Концепции современного естествознания: конспект лекций

Стрельник Ольга Николаевна

Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, связанное с массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой. Развитие экологических систем, не связанное с серьезным изменением окружающей среды, представляющее собой последовательную смену биологических сообществ, называется сукцессией.

В заключение следует отметить, что каждый уровень организации живого характеризуется собственными свойствами и закономерностями, а в целом вся иерархия живой природы позволяет представить ее как целостную самоорганизующуюся систему, находящуюся в постоянном взаимодействии с неорганической материей.

5.6. Генетика и молекулярная биология

Генетика –

наука, изучающая механизмы наследственности и изменчивости в живой природе. Слово «генетика» происходит от греческого genesis – происхождение. Основы этой научной дисциплины были заложены австрийским ученым Г. Менделем, который открыл законы наследственности. Г. Мендель показал, что наследование признаков происходит дискретно. Ученый скрещивал гладкий и морщинистый сорта гороха, в результате в первом поколении он получал только гладкие семена, а во втором – четверть морщинистых семян. Анализируя эти экспериментальные данные, Г. Мендель пришел к выводу, что в зародышевую клетку поступает информация от обоих родителей, но в первом поколении проявляется только один, доминантный признак, а во втором – доминантные и рецессивные признаки распределяются в пропорции 3:1. Это явление было названо расщеплением признаков. Результаты экспериментов Г. Менделя опровергли тезис о том, что рецессивные признаки живого организма должны постепенно стираться в череде поколений. Открытые закономерности свидетельствовали: рецессивные мутации не исчезают бесследно, а сохраняются в генетическом фонде популяции и проявляются через поколение. Значение открытия Г. Менделя, сделанного еще в XIX в., было по достоинству оценено только в XX в., который не без основания называют веком генетики.

В 1900 г. законы наследственности были вновь открыты сразу тремя учеными – X. де Фризом (Голландия), К. Кор-ренсом (Германия) и Э. Чермаком (Австрия). Для объяснения выявленных в ходе экспериментов закономерностей X. де Фриз предложил теорию мутаций. Мутация – это внезапное изменение наследственных структур, вызванное естественным или искусственным путем. Термин «мутация» происходит от латинского mutatio – изменение. Как показали эксперименты, мутационный признак не исчезает, а постепенно накапливается в генофонде популяций, что является основой изменчивости в живой природе. Х. де Фриз предположил, что новые виды возникают именно в результате мутаций. Поначалу голландский ученый противопоставил мутации естественному отбору, заявив, что «значение отбора ограничено, эволюция идет путем резких скачков, мутаций». Однако позже Х. де Фриз согласился, что именно естественный отбор способствует закреплению полезных мутаций и, следовательно, процессу эволюции.

После открытия Х. де Фриза в течение 20–30 лет в генетике лавинообразно накапливался новый эмпирический материал и появлялись объясняющие его теоретические гипотезы. В 1920-е гг. А. Вейсманом, Т. Х. Морганом, А. Стер-тевантом, Г. дж. Меллером была разработана хромосомная теория наследственности, которая проясняла строение хромосом, порядок расположения генов – носителей наследственной информации, т. е. механизмы и причины мутационных изменений. Г. дж. Меллер, в частности, показал, что мутации могут вызываться рентгеновскими лучами, воздействием химических веществ, резкими изменениями температуры и т. п.

В 1940-е гг. была открыта нуклеиновая природа гена и выяснена роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации. Этими исследованиями занималась школа американского генетика Т. Х. Моргана. На их основе возникла новая научная дисциплина – молекулярная биология, объединившая биохимию и генетику.

В 1944 г. американский биохимик О. Эвери и его команда установили, что носителем наследственной информации является ДНК, а в 1953 г. Ф. Крик и Д. Уотсон расшифровали ее структуру. Оказалось, что молекула дНк состоит из двух полинуклеиновых цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых цепей. Выяснилось также, что именно свойство к самоудвоению молекул ДНК является основой механизма наследственности.

В последующие десятилетия учеными была установлена зависимость синтеза белков от состояния генов, осуществлен искусственный синтез гена, расшифрована аминокислотная последовательность многих белков и т. п. Ко второй половине XX в. в генетике был накоплен колоссальный эмпирический и теоретический материал. Наука вплотную приблизилась к разгадке одной из величайших тайн – самовоспроизводства живого. Выяснение молекулярных механизмов передачи генетической информации открыло совершенно новые возможности для практического применения этих знаний.

Воспроизводство всего живого определяется синтезом белков при помощи нуклеиновых кислот ДНК (дезоксири-бонуклеиновой) и РНК (рибонуклеиновой). Как уже говорилось, в образовании белков участвует 20 аминокислот из 100 известных современной органической химии. Носителями генетической информации являются молекулы ДНК, которые находятся в хромосомах ядер клеток. ДНК состоит из двух спаренных полинуклеотидных цепочек, закрученных в спираль. Звеньями молекулы ДНК выступают нуклеотиды. Нуклеотид – это соединение азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. В состав молекулы ДНК может входить один из четырех типов нук-леотидов, специфика которых определяется азотистым основанием: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С), гуанин (G). Молекулу ДНК можно представить в виде огромного текста, состоящего из последовательности четырех букв А, Т, С, G в разных сочетаниях. Подобная модель ДНК была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком Ф. Криком. А в 1962 г. эти ученые и биофизик М. Уилкинс получили Нобелевскую премию за расшифровку генетического кода.

Цепочки ДНК соединены между собой водородными связями, причем аденин всегда связывается с тимином, а цито-зин с гуанином. Такая связь структурно соответствующих друг другу азотистых оснований называется принципом комплиментарности. Для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание трех нуклеотидов. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Изменение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к мутациям.

Механизм воспроизводства живого представляет собой матричный синтез белков, который происходит в несколько этапов. Сначала разрываются водородные связи двойной молекулы ДНК и образуются одинарные цепи, выступающие в виде матрицы. Затем каждая из нитей по своей поверхности строит новую. Новые цепи пристраиваются к старым по принципу комплиментарности. В результате формируются две идентичные молекулы ДНК.

Существенную роль в процессе синтеза белков играют молекулы РНК. Молекула РНК представляет собой одноце-почечную нить, состоящую из нуклеотидов. В состав молекулы РНК также входят четыре азотистых основания: три из них – аденин, цитозин и гуанин – сходны с азотистыми основаниями, входящими в состав молекулы ДНК, а четвертое – урацил (U) – отличается. С молекулы ДНК генетический код переносится на молекулу информационной РНК, которая представляет собой копию части ДНК, т. е. одного или нескольких рядом расположенных генов. Синтез белка осуществляется в рибосомах на основе генетического кода информационной РНК. Аминокислоты, необходимые для синтеза белка, доставляются в рибосому с помощью транспортной РНК. Весь процесс синтеза белка занимает не более 6 мин. Механизм матричного синтеза белков представляет собой не простое копирование, а копирование с частичными изменениями, что делает возможным как наследование признаков, так и дискретные отклонения от исходного состояния.

Одной из важнейших и интереснейших задач, стоящих перед современной наукой, является расшифровка генома человека Геном– это совокупность генов, сосредоточенных в единичном наборе хромосом данного организма. В 1988 г. для решения этой задачи по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека». По разным оценкам в состав генома человека входит от 50 тыс. до 100 тыс. генов. Успех даже на первом этапе расшифровки (определение последовательности нуклеотидных пар) приведет к пониманию причин и механизмов различных наследственных, инфекционных и т. п. заболеваний и позволит выработать эффективные методы их лечения.