клеточный и тканевый уровень организации растений, сформулированы первые догадки о роли листьев и солнечного света в их питании. Совершенствование методов искусственного опыления закладывало предпосылки генетики. В XVII в. сложился своеобразный синтез анатомии и физиологии, предвосхищающий структурно-функциональный подход. Начинали формироваться научная методология и методики исследования органического мира. Накопленный материал требовал обобщения.
Первый этап натуралистической биологии завершился в XVIII в. созданием систем классификации животных и растений. В начале века английский биолог Дж. Рей описал более 18,6 тыс. видов растений, введя понятия род и вид. Он считал, что «один вид никогда не зарождается от семян другого вида», т.е. к одному виду относится группа сходных организмов, происходящих от сходных предков. Сходные признаки — строение рогов или копыт. Шведский ученый К. Линней уточнил понятие «вид», добавив способность «детям» давать плодовитое потомство. Он описал более 10 тыс. видов растений и более 4 тыс. видов животных, ввел терминологию и иерархический порядок описания видов и наименования — класс, отряд, род, вид. Так, класс включает несколько отрядов, отряд — несколько родов, род — несколько видов. В животном мире Линней выделил 6 классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, насекомые, черви). Эти группы он назвал таксонами. С той поры вид — важнейший таксон, хотя сначала в основу разграничения видов были положены морфологические различия — определенный план строения. Сам Линней считал эту классификацию поверхностной, но его бинарная номенклатура (вид, род) практически сохранилась. Вслед за бинарным обозначением вида (род и вид) обычно указывают первооткрывателя вида и год открытия.
При создании естественной классификации выявляли некое «сродство» растений, но организация живого долго не связывалась с зависимостью от истории его развития, так как считалось, что живой мир неизменен и создан Богом. К.Линней считал, что меняться могут только разновидности, а виды неизменны, поскольку «видов столько, сколько различных форм сотворила предвечная сущность». Ж. Бюффон изложил свою концепцию трансформизма (на уровне ограниченной изменчивости видов под влиянием окружающей среды) животного мира в своей «Естественной истории» — 36-томной энциклопедии.
После К.Линнея Ж.Кювье ввел понятие о типе животных и описал несколько типов. Ламарк выделил в природе тела организованные, живые и неорганизованные, неживые. В «Естественной истории растений» (1803) он обращал внимание на происхожде-
418

ние и выделение родственных групп растений. Отметив существование промежуточных разновидностей, сходство ряда черт у животных разных видов, изменение видовых форм при переходе в новые условия и изменения при окультуривании или одомашнивании, Ламарк распределил их по классам несколько иначе, чем Линней. Он разделил животных на позвоночных и беспозвоночных, выделил в отдельные классы паукообразных и кольчатых червей, обосновал идею о путях происхождения человека от обезьяноподобных предков (1809). Затем, после введения понятия «семейство», виды стали объединять в роды, роды — в семейства, семейства — в отряды, отряды — в классы, классы — в типы, типы — в царства. Немецкий ученый Э. Геккель разделил живой мир на царства — простаты, животные и растения. Затем таксоны «дифференцировались» — появились надцарства и подцарства и т. п. После работ Геккеля стали говорить и о генеалогических древах и стволах. Из одного ствола происходят классы, отряды, семейства, роды.
Так сходство строения и эволюционные связи постепенно входили в систематику мира живой природы. Для классификации существуют различные методы, сейчас широко применяют мо-лекулярно-генетические методы с использованием ЭВМ. В традиционной биологии противостоят целостный подход и редукционизм, соответствующие витализму и механицизму, а также телеология и механистический детерминизм. В настоящее время значение натуралистической биологии вновь возросло в связи с экологическими проблемами.
Физико-химическая биология включает в себя изучение тех же объектов живой природы, но с использованием физико-химических методов. В первой половине XIX в. эти методы стали использовать для изучения жизни (Г.Дэви, Ю.Либих), и физиология отделилась от анатомии; тогда же возникла бактериология, которая благодаря трудам Л.Пастера, Р.Коха, И.И.Мечникова впоследствии выросла в самостоятельную науку — микробиологию. В течение века сформировались смежные дисциплины — биохимия, а в конце — и биофизика. В 1865 г. появилась работа Г. Менделя «Опыт над растительными гибридами», в которой было установлено существование генов и сформулированы закономерности, относимые теперь к законам наследственности. После повторного их открытия в 1900 г. появилась и генетика. В 40—50-е гг. XX в. в качестве объектов стали использовать микроорганизмы, и поток новых знаний скачкообразно привел к изучению явлений жизни на молекулярном уровне. Возможности исследований существенно выросли после открытия нуклеиновых кислот, в частности де-зоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот, а также соединений, содержащих фосфорную кислоту (например, аденозинтрифосфат — АТФ), гормонов, ферментов, ви-
419

русов, биосинтеза белка и т.д. В 1944 г. была открыта генетическая роль ДНК, в 1953 г. — выяснена ее структура, в 1961 г. — расшифрован генетический код, в 2001 г. — расшифрован геном человека. Так происходило объединение молекулярной биологии и молекулярной генетики, называемое физико-химической биологией.
В своем большинстве биологические специализированные дисциплины развивались путем редукции (дробление сложных явлений на простые, в основе которых лежат физические и химические законы). Физико-химическими методами пользовались Л. Па-стер, И.М.Сеченов, И.П.Павлов, сумевшие проникнуть в суть многих процессов жизнедеятельности. Арсенал методов существенно расширился, обеспечив резкий взлет биологической науки. Ныне широко используют рентгеноструктурный анализ, метод меченых атомов, электронную микроскопию, спектральные и хроматогра-фические методы, различные зондирования, томографию и др.
Эволюционная биология активно развивается и выводит биологию на лидирующее положение в естествознании. И.Ламарк и Бюффон считали неорганическое вещество умершим, т.е. прошедшим через воздействие жизни. Ламарк отмечал важность длительности истории планеты для образования жизни (1809) и, утверждая связь организации живого и истории его развития, стал использовать эволюционный подход к классификации животного мира. Позже стали появляться и эволюционные идеи не только в систематике, но и в эмбриологии, созданной трудами К. Вольфа, К. Бэра и др. Переход от трасформизма к эволюционизму в биологии происходил в конце XVIII в. Во второй половине XIX в. благодаря Ч.Дарвину в биологию вошел исторический подход, который превращал биологию в науку, способную объяснять происхождение и функционирование многообразных живых систем. Идея естественного отбора как механизма, позволившего «отбраковывать ненужные формы» и образовывать новые виды, нанесла смертельный удар по телеологии в естествознании и утвердила рациональный смысл в биологии. Содержание эволюционной биологии стремительно расширяется. Этому способствуют знания, полученные в других научных дисциплинах. В последние годы наблюдается мощный всплеск построения и исследования самых разнообразных кибернетических моделей, используемых для постижения эффективно функционирующих живых организмов, формируется научная дисциплина — эволюционная кибернетика.
В настоящее время биология представлена комплексом биологических наук. Различие наук может быть по объектам исследования — вирусология, бактериология, ботаника, зоология, антропология. С позиции проявлений свойств живой материи различают морфологию (науку о функционировании организмов), молекулярную биологию (изучающую микроструктуру тканей и клеток), генетику (науку о законах наследственности и изменчивости), экологию
420

(науку о взаимосвязи растений и животных с окружающей средой). Уровень организации исследуемых объектов отражен в отдельных науках — анатомии (макростроение организмов), гистологии (строение тканей), цитологии (строение клеток). Использование методов смежных дисциплин привело к созданию физико-химической биологии, биофизики, биохимии, астробиологии и др.

11.2. Основные свойства живой материи

Биологический уровень организации материи очень сложен, его нельзя свести к закономерностям других естественных наук, и принципы живого нельзя вывести из принципов физики и химии. Существует несколько подходов к определению живого вещества.
1. Сторонники витализма — учения, основанного на при
знании наличия в организмах управляющей ими нематериальной
сверхъестественной силы («души»), считают жизнь явлением уни
кальным, которое невозможно объяснить физико-химическими
процессами. В основе такого взгляда — удивительная сложность
строения и целесообразность поведения живых организмов.
От древности идет представление об энтехелии, одушевляющей «грубую материю тела» и обеспечивающей организмам целенаправленное поведение. Древние египтяне и греки предполагали наличие нескольких «одушевляющих» начал, часть из которых продолжает существовать и после смерти тела. Долгое время люди считали, что эти начала обеспечивают «грубой материи тела» память, мышление и целенаправленные действия. Гомеостаз — одна из целенаправленных реакций, если считать поддержание механизма жизнедеятельности целью, тогда как внешние и внутренние силы этому противодействуют. Разные способы поддержания жизни у разных живых существ — это разные механизмы гомеостаза. Эволюция этих механизмов, направленная на большую независимость жизни от внешних условий, — это развитие организмов. Но объяснения особенностей живого через поиск цели остались достоянием истории науки, они равноценны объяснению: «Луна светит, чтобы освещать мне путь» или «Растения и животные существуют для того, чтобы обеспечивать нас пищей».
2. Представители редукционного подхода считают воз
можным использовать законы физики и химии для объяснения
процессов жизнедеятельности. Было проверено многократно, что
эти законы не нарушаются в биологических системах, но это не
означает, что все свойства живого могут быть ими описаны. Они,
наоборот, отрицают целенаправленность строения и поведения.
И гомеостаз — основу жизни — они объясняют на основе законов неживой природы. Так, терморегуляция теплокровных осуществляется по принципу обратной связи (выделение пота при по-
421

вышении температуры). Аналогом такого поведения считают управляемое радаром зенитное орудие. Согласно Н. Винеру, определенный тип целенаправленной деятельности обеспечивается контролируемым использованием и переработкой информации, поэтому не так важны детали этих перерабатывающих устройств. Сходство между человеком и машиной в этом отношении было отражено и в названии книги Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (1949), существенно изменившей мировоззрение.
Сторонники этого подхода изучают клеточное строение и функционирование организмов. Бактерии и синезеленые водоросли относят к протокариотам (от греч. protos— первый), так как их клетки не имеют оформленного ядра, а ДНК находится прямо в цитоплазме и не окружена мембраной. Зеленые растения, грибы, слизевики и животные относятся к группе эукариот (от греч. ей... — хорошо, полностью) и имеют ядро, т. е. их генетический материал окружен двойной мембраной и образует определенную клеточную структуру. Первые эукариоты, по-видимому, произошли от протокариот около 3 млрд лет назад, или в конце докембрийско-го периода.
Диаметр клетки бактерий около 10-6 м, поэтому их часто называют микробами. Они освоили самые разные среды обитания и широкий диапазон температур. Численность бактерий даже в очень небольшом объеме вещества очень высокая, например, в 1 г парного молока их более 3000 млн. Бактерии, как и грибы, разрушают органическое вещество и участвуют в круговороте веществ, играя особую роль в биосфере. Они важны для плодородия почв и в очистных сооружениях, участвуют в процессе пищеварения, применяются в производстве антибиотиков, используются с различными целями в биотехнологии и генной инженерии. ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми молекулами длиной около 10-3 м, каждая из молекул состоит примерно из 5 млн пар нуклеотидов, или нескольких тысяч генов (в 500 раз меньше, чем у человека).
3. Живая клетка — это элементарная организованная часть живой материи и сложная высокоупорядоченная система. Опытным путем установлено, что в ней непрерывно совершаются синтез крупных молекул из мелких и простых — анаболические (от греч. anabole— подъем) реакции, на которые затрачивается энергия, и их распад — катаболические (от греч. katabole— сбрасывание вниз) реакции. Совокупность этих реакций в клетке и есть процесс метаболизма. Для его поддержания необходим непрерывный приток энергии, и для живого более важна химическая форма энергии. Биологи часто выделяют основные наблюдаемые свойства, отличающие живое от неживого и отражающие специфику биологической формы движения материи.
422

