Механизм биологической наследственности

Безусловно, выдающимся успехом в познании структуры клетки и живой материи вообще стало открытие в 1953 г. английским биофизиком Френсисом Криком и американским биохимиком Джеймсом Уотсоном структуры носителей наследственности.

Было известно, что в составе клетки (в ее центральной области – ядре) имеются так называемые нуклеиновые кислоты. В их состав входят простые углеводы (моносахариды) двух видов: дезоксирибоза и рибоза. Соответствующие кислоты стали называть дезоксирибонуклеиновыми и рибонуклеиновыми, или, сокращенно, ДНК и РНК. Сегодня эти аббревиатуры знает практически каждый, кто учился хотя бы в средней школе.

Дж. Уотсон и Ф. Крик выдвинули, а затем экспериментально подтвердили гипотезу относительно строения молекулы ДНК как носителя наследственной информации и построили ее модель – знаменитую двойную спираль.

Здесь следует вернуться несколько назад, к тому времени, когда в 1865 г. Г. Мендель установил, что наследственная информация передается дискретными порциями, названными впоследствии генами. Ген, этот своеобразный квант наследственности, рассматривался как единица наследственного материала, ответственная за формирование того или иного элементарного признака. Но вот что представляет собой ген как материальное образование стало ясно только с выяснением роли ДНК в механизме наследственности.

Установлено вполне достоверно, что генам соответствуют отдельные участки молекул ДНК, точнее, единицей генетического кода является тройка рядом расположенных нуклеотидов (фосфорных соединений, входящих в состав ДНК). Эти тройки, или триплеты, называемые кодонами, в совокупности составляют генетический код, определяющий порядок расположения 20 различных аминокислот в том или ином полипептиде (белке).

Молекула ДНК состоит из сахара (дезоксирибозы), фосфорной кислоты и двух цепочек комплементарно спаренных нуклеотидов (аденина, цитозина, гуанина и тимина), закрученных одна вокруг другой в спираль. Аденин (А) одной цепочки (нити) ДНК всегда взаимодействует с тимином (Т), а гуанин (G) – с цитозином (С) другой. Эти пары и называются комплементарными. Поскольку кодирование обеспечивается четырьмя основаниями (по три в кодоне), всего может быть 64 триплета. Кодоны расположены в линейной последовательности, т. е. друг за другом. Как правило, каждый из кодонов содержит информацию, необходимую для синтеза определенной аминокислоты. Контролируя образование белков, гены управляют соответствующими химическими реакциями в организме.

Передача генетического кода в клетке происходит в два этапа. Первый из них (так называемая транскрипция) происходит в ядре и состоит в синтезе молекул информационной (матричной) РНК из свободных рибонуклеотидов на соответствующих участках молекул ДНК. Исключительно важная роль при этом отведена определенным ферментам, которые обеспечивают расщепление двойной спирали ДНК, синтез РНК и восстановление ДНК. В результате содержащая генетический код последовательность нуклеотидов ДНК дублируется в виде соответствующей последовательности нуклеотидов информационной (матричной) РНК. Молекула РНК отличается от ДНК по одному нуклеотидному основанию – место тимина в ней занимает урацил (U), комплементарный к аденину.

Второй этап (трансляция) протекает в особых клеточных частицах – рибосомах, функция которых состоит в синтезе белков. Записанная на информационной РНК последовательность кодонов (троек нуклеотидов) переводится в последовательность аминокислот, из которых синтезируется белок.

После транскрипции молекула ДНК, спаривая расщепленные основания, сохраняет наследственную информацию и остается в ядре клетки, а матричная РНК, «переписав» хранимую в ДНК информацию, покидает ядро и переносит ее в рибосомы, где при посредничестве специфической транспортной РНК происходит синтез белков (полипептидов). В каждой клетке имеется 20 разновидностей транспортной РНК, каждая из которых содержит один триплет (называемый антикодоном) и транспортирует определенную аминокислоту. За счет комплементарного спаривания каждого антикодона с соответствующим кодоном матричной РНК аминокислоты выстраиваются в полипептидную цепочку, которая затем ферментативно отделяется от РНК и поступает в цитоплазму совместно с другими полипептидами или самостоятельно. возникший полипептид функционирует в качестве структурного или ферментативного белка, принимая участие в процессах обмена веществ.

