Реферат: Роль нуклеиновых кислот ДНК и РНК в механизмах наследственности и изменчивости
торами, в частности, геомагнитными колебаниями, вращением Земли, электрическими
разрядами и т. п. Попытки экспериментально проверить эту гипотезу не увенчались успе-
хом. Поэтому высказывались предположения и о чисто случайном характере возникнове-
ния первых живых молекулярных систем, образованных из аминокислот левого враще-
ния. В дальнейшем эта особенность могла быть передана по наследству и закрепиться как
неотъемлемое свойство всех живых систем.
Наряду с изучением структуры белка в последние полвека особенно интенсивно изучались механизмы наследственности и воспроизводства живых систем. Особенно остро этот вопрос встал перед биологами в связи с определением границы между живым и неживым. Большие споры возникли вокруг природы вирусов, которые обладают способностью к самовоспроизводству, но не в состоянии осуществлять процессы, которые мы обычно приписываем живым системам: обмениваться веществом, реагировать на внешние раздражители, расти и т. п. Очевидно, если считать определяющим свойством живого обмен веществ, то вирусы нельзя назвать живыми организмами, но если таким свойством считать воспроизводимость, то их следует отнести к живым телам. Так естественно возникает вопрос: какие свойства или признаки характерны для живых систем?
На этот вопрос ученые отвечали по-разному в различные исторические этапы развития естествознания в зависимости от достигнутого уровня исследований.
Пока не существовало развитых методов биологического исследования и сколь-нибудь ясных теоретических концепций, сущность живого сводили к наличию некоей таинственной "жизненной силы", которая отличает живое от неживого. Однако такое определение оставалось чисто отрицательным ибо не раскрывало ни подлинной причины, ни механизма отличия живого от неживого, а все сводило к иррациональной, непознаваемой и потому таинственной способности живых организмов. На этом основании сторонников такого взгляда обычно называют виталистами.
Если первые виталисты ограничивались простой констагацией различия между живым и неживым, то их последователи использовали недостатки и ограниченность физико-химических представлений о жизни для подкрепления своей позиции. Наиболее интересной в этом отношении представляется попытка немецкого биолога и философа Ханса Дриша (1867—1941), который возродил существовавшее еще у Аристотеля понятие энтелехии для объяснения целесообразности живых систем. Основываясь на своих опытах по регенерации морских ежей, которые восстанавливают удаленные/ них части тел, Дриш утверждал, что все живые организмы обладают особой способностью к целесообразным действии по сохранению и поддержанию своей организации и жизнедеятельности, которую он назвал энтелехией. По сути дела энтелехия ничем не отличается от «жизненной силы» виталистов, хотя в духе своего времени (XX век) X. Дриш вводит градации и различные ее степени для разных живых организмов. На упреки в том, что энтелехию невозможно остановить никакими эмпирически методами, он отвечал, что магнитную силу также нельзя увидеть непосредственно. На этом примере можно убедиться, как современные виталисты используют понятие о ненаблюдаемых объектах (магнетизм, электричество и т.д.) для защиты своих взглядов.
Несмотря на критику виталистов, биологи-экспериментаторы продолжали свою трудную и кропотливую работу по анализу структуры и функций живых систем.
Как изменились наши представления о живых системах в связи с переходом на новый, молекулярный уровень исследования?
Долгое время в связи с изучением синтеза органических веществ внимание ученых было сосредоточено на исследовании той части клеточной структуры, которая образована из белков. Многим тогда казалось, что именно белки составляют фундаментальную основу жизни, и поэтому пытались свести свойства живых систем к свойствам и структуре белков. По-видимому, именно опираясь на это, Фридрих Энгельс (1820—1895) выдвинул свое известное определение жизни как способа существования белковых тел, которое продолжали некритически повторять в нашей литературе, несмотря на глубокие исследования, выяснившие, что ни сам белок, ни его составные элементы не представляют ничего уникального в химическом отношении.
В связи с этим дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась D-дезоксирибоза, а в другом D-рибоза. Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами, или сокращенно, ДНК, а второй тип - рибонуклеиновыми, или кратко, РНК кислотами. Потребовалось, однако, почти сто лет, прежде чем была расшифрована роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности, участии в синтезе белка и обмене веществ.
Не вдаваясь в детали и специальную терминологию, кратко рассмотрим эти важнейшие для биологии и естествознания вопросы.
Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г. американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. До этого существовали либо косвенные, либо не совсем надежные свидетельства этого факта. В 1953 г. Джеймсом Уотсоном(р. 1928) и Фрэнсисом Криком (р. 1916) была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении молекулы ДНК как материального носителя информации. В 1960-е годы французскими учеными Франсуа Жакобом (р. 1920) и Жаком Моно (1910—1976) была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей функциональной активности все гены разделяются на "регуляторные", кодирующие структуру регуляторного белка, и "структурные гены", кодирующие синтез метаболитов, в том числе ферментов.
Дальнейшими исследованиями была установлена непосредственная зависимость синтеза белков (ферментов) от состояния генов (ДНК). Оказалось, что если воздействовать на генетический аппарат микроорганизмов определенными физическими факторами (ультрафиолетовые, рентгеновские и другие лучи), то они перестают синтезировать необходимые им метаболиты, в частности белки. Благодаря этим исследованиям было доказано, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков.
В связи с этим возник вопрос: каким образом осуществляется передача информации от ДНК к морфологическим структурам?
Согласно упомянутой выше модели Уотсона и Крика, наследственную информацию в молекуле ДНК несет последовательность четырех оснований: два пуриновых и два пиримидиновых. Между тем в белках содержится20 аминокислот и поэтому становится необходимым объяснить, как четырехбуквенная запись структуры ДНК может быть переведена в 20-буквенную запись аминокислот белков. Первое гипотетическое объяснение механизма такого перевода дал известный физик-теоретик Г. Гамов, предположив, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Спустя семь лет его гипотеза была блестяще подтверждена экспериментально и тем самым был раскрыт механизм считки генетической информации.
Переход на молекулярный уровень исследования во многом изменил представления о механизме изменчивости. Согласно доминирующей точке зрения, основными источником изменений и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Однако кроме переноса свойств от одного организма к другому, существуют и другие механизмы изменчивости, важнейшим из которых являются "генетические рекомбинации". В одних случаях, называемых "классическими", они не приводят к увеличению генетической информации, что наблюдается главным образом у высших организмов. В других, "неклассических" случаях рекомбинация сопровождается увеличением информации генома клетки. При этом фрагменты хромосомы клетки-донора могут включатся в хромосому клетки-реципиента, а могут оставаться в латентном, скрытом, состоянии, но под влиянием внешних факторов они становятся активными и поэтому могут соединяться с клеткой реципиентом.
Дальнейшие исследования «неклассических» форм генетических рекомбинаций привело к открытию целого ряда пререносимых или «мигрирующих» генетических элементов. Важнейшими из них являются автономные генетические элементы, названные плазмидами , которые служат активными переносчиками генетической информации. На основе этих результатов некоторыми учеными высказаны предположения, что «мигрирующие» генетические элементы вызывают более существенные изменения в геномах клеток, чем мутации.
Все это не могло поставить вопроса о том, работает ли естественный отбор на молекулярно-генетическом уровне? Появление «теории нейтральных мутаций» еще больше обострил ситуацию поскольку она доказывает, что изменение в функциях аппарата, синтезирующих белок, является результатом нейтральных, случайных мутаций, не оказывающих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является общепризнанным, но хорошо известно, что действие естественного отбора проявляется на уровне фенотипа, т.е. живого, целостного организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследования.
3.2.Онтогенетический уровень живых систем
В настоящее время считают, что онтогенетический уровень охватывает все отдельные одноклеточные и многоклеточные живые организмы, а раньше чаще всего его рассматривали как включающий только многоклеточные организмы.
Сам термин "онтогенез" ввел в науку известный немецкий биолог Э. Геккель, автор знаменитого биогенетического закона, согласно которому онтогенез в краткой форме повторяет филогенез. Это означает, что отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме повторяет историю рода.
Поскольку минимальной самостоятельной живой системой можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического уровня следует начать именно с клетки. В зависимости от характера структуры и функционирования все клетки можно разделить на два класса:
• прокариоты — клетки, лишенные ядер;
• эукариоты, появившиеся позднее, — клетки, содержащие ядра.
При более глубоком исследовании оказалось, что эти два класса клеток обладают существенными различиями в структуре и функционировании генетического аппарата, строении клеточных стенок и мембранных систем, характере механизмов синтеза белков и т. п.