Самовоспроизведение (репродукция) может производиться многократно, а генетическая информация о нем закодирована в молекулах ДНК. На молекулярном уровне самовоспроизведение происходит на основе матричного синтеза ДНК, программирующей синтез белков, которые определяют специфику организма, на других уровнях — огромным разнообразием форм и механизмов, вплоть до образования клеток. Именно разнообразие поддерживает существование видов, определяет специфику жизни.
Иерархичность организации отражает возможности системного подхода к пониманию строения и жизнедеятельности. Клетки как единицы организации специфически организованы в ткани, ткани — в органы, органы — в системы органов. Организмы сорганизованы в популяции, популяции — в биоценозы, а биоценозы — в биогеоценозы, являющиеся элементарными единицами биосферы.
На молекулярном уровне упорядоченность структуры приводит к образованию молекулярных и надмолекулярных структур, отличающихся упорядоченностью в пространстве и во времени. В отличие от объектов неживой природы упорядоченность живого происходит за счет внешней среды, в которой уровень упорядоченности снижается. И процессы, ведущие к упорядоченности живого, идут с локальным уменьшением энтропии. Живые системы в развитии способны к самоорганизации, упорядочиванию структур, росту разнообразия.
Регуляция процессов осуществляется в химических реакциях при помощи механизма обратной связи. В регуляции активности клеток принимают участие гормоны, обеспечивающие химическую регуляцию. Внутри клеток реакции синтеза и распада идут с участием ферментов, синтезируемых внутри самих клеток.
Рост организмов происходит путем увеличения их массы за счет размеров и числа клеток. Развитие представлено индивидуальным (онтогенезом) и историческим (филогенезом) развитием, и одинаково важны наследственность и изменчивость. Развитие, сопутствующее росту, проявляется в усложнении структуры и функций. В онтогенезе формируются признаки в процессе взаимодействия генотипа и среды. В филогенезе появляется большое разнообразие организмов и целесообразность. Эти процессы регулируются и подвержены генетическому контролю. В отличие от объектов неживой природы — кристаллов, которые растут, присоединяя новое вещество к поверхности, живые организмы растут за счет питания изнутри, причем живая протоплазма образуется при ассимиляции питательных веществ. Выживание вида или его бессмертие обеспечивается сохранением признаков родителей у потомства, возникшего путем размножения. Передаваемая следующему поколению информация закодирована в молекулах ДНК и РНК.
423

Гомеостаз (от греч. homoios— подобный, одинаковый + + stasis— неподвижность, состояние) заключается в том, что живые организмы, обитающие в непрерывно меняющихся внешних условиях, поддерживают постоянство своего химического состава и интенсивность течения всех физиологических процессов с помощью авторегуляционных механизмов, при этом сохраняется необходимая ритмичность в периодических изменениях интенсивности.
Обмен веществ и энергии обеспечивает гомеостаз и является условием поддержания жизни организма. Первоначально из внешней среды получается энергия в форме солнечного света, затем химическая энергия преобразуется в клетках для синтеза ее структурных компонент, осмотической работы по обеспечению транспорта веществ через мембрану и механической работы по передвижению организма и сокращению мышц.
Питание является источником энергии и веществ, необходимых для жизнедеятельности. Растения усваивают солнечную энергию и самостоятельно создают питательные вещества в процессе фотосинтеза. У грибов, животных (и человека), некоторых растений и большинства бактерий — гетеротрофное (от греч. heteros— другой + trophe— пища) питание: они расщепляют с помощью ферментов органические вещества и усваивают продукты расщепления. Выделение — это выведение из организма конечных продуктов обмена с окружающей средой. Общее свойство открытых систем — обмен энергией и веществом с внешней средой — имеет свои особенности.
С помощью дыхания высвобождается энергия высокоэнергетических соединений, которая запасается в молекулах АТФ, обнаруженных во всех живых клетках. Дыхание относится к процессам метаболизма (от греч. metabole— перемена, превращение), или обмена веществ и энергии.
Раздражимость — избирательная реакция живых существ на изменения внешней и внутренней среды, обеспечивающая стабильность жизнедеятельности. Так, расширение кровеносных сосудов кожи млекопитающих при повышении температуры среды ведет к рассеиванию теплоты в окружающее пространство и восстановлению оптимальной температуры тела. Раздражителями могут быть пища, механические воздействия, свет, звук, температура окружающей среды, яды, электрический ток, радиоактивность...
Подвижность, или способность к движению, свойственна и животным, и растениям, хотя скорости их существенно различаются. Многие одноклеточные могут двигаться с помощью особых органоидов. У многоклеточных к движению способны как клетки, так и органоиды в них. В животных организмах движение осуществляется путем сокращения мышц.
Асимметрия — созидательный и структурообразующий принцип жизни. Неживые системы работают по законам симмет-
424

рии. В классической физике имеют место законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, заряда и пр.), которые связаны со свойствами симметрии пространства и времени. В изолированных системах происходят обратимые процессы, т. е. имеет место симметрия между прошлым и будущим. Замкнутые системы самопроизвольно и необратимо стремятся к равновесию, процессы идут с ростом энтропии. Законы квантовой физики — проявление более глубоких симметрии. Все функционально важные биомолекулы асимметричны: белки состоят из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты содержат правовращающие сахара, закручена и сама молекула ДНК — двойная спираль. Все процессы происходят с учетом киральности, установлена даже функциональная асимметрия мозга человека. Живое — это открытая система, использующая для сохранения упорядоченности внешний поток энергии и вещества. Жизнь связана с непрерывным нарушением симметрии в отличие от неживых систем.
Дискретность и ц е л о с т н о с т ь — два фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Нуклеиновые кислоты и белки — целостные соединения, но в то же время дискретны, так как состоят из нуклеотидов и аминокислот. Репликация ДНК — целостный непрерывный процесс, но она дискретна во времени и пространстве, так как в ней участвуют различные ферменты и генетические структуры. Живые объекты в природе относительно обособлены (особи, популяции, виды). Любая особь состоит из клеток, а клетка и одноклеточные существа — из отдельных орга-нелл. Органеллы состоят из дискретных, высокомолекулярных, органических веществ, которые, в свою очередь, состоят из дискретных атомов, а те — из элементарных частиц. Все эти части и структуры находятся в сложных взаимодействиях, и целостность живой системы отличается от целостности неживой тем, что она поддерживается в процессе развития. И среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Жизнь на Земле проявляется в дискретных формах, причем все формы и части образуют структурно-функциональное единство.
В определении понятия «жизнь» к 80-м гг. XX в. сложилось две позиции. Функциональный подход объединял сторонников представлений об организме как о своеобразном «черном ящике» (с неизвестной внутренней структурой или с не особенно важной), своеобразие которого заключается в наличии «управляющих процессов» передачи информации. Лидеры этого подхода — математики А. А. Ляпунов и А. Н. Колмогоров — использовали средства высшей математики в определении специфики жизни, они рассматривали гомеостатические процессы. Их больше интересовали процессы преобразования информации, и они допускали возможность и небелковых форм жизни. Сторонники другого, субстанционального, подхода признавали ключевым наличие
425

определенных субстанций и определенных ее структур. К лидерам этого подхода относился и Опарин, для которого важнейшим было признание наличия обмена веществ, и выдающийся советский биолог В. А.Энгельгардт. Они считали, что изучение проблемы жизни должно основываться на данных химии, а не математики. В организации живого все указанные свойства проявляются на всех уровнях. Но каждый из них имеет и свои особенности.

11.3. Уровни организации живой природы на Земле

Проявления жизни чрезвычайно разнообразны. Структурные уровни организации живой материи отражают критерий масштабности мира живой природы. Вслед за известным генетиком И.В.Тимофеевым-Ресовским выделим четыре уровня организации живой материи: молекулярно-генетический, онтогенетический, популяционно-видовой и биогеоценозный. При этом критериями должны быть элементарные структуры и явления, которые проявляются на данном уровне. Деление живой материи на уровни весьма условно, но отражает системный подход в изучении природы.
1.  Молекулярный, или молекулярно-генетиче
ский, уровень — предмет молекулярной биологии и генетики.
Рождение этих наук отражает интеграционные процессы в есте
ствознании. В них изучаются механизмы передачи генной инфор
мации, проблемы генной инженерии и биотехнологий. Любая
живая система проявляется на уровне взаимодействия молекул.
Основные структуры — коды наследственной информации — представлены молекулами ДНК. Они разделены по длине на элементы кода — триплеты азотистых оснований (гены). Элементарные явления — процессы передачи информации внутриклеточным управляющим системам и связанные с генами мутации. Основные управляющие системы используют матричный принцип, т. е. служат матрицами, рядом с которыми строятся соответствующие макромолекулы. Матрицей при синтезе белков в клетках служит заложенный в структуре нуклеиновых кислот определенный код. Знание этого уровня обеспечивает понимание процессов и на других уровнях.
Было показано, что живое вещество обладает способностью к саморегуляции, поддерживающей жизнедеятельность и препятствующей неуправляемому распаду структур и веществ и рассеянию энергии, тогда как мертвое органическое вещество подвержено самопроизвольному распаду. В то же время организму присущи свойства, отличные от свойств составляющих его частей.
2.  Онтогенетический уровень — следующий уровень
организации жизни, на котором изучается организм как целост-
426

ная сложная саморегулирующая система, способная самостоятельно существовать. Внутри него выделяют организменный и орган-но-тканевый подуровни, отражающие признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живой материи. Онтогенез — процесс реализации наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке. Проверяется согласованность ее с работой управляющих систем особи в пространстве и времени жизни на Земле. Этот термин ввел Э.Геккель (1866) для рассмотрения структурной и функциональной организации отдельных организмов.
Особь, индивид — элементарная неделимая единица жизни на Земле. Элементарной структурой является клетка — структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех организмов. Клеточный, субклеточный подуровни отражают процессы специализации клеток и внутриклеточных внедрений. Процессы в самой клетке происходят в специализированных органоидах. Живая клетка — это сложная высокоупорядоченная система. Установлено, что в клетке непрерывно совершается синтез крупных молекул из мелких и простых (анаболические реакции, на которые тратится энергия) и их распад (катаболичес-кие реакции). Совокупность их в клетке есть процесс метаболизма. Особи, изучаемые на этом уровне, не существуют абсолютно изолированно в природе, они объединены на более высоком уровне организации — на уровне популяции.
3. Популяционн о-в и д о в о й — следующий уровень организации жизни на Земле — образуется, когда относящиеся к одному виду особи сходны по структуре, имеют одинаковый карио-тип (от греч. каrуоп — орех, ядро ореха; здесь — ядро клетки) и единое происхождение, способны к скрещиванию и дают плодовитое потомство. Популяция — совокупность особей одного вида, занимающих одну территорию и обменивающихся генетическим материалом. Популяция — часть вида, т.е. все составляющие ее особи принадлежат к одному виду. Она более однородна по составу, поскольку между ее особями происходит непрерывный обмен генами. Популяция — элементарная единица в современной теории эволюции. Элементарное явление — мутация. На популяцию могут оказывать давление и вызывать ее изменение мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор. При нарушении изоляции между различными популяциями происходит скрещивание или обмен генами. Этот уровень важен при определении численности популяций и эволюции живого.
Вид — генетически замкнутая система. Поскольку между видами не может быть скрещивания, то возникшая мутация не выйдет за пределы вида. Организмы, обитающие на изолированных островах, образуют подвид, иногда подвид образуют группы популяций.
427

Число видов на Земле пытались подсчитать многие ученые. Генетик Т.Добржанский насчитал (1953) 1 млн видов животных, 265,5 тыс. видов растений (по современным оценкам, видов животных — от 1,5 до 2 млн, видов растений — около 500 тыс.). Среди животных 75 % приходится на долю членистоногих, но не все виды еще открыты, позвоночных — менее 4%, из них 1/2 составляют виды рыб, а млекопитающих — еще на порядок меньше. Из 3500 видов млекопитающих 2500 составляют грызуны. В растительном мире около 150 тыс. видов покрытосеменных (цветковых) растений, развившихся из голосеменных (семенных папоротников или близких к ним растений). Часть папоротников вымерла. К голосеменным относятся и хвойные растения, которые вместе с покрытосеменными — деревьями, кустарниками, травами — образуют растительный покров Земли. Водоросли (14 тыс.) идут после грибов (70 тыс.) и мхов (15 тыс.). Такое распределение численности видов на Земле сформировалось путем длительной эволюции. Из соотношения сухопутных (93 %) и водных (7 %) видов можно заключить, что возможность видообразования на суше была выше, чем в воде, и выход на сушу, носивший выборочный характер, открыл перспективы прогрессивной эволюции. Попутно отметим, что на суше преобладают растения, в воде — животные.
Обратимся к соотношениям их общих масс видов живой природы, или биомасс. Мировой океан занимает около 70,8 % земной поверхности, но его биомасса — всего 0,13% суммарной массы живых организмов. Масса живого вещества сосредоточена в основном в сухопутных растениях. Организмов, не способных к синтезу, менее 1 %, хотя по числу видов они составляют 1/5 всех организмов. На 79 % видов животных приходится 1 % всей биомассы Земли. Отсюда: чем выше уровень видовой дифференциации, тем меньше соответствующая ему биомасса, и наоборот.
4. Биогеоценозный уровень — следующий уровень структуры живой материи. Популяции разных видов, населяющие участок земной поверхности или водоем с определенными природно-климатическими условиями (среда обитания, или геоценоз), и связанное с ними сообщество растений, животных и микроорганизмов образуют неразделимый взаимообусловленный (с динамичными обратными связями) комплекс — биоценоз. Это понятие ввел В.Н.Сукачев (1940). Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов. Биогеоценоз автономен и саморегулируем, поэтому является элементарной единицей этого уровня и служит средой для входящих в него популяций.
Биомы — крупнейшие наземные сообщества, тесно связанные с определенными природными зонами и поясами. Растения и животные существуют в тесной зависимости от окружающей неживой природы и от других организмов, испытывают на себе их
428

воздействие и приспосабливаются к ним. В процессе исторического развития и естественного отбора на Земле под влиянием конкретных природных факторов сложились различные группы организмов — сообщества, взаимодействующие со своей средой обитания. Вместе с конкретными участками поверхности, занимаемыми биоценозами, и прилегающей атмосферой они называются экосистемой. По определению А.Тенсли, экосистема — взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергии. Изучением взаимоотношений совместно живущих организмов и их зависимости от внешней среды занимается отрасль биологии — экология. Этот термин предложил в 1866 г. немецкий биолог-эволюционист Э. Геккель, сторонник и пропагандист учения Дарвина.
Совокупность биогеоценозов составляет земную биосферу, они связаны круговоротом вещества и энергии. В этом круговороте жизнь выступает ведущим фактором. И биогеоценоз — открытая система, имеющая энергетические «входы» и «выходы», которые связывают соседние биогеоценозы.
Биосфера — самый высокий подуровень организации жизни на Земле (термин введен в 1875 г. Э.Зюссом). Эта область активной жизни охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов, включая человека, является геохимическим фактором планетарного масштаба и значения. Он выделял в биосфере живое, косное (солнечная энергия, почва и т.д.) и биокосное (органическое) вещества. На уровне биосферы решается такая глобальная проблема, как изменение концентрации углекислого газа в атмосфере. Установлено, что она растет на 0,4 % в год, что создает опасность «парникового эффекта». Рациональное использование природы не мыслимо без знания структуры и функционирования биогеоценозов.