Важнейшая особенность функционирования генетического аппарата была открыта французскими микробиологами Франсуа Жакобом, Жаком Моно и Андре Львовым, которые установили, что по своим функциям все гены разделены на регуляторные, кодирующие структуру наследственности, и структурные, кодирующие синтез продуктов обмена веществ (метаболитов). За счет этого обеспечивается выполнение организмами их важнейших функций: воспроизводства и обмена веществ с окружающей средой. И всё это происходит на уровне клетки.

3.5. Живая клетка – первокирпичик жизни

Изучая живую клетку, нельзя не поражаться тому, насколько сложно и в то же время целесообразно ее устройство. Клетка ограничена клеточной мембраной, состоящей в основном из липидов (проще говоря, жиров), и обладающей избирательной проницаемостью, что позволяет ей регулировать концентрацию в клетке солей, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ. Центральную область клетки занимает ее ядро, являющееся центром управления жизнедеятельностью клетки. Ядро также окружено оболочкой из двух мембран и содержит хромосомы – спирали молекул ДНК, несущих генетический код клетки: план и инструкцию ее построения. В центре ядра расположены одна или несколько нуклеолей (ядрышек), играющих основную роль в образовании уже упоминавшихся рибосом.

Пространство между внешней (плазматической) мембраной и ядром заполнено цитоплазмой, в которой «плавают» органоиды – специализированные внутриклеточные структуры. Наиболее важными органоидами являются рибосомы, они содержатся в клетках всех живых организмов, состоят из РНК и белков и играют основную роль в синтезе белка. Важная роль принадлежит также митохондриям, в которых протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие клетку энергией. Цитоплазма клетки пронизана эндоплазматической сетью, представляющей собой систему канальцев и «цистерн», ограниченных мембранами. Она участвует в обменных процессах, обеспечивая транспорт веществ, пропущенных мембраной из окружающей среды, в цитоплазму и их накопление в необходимых количествах.

К важным органоидам относится также комплекс Гольджи – внутриклеточный сетчатый аппарат клеток растений и беспозвоночных, играющий основную роль в формировании ряда продуктов жизнедеятельности клеток. Особая роль отведена центриолям – как правило, двум цилиндрическим структурам, которые располагаются вблизи ядра, а при делении клетки расходятся к ее полюсам, определяя пространственную ориентацию делящихся клеток и тождественное распределение между ними генетического материала.

Перечисленные органоиды содержатся в клетках как животных, так и растительных организмов. Отличительной особенностью растительных клеток является наличие в их цитоплазме особого вида органоидов – пластидов. Пластиды, как правило, содержат пигменты, определяющие окраску клеток, например, в клетках высших растений имеются пластиды зеленого цвета – хлоропласты, играющие важнейшую роль в протекании фотосинтеза.

Для клеток большинства организмов характерно наличие ядра, свидетельствующее об их высоком развитии. Такие клетки (как и состоящие из них организмы) называются эукариотами (от греч. εν – хорошо + греч. καρηον – ядро). Кроме того, в природе встречаются безъядерные клетки, называемые прокариотами (от лат. pro – вместо + греч. καρηον – ядро). Считается, что прокариоты исторически являются предшественниками эукариотов, появившихся на Земле около 3 млрд. лет назад. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые водоросли, актиномицеты (группа микроорганизмов с чертами организации бактерий и простейших грибов). У прокариотов более примитивное строение, чем у эукариотов, кроме ядра у них отсутствуют также митохондрии, однако безъядерные клетки способны выполнять все типичные функции клетки, включая обмен веществ и размножение. В частности, функцию управления в них обеспечивают те же молекулы ДНК, размещенные непосредственно в цитоплазме. Весьма интересной с точки зрения объяснения механизма перехода от прокариотов к эукариотическим клеткам представляется гипотеза американского микробиолога Линн Маргулис о решающей роли в этом процессе симбиоза различныхбактерий-прокариотов. Косвенно подтверждая концепцию коэволюции (см. ниже), эта гипотеза способна пролить свет на хорошо известные данные о том, что растительные клетки в принципе сложнее животных и, следовательно, филогенетически более молоды.