11.4. Молекулярно-генетический уровень организации живой материи. Строение и структура макромолекул белков

Молекулярный уровень в организации живой материи — самый глубинный. В XX в. экспериментальная биология вышла на этот уровень. На нем начинаются и осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности: дыхание, обмен веществ и энергии, кодирование и передача наследственной информации и др. На молекулярном уровне теперь исследуются и проблемы происхождения жизни, и эволюция, и механизмы преобразования энергии. На этом уровне происходят химические реакции, обеспечивающие энергией клеточный уровень.
429

Знание закономерностей молекулярно-генетического уровня живой материи — необходимая предпосылка понимания всех жизненных процессов. Молекулярный уровень представлен молекулами белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и стероидов. Хотя в состав живого входят 24 химических элемента, основными являются кислород (65%), углерод (18%), водород (10%) и азот (3 %). Из этих четырех элементов в основном образуются молекулы, формирующие сложные органические соединения с разным строением и функциями. На долю остальных элементов приходится 3—4 %, но они также важны для жизни. Так, хотя йода в организме всего 0,01 %, при его недостатке нарушается деятельность щитовидной железы, развиваются болезни, ограничивающие рост и развитие организма. Кроме того, в состав живого входят простые неорганические соединения — вода (в теле человека занимает 60%), соли, образованные катионами калия, натрия, магния и других металлов, а также анионами угольной, соляной, фосфорной и серной кислот.
При диссоциации их в воде появляются соответствующие катионы и анионы, обеспечивающие многие важные процессы. Биомолекулы синтезируются из таких простых молекул, как вода, окись углерода и атмосферный азот. Уникальные свойства молекул углерода и воды представлены в гл. 7 —8. В процентном отношении к сырой массе вода занимает 75 — 85 %, белки — 10 — 20 %, липиды — 1 — 5 %, углеводы — 0,2 —2 %, нуклеиновые кислоты — 1 — 2%. Такой состав живого не случаен — жизнь зародилась в океанах, и потому живые организмы построены из элементов, образующих растворимые в воде соединения.
В процессе метаболизма эти молекулы через промежуточные соединения превращаются в строительные блоки — большие макромолекулы. Большинство таких соединений в живых клетках представлены нуклеиновыми кислотами и белками, их макромолекулы — полимерами (соединения мономеров в строго определенном порядке). Мономеры имеют в одном соединении одинаковые группировки, которые соединены химическими связями.
Нуклеотиды, сахара и аминокислоты — одни из самых маленьких биомолекул. Белки существенно больше и разнообразнее. С помощью специальных приборов и методов их умеют различать, отделять друг от друга, концентрировать и изучать по отдельности. Диаметр молекулы гемоглобина человека, например, составляет 6,5 нм. Все макромолекулы универсальны, так как построены по одному плану, и уникальны, так как неповторима их структура. Например, в состав белков входят аминокислоты, расположенные в определенном порядке, что делает их уникальными и обеспечивает их специфические биологические свойства. Белки — структурные элементы живых клеток, регулирующие процессы метаболизма и играющие роль катализаторов во многих
430

важных процессах жизнедеятельности. Углеводы и липиды являются источниками энергии, а стероидные гормоны регулируют некоторые процессы обмена веществ.
Белки — основа жизни животных и растительных клеток. Они выполняют различные функции. В обмене веществ участвуют белки, называемые ферментами, которые могут ускорять реакции в сотни тысяч раз; известно более 1000 ферментов, и каждый из них действует сугубо избирательно — только на определенную реакцию, не затрагивая иные. Белки выполняют строительную функцию, когда входят в состав мембран и органоидов клетки. Белки, попадающие с пищей в организм, расщепляются в процессе пищеварения до аминокислот, в том числе и незаменимых, а потом при попадании в клетки вновь строятся в структуры. Движение организма обеспечивают в мышечных волокнах белки миозин и актин, транспортную — гемоглобин (доставляет кислород). Многие гормоны — тоже белки (гормон поджелудочной железы — инсулин — активизирует захват молекул глюкозы и по необходимости либо запасает их внутри клетки, либо расщепляет их). Гормоны управляют деятельностью ферментов. Есть и резервные белки, предназначенные для питания плода или для выработки защитных белков — антител. Они распознают чужеродный белок возбудителя заболеваний, связываются с ним и подавляют его активность. Белки выполняют защитную функцию, обеспечивая свертывание крови, входят в состав иммунной системы. Они служат и источниками энергии: при распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж. При недостатке жиров или углеводов аминокислоты могут окислиться с выделением энергии. Огромное разнообразие живого определяется различиями в составе белков.
Белки — это сложнейшие органические соединения, состоящие из мономеров — аминокислот. В клетках и тканях — свыше 170 аминокислот, но в состав белков входят только 20 из них. Из элементов помимо углерода, кислорода, водорода и азота в некоторых белках содержится еще и сера. Белки — большие молекулы, нерегулярные полимеры, в которых аминокислоты «нанизаны, как бусинки, на нить» (их может быть до 1000). Все макромолекулы — цепи более мелких единиц, причем описать последовательность аминокислот, каждая из которых имеет свое название и обозначается одной из 20 букв алфавита, это значит и описать белок. Разные белки образуются при соединении аминокислот в разной последовательности, составить которую из 1000 по 20 можно огромным числом способов. И каждое такое распределение — определенный белок. Растения могут синтезировать все аминокислоты из более простых веществ, а животные — только часть. Оставшиеся аминокислоты, называемые «незаменимыми», организм животного должен получать с пищей.
431

У каждой аминокислоты есть карбоксильная группа (—СООН) и аминогруппа (—NH2), присоединенные к одному атому углерода. К нему присоединена и одна из многих возможных белковых групп, которыми и отличаются все 20 аминокислот. Обычно это бесцветные кристаллические вещества, растворимые в воде, но не растворимые в органических растворителях. В нейтральных водных растворах они ведут себя как амфотерные соединения (проявляют свойства и кислот, и оснований) и существуют в виде биполярных ионов. Потому аминокислоты препятствуют в растворах изменению кислотности: при увеличении рН они — доноры положительных ионов водорода, при понижении — акцепторы. Каждая аминокислота характеризуется своим значением рН, при которой она электрически нейтральна (в E-поле не перемещается ни к аноду, ни к катоду). Мономеры принято обозначать какой-либо буквой латинского алфавита, поэтому полимер представляется длинным сочетанием букв.
Биополимерами являются не только белки, но и полисахариды, и нуклеиновые кислоты. Строение молекул (число и разнообразие различных звеньев, их порядок расположения) во многом определяет их свойства. При этом часто бывает, что какая-то группа мономеров периодически повторяется, такой полимер называют регулярным. Но есть и нерегулярные полимеры.
Полипептид — длинная цепь, содержащая от 100 до 300 аминокислот, связанных пептидной связью. Молекулы гемоглобина, например, состоят из четырех полипептидных цепей, включающих по 145 аминокислот каждая. Для правильного функционирования такие цепи должны быть скручены и определенным образом ориентированы в пространстве. Полимерную цепь в растворе заставляет самопроизвольно скручиваться второе начало термодинамики. Белки функционируют в водном растворе, их скрученность противодействовала бы их точности и специфичности действия, поэтому они все время флуктуируют, и в них происходят повороты вокруг разных связей. Но эта внутренняя свобода является ограниченной и структура белков строго упорядочена.
Возможные структуры белковых цепей изучили с помощью рентгеноструктурного анализа. Полинг и Корн установили, что имеется несколько устойчивых конфигураций, и прежде всего форма а-спирали. В водном растворе группы NH- и СО-пептидных связей соединяются между собой, причем первое звено цепи соединено водородной связью с пятым, а второе — с шестым и т.д., поэтому и а-спираль устойчива в водном растворе. Между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот устанавливается ионная связь, между атомами, несущими частично положительные и частично отрицательные заряды, — водородная связь, между атомами серы и двумя молекулами аминокислоты цистеина — ковалентная связь. Неполярные боко-
432

вые цепи стремятся объединиться друг с другом и не раствориться в воде, образуя гидрофобное объединение. Таким образом, при расправлении этой определенной цепи она вновь скрутится единственным, присущим только ей образом. Если заменить хотя бы один атом или одну аминокислоту в полипептиде, получится молекула с другой структурой и другими свойствами.
Образование структуры — это уменьшение энтропии, тогда как вне белковой структуры энтропия должна скомпенсировать это локальное уменьшение и возрасти. При образовании водородной связи выделяемая энергия рассеивается. Водородная связь возникает между пептидными связями цепи: —N—Н---О—С, и она определяет вторичную структуру белка. Так, в молекуле гемоглобина четыре цепи, каждая из которых обвивается вокруг атома железа. Точное повторение ее формы в миллиардах молекул указывает упорядоченность. Кроме а-спирали, были установлены и другие устойчивые конфигурации (например, р-форма белка), их относят ко вторичной структуре белка. Не вся спираль закручивается, некоторые ее части не влезают, например пролин, и тогда структура прерывается неупорядоченными участками.
433

При выполнении определенных функций спираль изгибается, сворачивается и образует глобулу (третичную структуру) (рис. 11.1). При этом основную роль играет кулоновское взаимодействие между электрическими зарядами частей цепи, а также установление водородной связи между пептидными группами разных частей спирали. Спираль изгибается, часть энергии выделяется в окружающее пространство, и маловероятно, чтобы эта энергия вновь вернулась. Пример тому — денатурация белка при варке яйца, когда разрушаются все возникшие структуры. При образовании глобулы важную роль играет гидрофобное взаимодействие частей цепей. Аминокислотные остатки содержат массивные углеводородные части, которые ведут себя подобно капелькам масла в воде. Образуются окружающие молекулы «ловушки», создается структура, и энтропия локально уменьшается. Естественное направление процессов оказывается таким, что маслоподобные части молекул оказываются скрытыми от воды в глубинах структур белка, а водоподобные обращаются к воде, растворителю. Так возникает подстройка специфической формы молекулы.
Изучают глобулы методами рентгеноструктурного анализа. Эти работы начал Дж. Бернал, разработавший классификацию структур белков. Если четыре белковые нити — глобулы (каждая с характерной третичной структурой) объединяются вместе, энтропия мира несколько возрастает из-за выделившейся энергии и из-за того, что гидрофобные части укрывают друг друга в глубине молекулы. Они слипаются, как капельки масла, и молекулам воды не приходится расставлять много «ловушек». За счет этого возникает и четвертичная структура. Так стремление мира к беспорядку, хаосу прижимает белковые нити друг к другу.
Итак, последние три типа структур обусловлены ростом энтропии во Вселенной и локальным уменьшением энтропии. Может быть, этим же обусловлен и первичный порядок расположения аминокислот, но при создании первичной структуры важно и образование цепи при копировании ее в результате сложных химических реакций. Они регулируются специальными белками, ферментами, а весь процесс в целом называется биосинтезом белка.
Простейшая животная клетка содержит всего 5000 различных видов белков. Одни похожи на волокна и служат материалом для клеточных стенок, перегородок и мембран; другие настолько гибки, что скручиваются в клубки, очень активны и способны перемещаться, из них состоит почти все студнеобразное пространство клеток. Это — активные глобулярные белки, которые могут участвовать в химических реакциях, обеспечивающих рост.
Оптическая активность живого была открыта Л. Пастером. Все аминокислоты, входящие в белки, оказались вращающими влево плоскость поляризации, тогда как молекулы неорганических веществ построены симметрично, а в нуклеиновых
434

кислотах — только правовращающие сахара. Пастер связал это с молекулярной хиральностью (от греч. cheir — рука), или асимметрией правого и левого: поскольку живое возникло из неживого, то симметричное должно потерять симметрию, что могло случиться под влиянием каких-либо космических факторов. Но эта гипотеза пока не подтверждена. Выходит, предбиологическая среда потеряла первичную симметрию. Опыты последних лет показали, что только в хирально чистых растворах могут возникнуть биологически значимое удлинение цепочки полинуклеотидов и процесс саморепликации. Живые системы организованы так, что mРНК из правых Сахаров присоединяют к себе только левые аминокислоты. Все живые системы поддерживают хиральную чистоту.

11.5. Установление строения и структуры молекул ДНК и РНК

Важнейшие полимеры — молекулы ДНК и РНК — состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. Как белки состоят из последовательно соединенных аминокислот, так и нуклеиновые кислоты — из последовательно связанных между собой нуклеотидов.
Эти полинуклеотиды впервые выделил швейцарский врач Ф.Мишер (1868); он назвал это вещество нуклеином, затем немецкий химик Р. Альтман предложил название — нуклеиновая кислота, так как это вещество проявляет кислотные свойства, обнаруживаемые преимущественно в клеточном ядре. Мишер не знал, какое важное открытие он сделал, но писал об этом так: «Обрабатывая клетки гноя слабыми щелочными растворами, я получил в результате нейтрализации раствора осадок, который не растворялся ни в воде, ни в уксусной кислоте, ни в разведенной соляной кислоте, ни в обычном солевом растворе и который не мог принадлежать ни к одному из белков, известных в настоящее время».
Сотрудник Мишера А. Коссель обнаружил, что в состав нуклеиновых кислот входят пуриновые (А, Г) и пиримидиновые основания (Ц, Т) и простейшие углеводы; он выделил аденин (А) и гуанин (Г), фосфорную кислоту и углеводы. Если в построении белка участвует 20 аминокислот, то нуклеотидов — всего 4 (хотя сами они — достаточно сложные образования). К началу 1900 г. в лаборатории П.Левина (США) расшифровали углеводную часть кислот. У всех живых существ молекулы ДНК и РНК построены по одному плану, каждый нуклеотид состоит их трех компонентов, соединенных химическими связями: из одной молекулы фосфорной кислоты, одной молекулы сахара и одной молекулы органического основания. Их фосфатные группы освобождают в растворах ионы водорода. Сахар может быть в двух вариантах: рибоза (Р), представляющая сахар с пятью атомами углерода, к одному
435

из которых присоединена гидроксильная группа (—ОН), и дезок-сирибоза (Д), в молекуле которой в отличие от глюкозы не 6, а 5 атомов углерода (пентоза) и к одному из атомов углерода присоединен атом водорода. При этом они никогда не встречаются одновременно, поэтому этим сахарам соответствуют два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Сначала думали, что они тоже разобщены в клетках: ДНК — в ядре, а РНК — вне его. Теперь ясно, что ДНК находится в основном в ядре (хромосомах), а частично — в других клеточных компонентах (например, хлоропла-стах зеленых растений). РНК содержится как в цитоплазме, так и в ядрышке. Кроме того, иногда временно цепь ДНК соединяется с цепью РНК.
Основания — другой компонент нуклеотида — названы так, потому что реагируют как основания: в кислой среде способны присоединять ион водорода. Они тоже могут относиться к двум группам: пиримидинов, в основе строения которых — шестичлен-ное кольцо (рис. 11.2, а), и пиринов, у которых к пиримидиново-му присоединено пятичленное кольцо (рис. 11.2, б). В ДНК входят два пурина (А, Г) и два пиримидина (Ц, Т), а в РНК — только три: А, Г и Ц, а вместо тимина — другой пиримидин — урацил (У), т.е. в составе каждой из нуклеиновых кислот находится по 4 основания. В ДНК последовательно соединены дезоксирибонуклеотиды, каждый из которых содержит какое-то из четырех оснований (А, Ц, Г, Т), а РНК — рибонуклеотиды, содержащие тоже по одному основанию (А, Ц, Г, У). Все молекулы имеют форму цепи (от 77 до нескольких миллионов нуклеотидов).
У.Астбери, автор термина «молекулярная биология», вместе с Ф. Беллом получил рентгенограммы ДНК (1938). Они показали, что азотистые основания располагаются одно за другим, построенные как пластинки. В 1948 г. английский химик-органик А.Тодд, подробно изучая структуру ДНК, выяснил, как связываются между собой четыре азотистых основания с пятиатомным кольцом сахара рибозы или дезоксирибозы и молекулой фосфорной кислоты. Нуклеотиды — не только составная часть нуклеиновых кислот, они входят в состав ферментов в качестве активных групп — коферментов (так Тодд назвал комплекс азотного основания, углевода и остатка фосфорной кислоты). Блоки А, Г, Т, Ц образуют длинную полимерную цепь, соединяясь друг с другом в разных комбинациях.
436

Американский биохимик Э.Чаргафф сформулировал (1948) правила регулярности в парных отношениях пуриновых и пиримидиновых оснований в молекулах нуклеиновых кислот: 1 — общее количество гуанина и аденина (из группы пуринов Г и А) равно количеству цитизина и тимина (из группы пиримидинов Ц и Т), т.е. А + Г = Т + Ц; 2 — отношения А/Т и Г/Ц примерно равны единице, т.е. А = Т и Ц = Г; 3) — при этом Г + Т = А + Ц; 4 — ДНК из разных источников может иметь отличия — в одних случаях А + Т>Г + Ц, ав других — Г + Ц>А + Т. Эти правила явились предтечей открытия двойной спирали ДНК.
Для молекулы ДНК тоже характерна структура трех видов — первичная, вторичная и третичная. Первичная структура ДНК состоит из нуклеотидных цепей, у которых скелетную основу составляют чередующиеся сахарные и фосфатные группы, соединенные ковалентными связями, а боковые части представлены одним из четырех оснований и присоединяются одна к другой молекулой сахара. Нуклеотиды расположены друг за другом и связаны ковалентно с фосфатом и сахарным остатком, образуя по-линуклеотидную цепь.
Вторичная структура была сформулирована Д.Уотсоном и Ф. Криком. Две идущие рядом нити, скрепленные одна с другой перемычками и свившиеся в двойную спираль, и есть молекула ДНК. Обе нити одинаковы по длине, остатки пар А—Т и Г—Ц разделены одинаковыми расстояниями. Двойная спираль имеет упорядоченный характер, так как каждая связь основание — сахар находится на одинаковом расстоянии от оси спирали и повернута на 36°, причем в каждой из них в зависимости от вида ДНК могут быть до миллионов блоков — нуклеотидов. Порядок их чередования определяет наследственную информацию, записанную в ДНК и передаваемую следующим поколениям. Первое предположение о роли нуклеиновых кислот в качестве генетического материала сформулировал доцент Петербургского университета А. Щепотьев (1914). Химики понимали, что ДНК собрана из нуклеотидов, имеющих фосфатную группу, связанную ковалентно с пятиуглеродным сахаром, который связан с одним из четырех азотистых оснований. Нуклеотиды соединены друг с другом так, чтобы фосфатная группа одного была связана с сахаром предыдущего, и из их чередующихся комбинаций образуется длинная цепочка — сахарофосфатный остов молекулы. По одну сторону под прямым углом к остову располагаются основания.
Молекула ДНК оказалась закручена в спираль: снаружи спирали — остов, а внутри — перпендикулярные ему основания. На один виток спирали приходилось примерно по десять нуклеотидов, а ее толщина указывала, что скручено более одной нити. Итак, вторичная структура отражает форму нуклеиновой кислоты. Степень скручивания ДНК зависит от ферментов.
437

Р.Франклин исследовала на фотопленке пятна от рентгеновского излучения, рассеянного кристаллами очищенной ДНК (1952). В обсуждении результатов принимал активное участие и физик М.Уилкинс, работавший в той же лаборатории. Полученные рентгенограммы стимулировали многих ученых к поиску модели структуры ДНК. История открытия структуры ДНК описана американским биохимиком Дж. Уотсоном в его книге «Двойная спираль» (1968). В 1951 г. Уотсон встретился в Копенгагене с Уилкинсом и ознакомился с рентгенограммами ДНК. Руководитель Уилкинса Сальвадор-Лурия договорился о стажировке Уотсона в Кавендишской лаборатории, где работала группа ученых, занимавшихся рен-тгеноструктурным анализом сложных биомолекул и сравнивавших свои модели с опытными данными, полученными на первых, весьма несовершенных ЭВМ. В Кембридже Уотсон познакомился с Криком, физиком, переквалифицировавшимся в биохимика, и узнал, что структурные формулы химиков были далеки от совершенства.
Уотсон и Крик, разобравшись в структуре пуринов (А, Г) и пиримидинов (Т, Ц), решили, что они должны быть связаны между собой. Для объяснения правила Чаргаффа ДНК должна состоять из двух цепей, которые должны закручиваться так, чтобы сохранялись определенные углы между разными группами атомов. И возникла двойная спираль, в которой пурины и пиримидины выстроены по типу ступенек лестницы: «перекладины» — основания, «веревки» — сахарофосфатные остовы.
Каждая перекладина образована из двух оснований: А и Т или Г и Ц, что и объясняет правило Чаргаффа. Так как в каждой паре есть одно основание с одним кольцом и одно — с двумя, величина перекладин одинаковая, и остовы цепей находятся на одном расстоянии. Основания присоединены к двум противоположным цепям, удерживаемым водородными связями между основаниями. Поскольку звеньями цепи являются пары Ц с Г и А с Т, удобнее использовать образ лестницы, составленной из ступенек-пар ЦГ, ГЦ, ТА и AT, следующих в определенном порядке. Из-за закрученности в спираль молекула похожа на винтовую лестницу со ступеньками из пар нуклеотидов.
В живых клетках цепи очень длинные, содержат до 108 пар в ряд и свиты в плотный клубок. У человека длина такой винтовой лестницы в размотанном состоянии достигает нескольких метров, и это одна молекула! Отсюда — огромность числа возможных вариантов расположения молекул в ДНК. И это разнообразие связано с разнообразием жизни, а расположение четырех типов пар в молекуле ДНК задает всю программу, говорит клетке, как ей развиваться и что делать.
Диаметр двойной спирали 2 • 10-9 м (2 нм), расстояние между соседними парами оснований спирали 0,34 • 10-9 м (0,34 нм), полный оборот спирали завершается через 10 пар, а длина зависит от организма, которому принадлежит эта молекула ДНК. Длина плодовой мушки (дрозофилы) 4 • 10-3 м, а самой длинной ее хромосомы — в 10 раз больше. У простейших вирусов ДНК содержит несколько тысяч звеньев, у бактерий — несколько миллионов, а у высших — миллиарды. Если выстроить в одну линию молекулы
438

ДНК, заключенные в одной клетке человека, то получится длина в 2 м, т. е. длина в миллиард раз больше толщины. Но она умещается в клеточном ядре, значит, ее «укладка» такова, чтобы по всей длине она была доступна для белков, которым нужно «читать» гены. Основания, соединенные слабой водородной связью, взаимно дополняют друг друга, и каждая цепь автоматически поставляет информацию для нахождения партнера. В эукариотичес-ких клетках основные части ДНК и белков сплетены так, что напоминают нить бус. Каждая такая «бусинка» окружена четырьмя ядерными блоками и содержит около 200 сдвоенных оснований, а «нить» состоит из ДНК и ядерного белка (гистона), отличного от того, что входил в состав «бусинок».
О расшифровке структуры ДНК сообщалось в статье Уотсона и Крика, занявшей всего две странички в журнале, но открывшей новую эпоху в раскрытии тайны жизни. В публикации (1953) Крик и Уотсон отметили, что такая структура хорошо объясняет и процесс «воспроизводства» этой молекулы. При рассоединении цепей возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда около каждой старой возникнет новая цепь, точно ей соответствующая. Так впервые пришли к структуре, способной к самовоспроизведению. Число два удовлетворило биологов, поскольку и клетки, и хромосомы воспроизводятся путем деления исходной на две.
Третичная структура ДНК, определяемая трехмерной пространственной конфигурацией молекул, пока изучена недостаточно.
Исследования показали, что ДНК может существовать в двух формах: А (при низкой влажности) и В (при высокой). Для обеих форм построили молекулярные модели. Из дифракционных картин волокон ДНК информацию получить было достаточно трудно, так как у цепи ДНК вдоль оси расположены волокна беспорядочно, но была подтверждена ее спиральная структура. К настоящему времени исследователи научились синтезировать в необходимом количестве и получать в достаточно чистом виде короткие участки ДНК заданной последовательности, что позволяет закристаллизовать фрагменты молекулы длиной от 4 до 24 пар оснований и исследовать эти кристаллы с помощью рентгеноструктурного анализа. Исследования дали действительную похожесть обеих форм на гибкую лестницу, закрученную спирально вокруг центральной оси.