Отдельную нишу в мире живого занимают вирусы – бесклеточные организмы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот и белковой оболочки. Не располагая необходимыми для жизни органоидами, вирусы размножаются в живых клетках других организмов, внедряясь в них и используя их ферментативный аппарат.

Итак, первоосновой живой материи является клетка, именно она содержит все признаки живого, не только составляя материал для построения многоклеточных организмов, но и реализуясь в виде одноклеточных организмов. Поэтому считается, что организменный (онтогенетический) уровень живых систем начинается именно с клетки. Участвуя в построении более сложных организмов, клетки образуют ткани: у животных – мышечную, нервную, эпителиальную, т. е. кожную, соединительную, а у растений – основную, защитную, проводящую и меристематическую (от греч. μεριοτος – делимый). Последняя обеспечивает способность растений к образованию новых органов. Органы живых организмов образуются из нескольких видов тканей; это, например, сердце, печень, легкие – у животных, корень, стебель, лист – у растений. Они выполняют определенные функции организма. Группы органов, интегрированные для выполнения ряда функций организма (кровообращение, высшая нервная деятельность и др.) образуют системы организма.

Можно говорить, что формирование целостного организма сочетает процесс дифференциации его структур (клеток, тканей, органов) и функций с процессом их интеграции в ходе онтогенеза и филогенеза. Смысл этого утверждения становится понятным, если обратиться к известному биогенетическому закону, сформулированному уже упоминавшимся Э. Геккелем как эмпирическое обобщение множества фактов. Согласно этому закону, индивидуальное развитие особи (онтогенез) является кратким повторением важнейших этапов исторического развития (филогенеза) группы, к которой эта особь относится, т. е. процесса эволюции.

3.6. Возникновение жизни – случайность или закономерность?

Филогенез мира живых организмов имеет весьма и весьма длительную историю. Палеонтологическая летопись Земли фиксирует существование на ней живых организмов уже в течение 3,2 – 3,5 млрд. лет. Возраст же самой Земли оценивается примерно в 4,6 млрд. лет, причем крупные водоемы (моря и океаны), появились около 3,8 млрд. лет назад, о чем можно судить по образованию осадочных пород. Следовательно, феномен возникновения жизни, качественный скачок к ней от неживой органической материи укладывается в относительно короткий в историческом плане промежуток времени – около 0,4 млрд. лет. Более того, по мнению В. И. Вернадского, переход от неживой материи к простейшим формам жизни «поместился» и в того более короткий интервал времени – не более 200 млн. лет.

Зададимся вопросом: может ли возникновение и развитие жизни на Земле быть случайным для Вселенной явлением, результатом случайного совпадения множества маловероятных событий? Современное научное мировоззрение отвечает на этот вопрос отрицательно.

Прежде всего, высочайший уровень структурной и функциональной сложности живой материи, ее упорядоченности и самоорганизации исключают такую случайность. Каждый из этапов образования живой клетки, затем организмов и их восходящего развития и совершенствования является весьма маловероятным событием, а уж совместное выполнение условий, необходимых для реализации этих этапов, вероятность которого равна произведению крайне малых вероятностей, математика уверенно относит к неосуществимым событиям.

Кроме того, следует признать, что развитие Вселенной носит направленный характер, что проявляется в нарастании со временем сложности и упорядоченности материальных структур. Жизнь, являющаяся проявлением высшей формы упорядоченности вещества, может возникнуть только на определенной стадии эволюции Вселенной, причем в тех ее локальных структурах, где действие законов развития природы подготовило необходимые и достаточные условия для выхода на качественно новый уровень организации материи.

Такие условия могут возникать во Вселенной во многих локальных системах, скорее всего на части планет, образовавшихся вблизи звезд типа нашего Солнца. Однако пока наука не располагает данными о внеземных формах жизни. Это, по всей видимости, означает, что необходимые и достаточные для возникновения жизни условия выполняются в «полном комплекте» лишь в ограниченном количестве случаев. Действительно, крайне малая вероятность обеспечения всех без исключения условий для возникновения живой материи представляет собой произведение достаточно малых вероятностей выполнения каждого из этих условий.