11.6. Молекулярные механизмы генетической репродукции, синтеза белка и изменчивости

Предпосылкой учения о наследственности и изменчивости явилось в некоторой степени создание клеточной теории. Идея единства живой природы нашла выражение в морфо-
439

логическом строении, в нахождении универсальной единицы структурной организации живой материи. И стали считать, что процесс образования клеток тоже должен регулироваться единым механизмом, скрывающим тайну наследственности и изменчивости.
Дискретный характер наследственности установил О.Сажрэ. Исследуя отдельные признаки скрещивающихся при гибридизации растений (тыквы), он отметил, что признаки распределяются между потомками неравно. Чешский ученый Г.Мендель стал исследовать наследственные свойства у растений при гибридизации, выделяя отдельные признаки. Некоторые свойства переходили непосредственно, а другие были рецессивными, появляясь через поколение. Так он пришел в 1865 г. к открытию двух законов — доминирования и расщепления признаков, а затем и третьего — закона независимого комбинирования. При формулировке своих законов Мендель применил вариационно-статистический метод: он дал количественные определения явления наследственности и обобщил материал в количественном отношении. Эта смесь ботаники с математикой противоречила понятиям того времени. Его законы опередили время почти на 40 лет. Каждому из наследуемых признаков он сопоставил материальную частичку живого, передаваемую из поколения в поколение, — ген.
Сначала Мендель скрещивал организмы, отличающиеся только одним признаком (моногибридное скрещивание) — горошины желтого и зеленого цветов. В первом поколении получил только желтые горошины, т.е. желтый цвет доминировал. Когда он скрестил два гетерозиготных растения первого поколения, то во втором поколении получил уже и зеленые горошины в соотношении 3:1. Затем он установил, что эти законы относятся и к другим признакам (к форме семян, к цвету цветков и др.).
Законы Менделя были «переоткрыты» в 1900 г., когда Г.де Фриз в Голландии, К. Корренс в Германии и Э. Чермак в Австрии проводили независимые исследования по делению клеток. Они оставили приоритет за Менделем. Тогда же было установлено, что хромосомы находятся внутри клеточного ядра. Основой новой науки — генетики — стал ген, элементарная единица наследственности. Общее количество генов в больших организмах огромно — несколько миллиардов, они входят в состав всех клеток организма. Биохимическую основу гена составляют нуклеиновые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и фосфор.
Генетика изучает наследственность и изменчивость организмов; признаки и свойства, передающиеся по наследству, фиксируются в генах — участках хромосомы (или молекулы ДНК). После работ одного из ее основоположников В. Иогансена сложилась терминология генетики.
440

Ген — участок хромосомы (или молекулы ДНК), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака или синтез одной белковой молекулы. Гены, расположенные в одних и тех же местах хромосом и отвечающие за развитие одного признака, назвали аллельными. Поэтому доминирование — явление, при котором доминантный ген полностью подавляет проявление другого гена аллели, называемого рецессивным. Но бывает и неполное доминирование. Расщепление — это появление в потомстве нескольких групп фенотипов и генотипов. Если расщепления при скрещивании не наблюдается, то это чистая линия. Если два ал-лельных гена не оказывают влияния друг на друга, проявляясь в гетерозиготных организмах в полной мере, это — кодоминиро-вание.
Генофонд — совокупность всех вариантов каждой из аллелей, характерная для популяции или вида в целом. Геном — совокупность всех генов организма. Генотип — это совокупность всех взаимодействующих генов организма. Фенотип — совокупность всех признаков организма.
Хромосома — самостоятельная структура, которая имеет плечи и центромеру и включающая две хроматиды. В хромосоме расположены в линейном порядке гены. Это — структурная единица ядра клетки, содержащая ДНК, в которой заключена вся наследственная информация организма. Процесс самоудвоения и распределение хромосомы по дочерним клеткам при клеточном делении обеспечивает передачу наследственных признаков организма следующему поколению. Совокупность хромосом в каждой клетке организма создает хромосомный набор. Такой набор постоянен и характерен для данного организма. В половых клетках каждая хромосома встречается один раз, а в большинстве соматических клеток большинства видов имеется двойной набор хромосом.
Переход от белковой к нуклеиновой трактовке природы гена произошел в конце 40-х гг. Но еще в 1928 г. Н. Н. Кольцов предположил, что при размножении клеток происходит матричная ауто-репродукция материнских молекул. В 1936 г. А. Н. Белозерский получил из растения тимонуклеиновую кислоту, вьщеляемую ранее только в животных организмах. Так было доказано на молекулярном уровне единство растительного и животного миров.
Гены — элементарные единицы на молекулярно-генетическом уровне организации. Еще до открытия многих молекулярных составляющих биологи поняли, изучая передачу наследственных признаков при скрещивании, что каждый признак определен отдельной частичкой — геном. Потом установили, что гены находятся в клеточном ядре, в хромосомах. В цепях РНК и ДНК каждые три, следующие друг за другом основания составляют триплет. Основные структуры, содержащие коды наследственной информации, представлены молекулами ДНК, состоящими из це-
441

почки элементов кода — триплетов азотистых основании, которые образуют гены. По модели Уотсона—Крика, в молекуле ДНК генетическую информацию несет последовательность расположения оснований: А, Т, Г, Ц. Но как могут 4 основания кодировать порядок расположения в молекулах белка 20 аминокислот? Г. Га-мов предложил для кодирования одной аминокислоты использовать сочетания из трех нуклеотидов ДНК. Для триплетов, учитывая, что оснований всего 4, это число составит 43 = 64.
Подсчет возможных сочетаний из четырех букв показывает, что сочетания по две буквы обеспечивают лишь 16 возможностей, а из трех — сразу 64. И только сочетания из трех букв обеспечат построение 20 аминокислот. Поэтому и наименьшая длина «слова», определяющего ту или иную аминокислоту, — это три нук-леотида. В 1961 г. эта гипотеза Гамова была подтверждена, и расшифровали механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков.
Каждый триплет управляет включением в белок определенной аминокислоты. Наивысшее число возможных триплетов (64) может достигаться лишь в том случае, когда последовательности нуклеотидов или оснований считываются только в одном направлении (мононуклеотиды отличаются только основаниями, так как сахар в нуклеиновой кислоте каждого типа и фосфорная кислота во всех нуклеиновых кислотах одинаковы). Поэтому последовательность нуклеотидов определена только последовательностью оснований. Поскольку названия оснований начинаются с разных букв, то используют только начальные буквы. В РНК содержатся А, Ц, Г, У, а в ДНК — А, Ц, Г, Т. Например, триплет ГАУ кодирует аспара-гиновую кислоту; триплет ГЦУ — аминокислоту аланин; триплет ЦЦУ — пролин. Значит, последовательность ГАУ— ГЦУ—ЦЦУ соответствует «приказу» клетке строить белок по схеме: аспараги-новая кислота — аланин—пролин. И последовательность оснований включает информацию о последовательности аминокислот. Она — источник информации и в то же время «негатив», или искомая «матрица». Порядок чередования аминокислот определен последовательностью триплетов. Эта элементарная единица наследственного материала была названа кодоном.
Соответствие последовательностей кодонов и аминокислот носит коллинеарный характер. И синтез белков протекает в соответствии с информацией, заключенной в последовательности кодонов. Группа из трех стоящих подряд нуклеотидов, действуя через довольно сложный механизм, заставляет рибосому — внутриклеточную частицу, отвечающую за синтез белков, подхватывать из цитоплазмы определенную аминокислоту; следующие три нуклеотида через посредников «диктуют» рибосоме, какую именно аминокислоту поставить в цепочку белка на следующее место, и так получается молекула белка. Так что информации, записан-
442

ной в ДНК тройками пар нуклеотидов, достаточно для построения нового организма со всеми его особенностями.
Из 64 возможных триплетов для кодирования аминокислот достаточно только 20 (в белках 20 аминокислот). Значит, оставшиеся 44 являются «запасными», и каждая аминокислота закодирована несколькими кодонами.
Репликация молекулы ДНК происходит поэтапно: разрываются водородные связи между цепями, и они разделяются; разматываются полинуклеотидные цепи; синтез вдоль каждой из цепей новой цепи с комплементарной последовательностью азотистых оснований (рис. 11.3). Разделение и разматывание начинаются с одного конца молекулы, продолжаются в направлении к другому концу, сопровождаясь одновременным синтезом новых цепей. В результате каждая новая молекула ДНК состоит из одной старой цепи и одной новой, комплементарной старой. Этот способ был опробован, и механизм репликации молекулы доказан опытами М.Месельсона и Ф.Сталя (1958).
В основе комплементарности лежит свойство нуклеотидов спариваться при помощи своих оснований: А с Т, Ц с Г — в ДНК; АсУиЦсГ — в РНК. И молекуле РНК, состоящей, к примеру, из 146 кодонов, будет соответствовать 146 определенных антико-донов. ДНК часто сравнивают с застежкой «молния», как расстегивается молния, так и расходятся цепи ДНК.
Синтез белков производится в цитоплазме под контролем ДНК. В нем принимают участие молекулы трех видов рибонуклеиновой кислоты (рис. 11.4). Транспортная — тРНК — соединяется с активированными аминокислотами. Активация происходит за счет энергии, вырабатываемой митохондриями; информационная — иРНК — передает от молекул ДНК, находящихся в хромосомах, генетическую информацию о составе белка в рибосомы цитоплазмы; рибосомная — рРНК — входит в состав рибосом. Так реализуется тесная взаимосвязь между биохимическими процессами в ци-

443

топлазме и ядре. Процесс синтеза осуществляют рибосомы. Предварительно на каждом гене в виде молекулы РНК синтезируется его копия. Эти копии, упакованные определенным образом, вытекают из ядра через поры его оболочки, попадают в цитоплазму, где и соединяются с рибосомами, прикрепленными к канальцам ЭПС. Как только к ним приблизятся молекулы РНК, несущие информацию от генов, начинается синтез ферментов. Готовые ферменты уплывают в цитоплазму и делают свою работу.
444

После открытия роли ДНК и механизма синтеза белков стало ясно, что ген — это участок цепочки ДНК, на котором записано строение молекулы определенного белка. В одних генах 800 пар нуклеотидов, а в других — около миллиона.
Если нуклеотиды соединены в ДНК в произвольной последовательности, то они обладают аутокатализом. При помещении таких молекул в раствор всех четырех оснований, находящихся в соответствующем количественном соотношении, молекулы начинают в точно такой же последовательности, как в них самих, пристраивать основания, а потом отделять от себя готовые цепочки, т.е. самоудваиваться. Если не произойдет мутации, все копии будут похожи на оригинал. Если последовательность нуклеотидов была случайной, то никакой наследственной информации она не содержала, несмотря на способность удваиваться. Ген, выступая в роли катализатора, может ускорить или замедлить некоторые химические процессы вокруг себя. Большие преимущества получают такие структуры ДНК, которые в своем окружении могут увеличить концентрацию веществ, необходимых для размножения. При этом в «первичной» молекуле ДНК возникнут отрезки, образующие гены, каждый из которых стимулирует (или подавляет) образование необходимых для удвоения (или мешающих размножению) ДНК соединений, и молекула становится носителем генетической информации, которая содержится в наборе генов, контролирующих синтез соединений и обеспечивающих удвоение ДНК при определенных условиях. Происходит формирование оболочек, отделяющих участок ДНК и создаваемых генами структур, которые способствуют синтезу копий самой ДНК, как подчеркивает А. Балбоянц в книге «Молекулы, динамика и жизнь» (1990). Изменения самих генов влияют на другие структуры организма, что обеспечивает эволюцию. И генетическая информация, или совокупность генов, регулирует целенаправленную деятельность любой живой клетки через последовательность расположения оснований, т.е. генетическая информация записана в ДНК определенной последовательностью оснований.
Проблема генной активности, раскрывающая особенности функционирования на молекулярном уровне, решена Ф. Жакобом и Ж. Моно (1960). Они разделили гены на гены-регуляторы (кодируют структуру белка) и структурные гены (синтез ферментов). В дальнейшем оказалось, что синтез ферментов напрямую зависит от состояния генной активности. Под действием жесткого излучения синтез ферментов прекращается. Значит, основная функция генов — кодирование белка.
В более сложных системах протекают более масштабные процессы, но в цепях сигнализации, образуемых ферментативными реакциями, тоже есть механизмы обратной связи, и за последнее десятилетие многие из них были расшифрованы. При этом «узна-
445

Рис. 11.5. Процесс транскрипции: синтез РНК на ДНК-матрице
вание» клеток происходит через мембраны. «Если измельчить до клеток живую губку и поместить их во вращающийся сосуд, то образуется скопление, подобное чаинкам в стакане чая, помешанном ложкой. И в таком скоплении клетки вновь объединяются, губка воссоздается!» — отмечает Волькенштейн. После работ Жакоба и Моно выяснилось, что регуляторами генов могут быть гистоны — белки, которые ранее считали упаковочным материалом для ДНК (рис. 11.5). В клеточном ядре они объединяются с длинными цепями ДНК, содержащими гены, образуя хроматин, из которого построены хромосомы. Будучи положительно заряженными, гистоны представляются чем-то вроде «шпульки», на которую плотно наматывается отрицательно заряженная цепь ДНК, умещаясь в ядре клетки. Установлено, что гистоны способны подавлять или ускорять транскрипцию. К началу 90-х гг. выяснили, что многие регуляторные белки соединяются попарно, что необходимо для связывания с ДНК. Есть гипотеза, что это соединение определяет, в каких клетках какой ген будет работать, а в каких — нет. «Зубчики», как в застежке «молния», соединяя молекулы ре-гуляторных белков друг с другом, почти всегда состоят из остатков аминокислоты лейцина. Кроме этого «молниевого» механизма был открыт и другой — типа «спираль—петля—спираль».
Знания по регулировке работы генов были получены в основном на отдельных генах и не давали цельной картины регулировки генома как единого целого.
В настоящее время бурно развивается техника биочипов — маленьких пластинок, на которые с помощью прецизионных приборов наносят микроскопические количества фрагментов ДНК в тысячи точек на строго определенных расстояниях. Такой биочип может содержать, например, 19 тыс. генов червячка нематоды — червячка длиной 1 мм, у которого в конце 1998 г. удалось полностью прочитать весь геном. Нематода состоит всего из 959 клеток, из них 30 % — нервные, и можно следить за поведением и судьбой буквально каждой клетки! Эта работа продолжа-
446

лась 8 лет при темпе 1 млн пар нуклеотидов за год двумя центрами по сто ученых в каждом. Оказалось, что гены сосредоточены плотнее в центре хромосом, что только у 7 тыс. генов можно установить их функции, а 12 тыс. остались молчащими. У дрожжей, относящихся к одноклеточным грибам, геном (впервые!) был расшифрован в 1997 г. — у половины генов была неизвестна функция. Значения этих расшифровок генома уже многоклеточного (нематоды) — это не только полигон для расшифровки генома человека. Сейчас известно более 20 геномов бактерий, и их можно сравнить с другими геномами! У человека только в 5 раз больше генов, чем у нематоды, поэтому 20 % генов будут известны, и их поиск будет облегчен. Это поможет понять и смысл «молчащих» генов нематоды. Кроме того, гены червячка легко изменять (мутировать) и наблюдать за изменением структуры гена и свойств организма.
Науку о наследственности вывело на молекулярный уровень открытие микробиологами О.Эвери, К. Мак-Леодом и М.Мак-Карти трасфомирующей активности свободной молекулы ДНК: она может переносить свойства одного организма к другому (1944). Рождение молекулярной генетики связано с еще одним открытием (1941). Опыты Дж. Бидла и Э.Тэйтума установили прямую связь между состоянием генов, входящих в ДНК, и синтезом ферментов (белков). Отсюда выражение «один ген — один белок». Вскоре выяснили, что кодирование белка — основная функция генов.
Геномная программа уже доказала сейчас свое выдающееся значение для развития знаний о жизни в целом. Пионерами в расшифровке генома человека были Дж. Уотсон (США) и А. А. Баев (СССР). В клетках человека, как известно, 46 хромосом, длина генома достигает 2 м и состоит из 3 млрд нуклеотидных пар.
За последнее десятилетие стало ясно, что секвенирование генома в столь гигантском масштабе могло быть получено только индустриальными методами. Для картирования генома, начального этапа, были разработаны специальные техники. Например, собраны коллекции клеток, в которых удалены разные небольшие фрагменты каждой из хромосом, или искусственные дрожжевые хромосомы, содержащие огромные фрагменты хромосом человека, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (клонировать) фрагменты ДНК человека. Эти техники позволили построить детальную карту генома человека, которая в конце 1998 г. содержала более 30 тыс. маркеров. Для программы расшифровки генома за основу взяли методы, разработанные в США Гилбертом и Сэнглером. В разработке этих методов принимали участие и наши соотечественники — ученые РАН — А. Д. Мирзабеков, С. К. Василенко, Е. Д. Свердлов. Суть метода Сэн-гера в том, что молекулу ДНК с помощью специальной обработки ферментами не только расщепляют на фрагменты, но «расплетают» ее спираль на две нити. Потом по каждому из полученных
447

отрывков, состоящих из отдельных нитей нуклеотидов, с помощью специальных химических «затравок» восстанавливают недостающую нить нуклеотидов. Ее синтез обрывают на разных нукле-отидах, так получается набор цепей ДНК с меняющейся длиной. На концах их отмечают какой-то меткой, чтобы легче обнаружить. Если ранее считали, что у человека генов около 90 тыс., то теперь это число колеблется между 30 тыс. и 40 тыс.
В феврале 2001 г. были опубликованы почти полные нуклеотид-ные последовательности ДНК человека. Теперь задача — понять функции тех генов, о которых узнали. Те 32 тыс. известных генов составляют 5 % генома. А для чего нужны остальные участки — пока непонятно. Но обращает на себя внимание закономерность — у бактерии «бессмысленных» участков вовсе нет, у дрожжей — почти нет, т. е. по мере повышения уровня организации организма накапливается все больше такой некодирующей ДНК. Возможно, они — «склад запчастей» или испорченные гены, погибшие из-за мутаций, или молекулярное «кладбище древнейших вирусов», заразивших когда-то предков человека. Кроме того, в геноме много и повторяющихся участков. Оказалось, что по геному человек мало отличается от мыши — различия в структуре генов всего на 10—15%, а от шимпанзе отличий почти нет. Этот вывод сделан, конечно, по отдельным изученным участкам.
На молекулярно-генетическом уровне существует несколько механизмов изменчивости. Важен сам механизм преобразования генов, происходящий в хромосоме при сильном воздействии. При мутации генов оказалось, что порядок их расположения в хромосоме сохраняется. Процесс образования мутаций в пространстве и во времени называют мутагенезом.
Впервые мутации еще в 1901 г. описал голландский ученый Г.Де Фриз, построивший и основы теории мутаций. Организмы, обладающие свойствами, находимыми в природе, называют диким типом; им соответствуют наборы генов, которые являются природными. Такие организмы служат эталоном, с которым сравнивают мутантные организмы или мутантные гены. Мутации возникают на стадии индивидуального развития организмов и поражают гены и хромосомы во всех типах клеток и на всех стадиях клеточного цикла. Поэтому мутации по типу клеток делят на генеративные, происходящие в половых клетках, и соматические. Последние будут сохраняться только в этих клетках (у животных и человека), а у растений (из-за возможности вегетативного размножения) они могут выйти за пределы этих клеток.
Мутации генов — основные поставщики материала для прямого действия естественного отбора. Иной механизм — это рекомбинация генов, т. е. создание новых комбинаций генов в конкретной хромосоме. Если в одной из соматических клеток организма произошла мутация, т.е. наследуемое изменение в молекулах ДНК,
448

изменяются не только наследственные признаки клетки, но и части организма, которые образуются из ее потомков. Если мутации произойдут в половых клетках, то наследственные признаки передадутся потомкам. Мутации могут быть вызваны разными факторами, например излучениями, вызывающими разрывы или повреждения каких-либо участков ДНК, так что могут быть выведены из строя целые участки хромосом. Некоторые химические вещества, вступающие в химические реакции с нуклеотидами, тоже могут быть включены в ДНК, и эта ошибка передастся потомкам. Сами гены не меняются, но перемещаются вдоль хромосомы, или происходит обмен генами между разными хромосомами. Этот процесс происходит при половом процессе у высших животных. Возможна и неклассическая рекомбинация генов, когда увеличивается генетическая информация и в геном включаются новые генетические элементы (трансмиссионные). Этот механизм был открыт при явлении трансдукции (от лат. — перемещение) генов (П. Ледерберг и Н. Циндер, 1952). Перенос молекул ДНК здесь осуществляется так же, как в составе вирусов бактерий. Этот вид рекомбинации был детально изучен, выделено несколько типов трансмиссионных генов. Они отличались структурой генома и способом связывания с клеткой хозяина. Одни из самых активных — плазмиды (двухцепочечные кольцевые ДНК), вызывающие привыкание к лекарствам после длительного употребления (рис. 11.6). Такие мигрирующие генетические элементы вызывают мутации генов в хромосомах. На создании рекомбинантных молекул основывается генная инженерия. Ее цель — создать новые формы живых организмов с заданными свойствами.

449

Т.Морган начал (1909) в Колумбийском университете эксперименты с помощью существа, которое могло быстро размножаться в ограниченном пространстве и при малых затратах — плодовой мушки дрозофилы. Изучая распределение наследственных признаков у мушки, он установил, что гены находятся в хромосомах и есть три группы генов, наследуемых как единое целое. Он назвал это явление сцеплением генов. В клетках мушки — три большие хромосомы и еще одна небольшая, которую через несколько лет Меллер связал с найденной им четвертой группой генов. Морган выявил линейное расположение генов в хромосоме, а Н.К.Кольцов соединил с этим открытием идею кристаллизации. Так Кольцов пришел к своей матричной концепции. Морган установил, что в следующих поколениях гены, принадлежащие к одной группе, оказывались в разных группах, т.е. между хромосомами происходит обмен генетическим материалом. Это — эффект кроссинговера (он видел в микроскоп, как две хромосомы сближались и скрещивались, обмениваясь фрагментами).
Морган представил гены упорядоченными по длине хромосом наподобие бусинок в ожерелье. Так он пришел к идее создания генетических карт, в основу которых положено уменьшение вероятности разрыва связи между генами с увеличением расстояния между ними. Впоследствии была введена единица «моргай» для оценки кроссинговера (1 морган = 1 % эффекта). Но мутации в его исследованиях составляли весьма малую долю. С 1934 по 1937 г. Меллер работал в СССР с Н. И. Вавиловым и другими биологами. Он привез из США бесценную коллекцию мутантных линий дрозофилы в подарок Кольцову, что способствовало успехам советской генетики в 20 — 30-х гг. Меллер установил, что число мутаций увеличивается с ростом температуры. В 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов подвергли рентгеновскому облучению дрожжи, положив начало радиобиологии. Меллер тоже стал использовать это облучение, повысив частоту мутаций в 1000 раз. В 30-е гг. радиобиология развивалась быстрыми темпами. В 1935 г. в Москве был получен размер гена дрозофилы.
Современный уровень знаний в области биохимии позволяет не только понять и проследить эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Методами генной инженерии можно внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. В 70-е гг. появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза. В руки ученых попали «молекулярные ножницы». Транспортным средством переноса генетической информации в клетку стал вирус. Явление трансдукции — переноса генов из одной клетки в другую с помощью вирусов изучали еще с 50-х гг. Но вирус не должен был сразу уничтожать всю клетку, поэтому не все вирусы подходили для этой роли. Известно, что бактериальные клетки могут обмениваться генетическим матери-
450

алом при помощи плазмид (небольших частиц с фрагментами ДНК). Поэтому введение нужного гена в плазмиду позволяет в дальнейшем перенести этот ген в бактерию (это еще один из механизмов транспорта в генной инженерии).

Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомби-
нантная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного организма внедряется в клетки другого. В качестве последнего используются клетки организма, который размножается много быстрее первого, например бактерии. Так, в 80-е гг. были разработаны интерфероны — белки, способные подавлять размножение вирусов. Были выбраны наиболее подходящие для переноса гены и мобильные участки ДНК. Например, культурным растениям вводят гены, повышающие их иммунитет и устойчивость. В 1983 г. Барбара Макклинток при изучении генетики кукурузы обнаружила в ее геноме один «подвижный» ген, отвечающий за цвет початка. Независимо от нее подвижные гены были открыты методами молекулярной генетики советским ученым Г. П. Георгиевым. В 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как научились управлять неживой. Но подобное сверхтонкое вмешательство в самые сокровенные тайны живой природы слишком опасно, да и готов ли по своим моральным качествам к подобному управлению живым миром сам человек?!