Выше речь шла о химической эволюции на нашей планете, в ходе которой происходил отбор наиболее активных каталитических групп. После достижения определенного стартового количества органических и неорганических соединений катализ стал важнейшим фактором химической эволюции, образования новых соединений, в первую очередь органических, количество которых стремительно нарастало. Эти процессы составили первый из основных этапов, которые рассматриваются в качестве наиболее вероятных при переходе от неживой материи к живой. Выделяется четыре таких этапа:

• синтез из неорганических веществ исходных низкомолекулярных органических соединений в условиях первичной восстановительной атмосферы, лишенной кислорода;

• формирование из образовавшихся органических соединений в первичных водоемах высокомолекулярных соединений – углеводородов, биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и липидов (жиров и жироподобных веществ, состоящих из спиртов и жирных кислот);

• образование полимерных агрегатов;

• самосборка и самоорганизация сложных органических соединений, налаживание процессов обмена веществ и воспроизводства структур стабильного состава, приведшие к образованию первичных организмов (протобионтов).

Исходными веществами для химической эволюции ко времени формирования Земли как планеты явились продукты нуклеосинтеза – химические элементы, а также неорганические молекулы, уже содержавшиеся в атмосфере, гидросфере и литосфере. Заметим, что их состав существенно отличался от современного состава этих оболочек нашей планеты.

В качестве источников энергии для химических реакций главным образом могли быть использованы:

– излучение солнца и космическое излучение;

– энергия атмосферы – электрические разряды;

– энергия земных недр – тепло вулканов и источников, а также радиоактивность некоторых минералов.

Для абиогенного образования низкомолекулярных органических соединений кроме наличия исходных веществ и источников энергии необходимы еще два условия:

– отсутствие свободного кислорода во избежание окисления исходных и промежуточных веществ;

– отсутствие живых организмов, которые сразу же разрушали бы органические соединения или использовали их.

Многочисленные исследования, начало которым было положено в 1953 г. экспериментами американского биохимика Стэнли Миллера, выявили большое количество реакций, приводящих к абиогенному образованию органических соединений. В частности, в смеси метана, аммиака, водорода и воды синтезируются аминокислоты, двуокись углерода и вода под воздействием ультрафиолетового излучения образуют формальдегид, водный раствор которого при наличии карбоната кальция (в роли катализатора) образует такие моносахариды, как глюкоза, рибоза и дезоксирибоза, играющие важнейшую роль в жизнедеятельности всей живой материи.

Подчеркнем, что все ранее известные и современные объяснения возникновения живой материи носят гипотетический характер и практически не выходят за рамки предположений: слишком много неясного остается в истории биологической эволюции. В отличие от эволюции ранней Вселенной, о которой можно судить по таким экспериментальным фактам, как космологическое расширение и наличие реликтового излучения, биологическая эволюция не оставила современному наблюдателю никаких действующих процессов. Палеонтологическая летопись тех времен крайне скудна, а переходный период от химической эволюции к биоэволюции окутан полной темнотой. Можно сказать, что в решении этой проблемы затруднено само использование эвристических возможностей научного метода, поскольку достоверность выдвигаемых гипотез практически не поддается эмпирической проверке. Отсюда и крайняя сложность построения непротиворечивой теории.

Потребуется еще немало времени, прежде чем картина прояснится до такой степени, чтобы можно было говорить о том, что человек близок к разгадке самой, пожалуй, удивительной тайны мироздания. Тем не менее, просматривается схема развертывания процесса биохимической эволюции, которая, по мере появления новых научных данных, принимает всё более реальные очертания. Сложился системный подход к рассмотрению феномена возникновения жизни, одним из пионеров которого стал русский биохимик А. И. Опарин. Суть этого подхода состоит в признании единого процесса, включающего химическую, а затем биохимическую эволюцию в неразрывной связи с геологической эволюцией внешних оболочек Земли.

Дата добавления: 2015-07-08