Специализация клеток, как известно, связана с блокировкой части генов в клетке, и при этом важно влияние соседних клеток. Если выделить одну клетку и освободить ее от влияния соседних, подобрав питательную среду, эта клетка будет вести себя как зародышевая. Даже если она взята из любой ткани, из нее может вырасти весь организм, поскольку блокировка части генов теперь снята. Так работа генов регулируется соседними клетками через химическую сигнализацию. Такие опыты были поставлены на растениях, и английский биолог Гордон создал искусственных двойников лягушки, доказав регулирующую роль цитоплазмы, определяющей активность генов. Опыты, подтверждающие единство генетических программ во всех клетках одного организма, легли в основу клонирования, создания генетических двойников. Когда будут выяснены механизмы активации и репрессии генов, легче будет понять, чем вызывается нарушение регулирования внутриклеточных процессов, приводящее к какой-либо болезни (типа рака). Итак, жизнь зависит от точности передачи информации (рис. 11.7). «Сообщение», которое несет молекула ДНК, передается молекуле РНК и считывается в рибосоме, где происходит процесс сборки белка в соответствии с информацией, содержащейся в гене.

11.7. Молекулярный механизм процессов обмена веществ и энергии

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность изменений и превращений вещества и энергии в организмах, обеспечивающих их рост, развитие, жизнедеятельность, самовоспроизведение и самосохранение. Процесс метаболизма — это непрерывно протекающие реакции потребления и усвоения поступающих веществ,
452

превращения их в собственное тело организма (ассимиляции), а также противоположные реакции — разрушения некоторых веществ (диссимиляции). Ассимиляция может быть автотрофной (фотосинтез у зеленых растений) и гетеротрофной (пищеварение у животных). При химическом разложении молекул выделяется энергия, скрытая в форме химических связей в исходном соединении, и становится доступной для живой клетки. Примеры диссимиляции — дыхание, брожение. Пищеварение включает в себя процессы расщепления. Реакции между органическими соединениями идут очень медленно. В живой клетке выработались ускорители реакций — ферменты: биологические катализаторы, присутствующие во всех клетках и имеющие белковую природу. Их активность зависит от условий окружающей среды, определенной рН, и отсутствия ингибиторов. Они не изменяются и не расходуются в ходе реакций, как и катализаторы. Огромна их производительность — одна молекула фермента может за 1 мин разложить до 5 млн молекул субстрата — вещества, на которое действует фермент.
Для каждого вида организмов генетически закреплен свой тип обмена веществ, зависящий от условий существования. Его интенсивность и направленность обеспечиваются регуляцией проницаемости биомембран и синтеза и активности ферментов гормонами, координируемыми центральной нервной системой. Ферменты применяют в сельском хозяйстве, пищевой и легкой промышленности, медицине.
Фермент воздействует только на одно изменение; обозначают его путем прибавления к названию субстрата окончания «-аза». Так, фермент, разлагающий сахарозу, — сахароза. Если отмечается активность фермента в определенной реакции (гликолиза, например), его называют сахароза -гидролаза. Ферменты, отщепляющие водород, — дегидрогеназы. Они действуют лишь на свой субстрат — есть дегидрогеназа молочной кислоты, дегидрогеназа янтарной кислоты и пр. Сверхспециализированные ферменты расщепляют только один из двух стереоизомеров, например молочной кислоты — L- и D-формы, которые отличаются направлением вращения плоскости поляризации. Но есть и не столь избирательные ферменты. Например, липазы — ферменты, образующиеся в поджелудочной железе, разлагают почти все жиры на глицерин и жирные кислоты.
Ферменты должны обеспечить узнавание своего субстрата, присоединение к нему и химическое его преобразование. Эти функции выполняют две разные части большой молекулы фермента. Кофермент — это низкомолекулярная часть (витамин или ион металла типа меди и молибдена). Например, многие дегидрогеназы использует одинаковые вещества в качестве коферментов: амид никотиновой кислоты (витамин В) и фосфорную кислоту. У ферментов, отщепляющих С02, коферментом служит тиаминпиро-
453

фосфат — витамин В1 а у ферментов, отщепляющих аминогруппы (NH2), — витамин В2. Именно коферменты отвечают за специфичность действия. В зависимости от собственного строения они способны химически изменять присоединенный субстрат, это их функция. Другая часть фермента — апофермент. Эта белковая часть выбирает субстрат и соединяет его с коферментом. Апофермент определяет специфичность субстрата. Только при соединении вместе эти две части приобретают ферментальную активность.
Гомеостаз (постоянство внутренней среды организма) обеспечивается метаболизмом. Обмен веществ осуществляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. В живой клетке постоянно происходит непрерывное движение веществ через ее оболочку — мембрану. Значительное количество энергии высвобождается и при фотосинтезе.
Выяснение механизмов превращения энергии в биосистемах — одно из больших достижений науки в XX в. Стало понятно, как солнечная энергия преобразуется в специальных пигментных структурах растений в энергию химических связей, как превращаются вещества в процессах брожения и гликолиза (окисление углеводов без кислорода), как происходит внутриклеточное дыхание — перенос электронов в митохондриях от коферментов к кислороду.
В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезируется из АДФ и Н3Р04 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе, брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концентрации ионов и сокращения мышц до синтеза белка. Углеродные остовы для синтеза метаболитов поставляет процесс распада ли-пидов (рис. 11.8).
Открытие этих общих для всех организмов биохимических процессов, осуществленное усилиями исследователей во многих лабораториях мира (в Германии — О.Мейергоф, К.Ломан, Ф.Липман; в СССР — В.А.Энгельгардт, М.Н.Любимова, В.А.Белицер, Я.О.Парнас и др.), стало возможным благодаря применению в биологии идей термодинамики. В. А. Энгельгардт сформулировал принцип механохимических преобразований энергии непосредственно на макромолекулах ферментов. В 1961 г. английский биохимик П. Митчелл выдвинул гипотезу хемиоосмотического сопряжения, обратив внимание на возможность синтеза АТФ за счет энергии электрохимического потенциала (из-за неравновесной концентрации ионов по разные стороны биологических мембран) и прямого электрохимического преобразования энергии.
Обменные процессы в неживой природе характеризуются круговоротом веществ, цикличностью. В круговорот втянуты все геосферы, в них происходят процессы переноса веществ, меняющие их локальную концентрацию. С появлением жиз-
454

Рис. 11.8. Распад липидов, поставляющий углеродные скелеты для синтеза сахарозы и пр. (часть реакций происходит в глиоксисомах, а часть — в митохондриях и цитоплазме)
ни в обменные процессы, происходящие в неживой природе, стали втягиваться и процессы биосферы, которая представляет единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. В обменных процессах, происходящих в неживой природе, нельзя выделить взаимосвязанных процессов ассимиляции и диссимиляции. Хотя все эти процессы происходят циклически во всех геосферах, они не направлены на цели роста, самосохранения, воспроизводства, адаптации и других характеристик, свойственных живым организмам. Согласно концепции Вернадского, «миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород, углекислый газ, водород и др.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Землю в течение всей геологической истории».
Структурную основу метаболизма обеспечивает клеточный матрице, определяющий пространственное размещение молекулярных компонентов клетки, занятых в процессе жизнедеятельности. Среди клеточных органелл особую роль играют хлоропласты клеток зеленых растений и митохондрии любых организмов. В хлоро-пластах происходит связывание энергии солнечного света в процессе фотосинтеза. В митохондриях же извлекается энергия,
455

заключенная в химических связях поступающих в клетку питательных веществ.
Функция клеточных органелл — митохондрий — была долгое время неясна. Они на 85 % состоят из воды, как и целые клетки, а их сухое вещество — из белка и липидов. Митохондрии богаты элементарными мембранами, состоящими из бимолекулярной липидной пленки, покрытой с двух сторон белковой пленкой. На внутренней поверхности мембраны упорядочение расположены ферменты, обеспечивающие синтез АТФ. В митохондриях — множество ферментов клеточного дыхания и ферментов синтеза АТФ, много собственных ДНК и РНК, есть рибосомы, поэтому они могут синтезировать белки. Размножаются митохондрии делением пополам.
Энергия, необходимая для биосинтеза, выделяется в процессах диссимиляции. Важнейший субстрат этих процессов — углеводы; для дыхания требуются еще белки и жиры, а для брожения — спирты, органические кислоты и др. Процесс сжигания глюкозы до двуокиси углерода С02 происходит в несколько стадий, чтобы предотвратить его взрывной характер и успеть усвоить выделившуюся энергию. При расщеплении глюкозы энергия выделяется на каждом этапе реакции при участии ряда ферментов: С6Н1206 + 602 -» 6Н20 + 6С02 + 2875 кДж. При этом часть энергии выделяется в виде теплоты, а часть идет на образование АТФ, «энергетической валюты» клетки. И в дыхании, и брожении расщепление глюкозы начинается с анаэробного распада глюкозы с образованием пировиноградной кислоты, АТФ и кофермента НАДФ (никотинамидадениндинуклеотид). Этот процесс называют гликолизом. В процессе брожения при участии ферментов продолжается дальнейшее расщепление веществ в отсутствие кислорода. Распад одной молекулы глюкозы приводит к образованию двух молекул АТФ, в каждой из которых сохраняется в виде химической связи до 40 % энергии. Оставшаяся энергия расщепления рассеивается в виде теплоты. Для организмов типа дрожжей этого было бы достаточно — они только отщепляют углекислый газ от пировиноградной кислоты, присоединяют водород, который имели «в запасе», и получается этиловый спирт. Этот процесс называют спиртовым брожением. При этом приобретается еще молекула фосфата. Гликолиз происходит не в митохондриях, но последующие стадии дыхания клетки без них не обходятся.
Другой вид энергетического обмена — кислородный — называется аэробным (дыханием). Вещества расщепления глюкозы, полученные при гликолизе, в присутствии кислорода расщепляются до воды и углекислого газа. При этом образуется 30 молекул АТФ. Окисление двух молекул НАДФ в электротранспортной сети митохондрий сопряжено с синтезом еще шести молекул АТФ. Итак, в процессе дыхания образуется 36 молекул АТФ, а с уче-
456

том еще двух, образовавшихся при гликолизе, — 38 молекул АТФ. Энергия молекулы АТФ во внутриклеточных условиях — около 42 кДж/моль, а для 38 молекул — 1600 кДж/моль. Это значит, что КПД процессов равен 55 %.
Пировиноградная кислота расщепляется под действием ферментов до углекислого газа и водорода, а на последней стадии водород окисляется кислородом с образованием воды. Молекулы Н20 и С02 очень бедны энергетически, поэтому энергия, содержавшаяся ранее в пировиноградной кислоте, обнаруживается в богатом энергией химическом соединении — АТФ и частично переходит в теплоту. Образование АТФ — главный результат и «цель» клеточного дыхания (рис. 11.9). Образуется АТФ присоединением к имеющейся в клетке АДФ третьей молекулы фосфорной кислоты (процесс фосфорилирования), и митохондрии поставляют клетке АТФ, используемую в различных процессах, требующих затраты энергии. Поэтому их называют энергетическими фабриками клетки, и мышечные клетки имеют большее

Рис. 11.9. Схема, поясняющая функции процесса дыхания (высвобождение энергии, используемой в процессах метаболизма и образование строительных блоков, из которых в клетке синтезируются другие соединения)
457

число митохондрий, чем другие. Увеличение числа митохондрий происходит за счет их деления, которому предшествует стадия редупликации ДНК. Они содержат кольцевую молекулу ДНК и способны осуществлять полуавтономный синтез белков. Для аккумуляции химической энергии в клетке природа выбрала одно универсальное соединение — АТФ.
АТФ — это аденозинтрифосфат, нуклеотид, концентрация которого в клетке мала (0,04 %). Молекула АТФ состоит из адени-на, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. При гидролизе остатка фосфорной кислоты выделяется энергия: АТФ + Н20 = = АДФ + Н2Р04 + 40 кДж/моль. Поскольку связь между остатками фосфорной кислоты почти в 4 раза больше, чем при расщеплении других связей, АТФ хранит энергию живого организма. Клетки используют энергию АТФ при производстве теплоты, биосинтезе, движении, в процессе фотосинтеза, проведении нервных импульсов и пр.
Лизосомы выполняют в клетке роль желудка, ферменты — желудочного сока. В них содержится до 30 ферментов, способных расщеплять белки, липиды, нуклеиновые кислоты и др. Лизосомы — пузырьки диаметром около 0,4 мкм, окруженные мембраной. Разрыв их мембраны растворит клетку, так как ферменты очень активны и способны «съесть» ее всю. При голодании они растворяют некоторые органоиды, не убивая саму клетку.

11.8. Молекулярные основы воспроизведения генетической информации и осуществления связи между клетками

Благодаря ДНК клеточное ядро выполняет свои главные функции: хранения и воспроизведения генетической информации и регуляции процессов метаболизма в клетке. Жизненный цикл клетки — это промежуток времени от ее возникновения до гибели. Совокупность процессов при подготовке к делению и сам процесс называют митотическим циклом. Период подготовки — интерфаза — состоит из синтеза РНК и белков, необходимых для редубликации ДНК; самого процесса редубликации ДНК; синтеза РНК и белков, необходимых для митоза; процесса удвоения клеточного центра.
Митоз (от греч. mitos— нить) — процесс деления клетки, состоящий в точном распределении генетического материала между дочерними клетками.
Деление клетки начинается с ядра, когда хромосомы уже удвоились: ядерное содержимое в них уплотняется; область ядра приобретает вытя-нутость, и в разные концы ее направляются половинки каждой хромосомы. Там они собираются вместе (в том же составе и числе, что и целые хромосомы до начала деления), окружаются новой мембраной, разрых-
458

ляются и теряют свои четкие контуры. Содержимое ядра вновь начинает равномерно окрашиваться, образуются два, совершенно идентичных, новых ядра. Затем между ними появляется перегородка, разделяющая содержимое клетки, прежде всего цитоплазму, на две равные части, и возникают две одноядерные клетки, содержащие совершенно одинаковую генетическую информацию, не отличающуюся от информации клетки-родительницы.
Митоз можно наблюдать в световой микроскоп за 1,5 — 2 ч, но управляющие митозом процессы — пусковые, управляющие и регулятор-ные — лежат на молекулярном уровне, и, по-видимому, они аналогичны процессам, происходящим при синтезе белков. Некоторое время считалось, что митоз запускается нарушением равновесия между растущим ядром и цитоплазмой по массе, объему и поверхности. Поскольку ядро растет медленнее, условия окружения становятся все более неблагоприятными для него, достигая порогового значения, и ядро начинает делиться. Но пока объективных доказательств такого объяснения «начала» нет.
Через процесс митоза, или через механизм «расхождения двойной спирали», наследуются мутации, но их частота мала. Биологическое значение митоза огромно. Правильность функционирования органов и постоянство строения невозможны без сохранения одинакового набора генетического материала во многих поколениях. Он обеспечивает эмбриональное развитие, рост, восстановление органов и тканей после повреждений, физиологическую регенерацию. Простейшие размножаются путем митоза.
Все виды размножения делят на половые и бесполовые. При бесполовом размножении новая особь развивается из соматических клеток. Таковыми являются митотическое деление, почкование и спорообразование, свойственные как одноклеточным, так и многоклеточным организмам. Половым размножением называют смену поколений и развитие организмов на основе специальных, половых клеток, называемых гаметами (от греч. gamete— жена). Половые клетки объединяются, и их ядра сливаются с образованием зиготы (от греч. zygotes— соединенный вместе) — оплодотворенного яйца, содержащего уже одно ядро с двойным набором хромосом. При этом способе генотип потомков возникает путем комбинации генов, принадлежащих обоим родителям. Все многообразие многоклеточных своим началом имеет оплодотворенную клетку — зиготу. Этот вид размножения обеспечил очень большие эволюционные преимущества по сравнению с бесполовым, поскольку механизм позволяет перемешивать и по-новому сочетать гены.
Гаметы развиваются в половых клетках в несколько стадий. Первичные половые клетки делятся в результате митоза, их число растет, и происходит редубликация ДНК (интерфаза 1). Период созревания называют редукционным делением, или мейозом.
459

При м е й о з е в экваториальной плоскости расположены не отдельные хромосомы, а пары сдвоенных хромосом, и делению подвержены только клетки с двойным набором хромосом — диплоидные (от греч. dip-loos— двойной + eidos— вид). Начало процесса похоже на митоз, ядро окрашивается равномерно, начинает делиться на хромосомы, появляются тонкие нити — стадия лептонемы (от греч. peptos— сваренный, переваренный), хромосомы расположены хаотично. На второй стадии — зигонеме (от греч. zygon— пара) возникает структура, характерная для мейоза, и нити укладываются друг подле друга. На следующей стадии — пахинеме (от греч. pachis— толстый) нити спариваются полностью, и вместо двух удвоенных хромосом получается одна пара, и клетки содержат два набора удвоенных хромосом. На стадии диплонемы хромосомы, располагающиеся попарно, расходятся и одновременно укорачиваются. Как только распадется клеточная мембрана, наступает стадия диакинеза. Далее процесс проходит так же, как и в митозе, но появляются новые комбинации хромосом, меняется суммарная информация. Появляются две гиплоидные клетки, разные и с новым набором хромосом. Половые клетки содержат один набор хромосом (гиплоидные), тогда как все другие клетки организма — двойной (диплоидные). За счет мейоза и возникает неидентичное родителям потомство.
Если бы на стадиях зигонемы и диплонемы не происходило взаимодействия партнеров, то эти процессы не имели бы особого смысла. На этих стадиях при наблюдении в микроскоп удается видеть перекресты между хроматидами — хиазмы (от греч. chiasmos— крестообразное расположение). Это выглядит так, будто в каких-то точках произошли разрывы, потом разорванные участки срослись, но все не совсем так. Процесс, начинаясь раньше, приводит к обмену участками между хроматидами, что очень важно для потомства (для генов и выросших из них организмов), так как все они оказываются различными. Даже один перекрест ведет к рекомбинации. Частота перекрестов (и рекомбинаций) пропорциональна расстоянию между генами, поэтому она может служить мерой этого расстояния. Эти частоты могут складываться друг с другом, и можно строить хромосомные карты, где нанесены гены и расстояния между ними. Частота рекомбинаций обычно около 50 %, т.е. вероятность того, что после мейоза две хромосомы окажутся в одном ядре, равна 50 %. Это напоминает полученное еще Менделем соотношение (расщепление) 1:1. Но если гены находятся в одной хромосоме, то образуется 0 % рекомбинаций при условии, что сцепление не нарушено. Сейчас уже получены значения частот рекомбинации до 0,02 %, измеряемые расстояния — порядка 10-9 м. Таким образом, генетический анализ позволяет различать на таких расстояниях точки на ДНК. Хорошие электронные микроскопы дают разрешение до 3  10-10 м. Если ген состоит из 150 кодонов (450 нуклеотидов), то его длина составляет в 500 раз больше — около 1,5 • 10-7 м. Но возможна рекомбинация и внутри одного гена!
460

Синтез белка по заданной ДНК программе осуществляют рибосомы. Информация, «записанная» в ДНК, «переписывается» (этот процесс называется транскрипцией) в РНК и переносится к клеточным органеллам — рибосомам. В эукариотических клетках процесс синтеза в РНК более сложный, чем простая транскрипция. Прежде чем выйти сквозь поры в ядерной мембране в цитоплазму, первичный транскрипт РНК подвергается созреванию («процессингу»), и этот процесс достаточно сложен. К этому пришли после открытия двойной спирали, причем многие гены были разорваны на куски. Значит, при транскрипции многие молекулы РНК разрываются, а потом соединяются («сплайнинг»). Тогда и получается мРНК, не точная копия ДНК, а отредактированная, т. е. какие-то ее части выброшены. Понимание процессинга РНК позволило иначе взглянуть на функционирование клетки и понять, почему в одном организме клетки становятся разными. Процесс сплайнинга позволяет проследить за тем, чтобы основная информация сохранялась, — ведь ошибка в один нуклеотид может привести к потере функциональных свойств белка. Экспериментальное изучение сплайнинга началось в конце 70-х гг. Этот процесс обнаружен даже у бактерий. Опыты показали вероятность того, что первыми генами могли быть сплайнированные РНК.
Специальные сигнальные системы обеспечивают работу в согласованном режиме миллиардов клеток. Сигнал передается вдоль нервного волокна в виде электрического импульса. На границе с клеткой-исполнителем он преобразуется в химический с помощью выделения окончаниями нервных волокон специального посредника — нейромедиатора. Нейроны посыпают дискретные «сообщения» определенным клеткам-мишеням, ими могут быть мышечные клетки, клетки желез и другие нейроны. Эти сообщения — нейромедиатор, посылаемый в специальный участок — синапс (от греч. synapsis— соединение). Здесь молекулы нейромедиатора связываются с рецептором (специальной белковой молекулой) на поверхности клетки, воспринимающей сигнал, и вызывают изменения в мембране и внутри клетки. Сигнал за 106 с доходит до адресата. Электрофизиологические исследования показали, что не только разные нейромедиаторы, но и один и тот же нейромедиатор может вызывать разные эффекты, зависящие от типа синапса. Т. Хекфельт из Королевского института в Стокгольме показал (1977), что окончания многих нейронов содержат по 2 — 3 нейромедиатора, чем увеличивают возможности передачи большего количества информации.
Кроме передачи информации нервной системой в организме существует химический канал связи. Клетки сами выделяют вещества, которые через кровь или окружающую среду путем диффузии могут достигнуть других клеток (некоторые из них называют гормонами). Связь через гормоны происходит иначе.
461

Обычно гормоны образуются в клетках эндокринной системы, поступают в кровь и переносятся по системе кровообращения к другим клеткам и органам, находящимся далеко от эндокринной железы. Каждая клетка-мишень наделена рецепторами, распознающими молекулы только тех гормонов, которые должны действовать на нее. Рецепторы извлекают гормон из крови, связываются с ним и передают информацию в клетку. Связь через гормоны идет медленнее: ведь гормон, секретируемый специализированной железой, должен отыскать в организме свою мишень, что может занять несколько часов. Молекулы, обладающие гормональной активностью, чаще всего являются пептидами — короткими цепочками аминокислот.
Хотя химический канал передает информацию с меньшей скоростью, чем электрический, наличие двух каналов обеспечивает надежность и многообразие связей внутри организма. Обе системы связи между клетками — и нейронная, и гормональная — действуют через специализированные молекулы, контактирующие с тоже специализированными рецепторами клеток-мишеней. Некоторые молекулы-медиаторы активно передают сигналы в обеих системах связи (рис. 11.10). Например, гормон норадреналин выделяется надпочечниками для стимуляции сердечных сокращений, расширения бронхов и усиления сокращения мышц конечностей. Одновременно он — и нейромедиатор в симпатической нервной системе, где способен вызывать сужение кровеносных сосудов, повышая артериальное давление, т.е. он может передавать различную информацию в обеих системах.
Если у амебы ее единственная клетка выполняет все функции, необходимые для поддержания жизни, то в многоклеточных организмах эта задача решается силами многих совершенно различных клеточных популяций, тканей и органов, находящихся далеко друг от друга. Для координации всех этих функций должны быть какие-то механизмы. У большинства высших организмов два способа коммуникации между клетками: при помощи гормонов и через нейроны — нервные клетки. По мере того как исследователи расшифровывают особенности структуры и функционирования химических веществ, служащих переносчиками информации, открываются новые возможности для создания все более безопасных и эффективных препаратов для лечения различных заболеваний сердца, гормональных или психических расстройств.
Точная координация функций клеток многоклеточного организма осуществляется путем передачи химических сигналов. Большая часть адресованных клетке сигнальных молекул не попадает внутрь нее. По наружной поверхности клетки расставлены молекулы рецепторов, которые играют роль антенн. Они распознают приходящие сигналы и приводят в действие внутриклеточные каналы передачи информации, которые регулируют внутриклеточ-
462

ные процессы — метаболизм, сокращение, секрецию, рост. Плазматическая мембрана клетки — барьер для потока информации. На молекулярном уровне передача информации обеспечивается цепочкой мембранных белков, последовательно взаимодействующих друг с другом. Это приводит к перестройке следующего в цепочке белка, а изменение структуры влечет изме-
463

нение его функции. На определенной стадии передача поручается находящимся в цитоплазме ионам и малым молекулам — вторичным мессенджерам. Их диффузия обеспечивает быстрое распространение информации внутри клетки, хотя их число невелико. Они способны регулировать огромное количество физиологических и биохимических процессов. Известны два пути передачи сигналов внутри клетки. Одним из вторичных мессенджеров является сАМР (циклический аденозинмонофосфат), другим — комбинация ионов кальция, инозитолтрифосфата и диацилглицерола. Последние два вещества образуются из самой плазматической мембраны. На обоих каналах работают G-белки — мембранные белки, активизирующие усилительный фермент, находящийся на внутренней стороне мембраны, и уже он превращает молекулы предшественников в молекулы вторичных мессенджеров. Оба канала ведут к изменению структуры клеточных белков.

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Как происходит процесс биосинтеза белка?
2. Каково значение митохондриальной ДНК человека? Какова роль ферментов в репликации ДНК?
3. Как была открыта молекулярная структура ДНК и РНК?
4. Какое значение для биологии и естествознания имеет подразделение живого на уровни организации? Имеет ли оно практическое значение?
5. Назовите свойства живой материи, отличающие ее от неживой.
6. Какими общими чертами характеризуются разные уровни организации живого?
7. На чем основаны представления о том, что генетическим материалом являются нуклеиновые кислоты?
8. Охарактеризуйте молекулярно-генетический уровень организации живой материи.
9. Охарактеризуйте строение и биологическое значение АТФ. Почему АТФ называют основным источником энергии в клетке?

Комментарии (2)
Обратно в раздел Наука