МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Кемеровський державний університет
Юридичний факультет Кафедра сучасного природознавстваДОПОВІДЬ
ПО ГЕНЕТИЦІна тему:
"Генетичний рівень біологічних структур"
Виконав: студент гр. Ю-991
Лякін В.Є.
Перевірив:
Халіуллін Р.Ш.
Кемерово 1999
Подання про структурні рівнях організації живих систем сформувалося під впливом відкриття клітинної теорії будови живих тіл. У середині минулого століття клітина розглядалася як остання одиниця живої матерії, на зразок атома неорганічних тел. З клітин мислилися побудованими всі живі системи різного рівня організованості. Такі ідеї висловлював, наприклад, один з творців клітинної теорії Маттіас Шлейден. Інший видатний біолог Ернст Геккель йшов далі і висунув гіпотезу, згідно з якою протоплазма клітини також володіє певною структурою і складається з субмікроскопічних частин. Таким чином, в живій системі можна виділити новий структурний рівень організації.
Ці ідеї, далеко випереджають наукові знання своєї епохи, зустрічали явне опір, з одного боку, послідовників редукціонізму, прагнули звести процеси життєдіяльності до сукупності певних хімічних реакцій, а з іншого - захисників віталізму, які намагалися пояснити специфіку живих організмів наявністю в них особливої "життєвої сили "(від лат. vitalis - життєвий).
Ідеї редукціоністов знаходили підтримку з боку представників механістичного і "вульгарного" матеріалізму, перші з яких намагалися пояснити закономірності живої природи за допомогою найпростіших механічних і фізичних понять і принципів, другі ж прагнули редукувати, звести ці закони до закономірностей хімічних реакцій, що відбуваються в організмі. Більш того, деякі представники "вульгарних" матеріалістів - Людвіг Бюхнер і Якоб Молешотт - навіть стверджували, що мозок породжує думку подібно тому, як печінка виділяє жовч.
Незважаючи на ці філософські дискусії між механіцістамі і віталісти, вчені-експериментатори намагалися конкретно з'ясувати, від яких саме структур залежать специфічні властивості живих організмів, і тому продовжували досліджувати їх на рівні не тільки клітини, але також і клітинних структур. В першу чергу вони досліджували структуру білків і з'ясували, що вони побудовані з 20 амінокислот, які з'єднані довгими поліпептидними зв'язками, або ланцюгами. Хоча до складу білків людського організму входять всі 20 амінокислот, але зовсім обов'язкові для нього лише 9 з них. Решта, мабуть, виробляються самим організмом.
Характерна особливість амінокислот, що містяться не тільки в людському організмі, але і в інших живих системах (тварин, рослини і навіть віруси), полягає в тому, що всі вони є левовращающімі площину поляризації ізомерами, хоча в принципі існують амінокислоти і правого обертання. Обидві форми таких ізомерів майже однакові між собою і різняться лише просторову конфігурацію, і тому кожна з молекул амінокислот є дзеркальним відображенням іншого. Вперше це явище відкрив видатний французький вчений Луї Пастер, досліджуючи будову речовин біологічного походження. Він виявив, що такі речовини здатні відхиляти поляризоване промінь і тому є оптично активними, внаслідок чого були згодом названі оптичними ізомерами. На відміну від цього у молекул неорганічних речовин ця здатність відсутній і побудовані вони абсолютно симетрично.
На основі своїх дослідів Л. Пастер висловив думку, що найважливішим властивістю всієї живої матерії є їх молекулярна асиметричність, подібна асиметричності лівої та правої рук. Спираючись на цю аналогію, в сучасній науці це властивість називають молекулярною хіральність. (Цей термін походить від грец. Cheir - рука). Цікаво зауважити, що якби людина раптом перетворився на своє дзеркальне відображення, то його організм функціонував би нормально до тих пір, поки він не став би вживати їжу рослинного або тваринного походження, яку він не зміг би перетравити.
На питання, чому саме жива природа вибрала білкові молекули, побудовані з амінокислот лівого обертання, до цих пір немає переконливої відповіді. Сам Л. Пастер вважав, що оскільки живе виникає з неживого, то необхідною попередньою умовою для цього процесу має стати перетворення симетричних неорганічних молекул в асиметричні, яке могло бути викликане різними космічними факторами: геомагнітними коливаннями, обертанням Землі і т. п. Спроби експериментально перевірити цю гіпотезу не увінчалися успіхом. Тому висловлювалися припущення, і про чисто випадковий характер виникнення перших живих молекулярних систем, утворених з амінокислот лівого обертання. Надалі ця особливість могла бути передана у спадок і закріпитися як невід'ємна властивість всіх живих систем.
Поряд з вивченням структури білка в останні півстоліття особливо інтенсивно вивчалися механізми спадковості та відтворення живих систем. Особливо гостро це питання постало перед біологами в зв'язку з визначенням кордону між живим і неживим. Великі суперечки виникли навколо природи вірусів, які мають здатність до самовідтворення, але не в змозі здійснювати процеси, які ми зазвичай приписуємо живим системам: обмінюватися речовиною, реагувати на зовнішні подразники, рости і т. п. Очевидно, якщо вважати визначальним властивістю живого обмін речовин , то віруси не можна назвати живими організмами, але якщо такою властивістю вважати відтворюваність, то їх слід віднести до живих тіл. Так природно виникає питання: які властивості або ознаки характерні для живих систем?
На це запитання вчені відповідали по-різному в різні історичні етапи розвитку природознавства в залежності від досягнутого рівня досліджень. Ще не існувало розвинених методів біологічного дослідження і скільки-небудь ясних теоретичних концепцій, сутність живого зводили до наявності деякої загадкової "життєвої сили", яка відрізняє живе від неживого. Однак таке визначення залишалося суто негативним, бо не розкривало ні справжньої причини, ні механізму відмінності живого від неживого, а всі зводило до ірраціональної, непознаваемой і тому таємничої здатності живих організмів. На цій підставі прихильників такого погляду зазвичай називають віталісти.
Якщо перші віталісти обмежувалися простою констатацією відмінності між живим і неживим, то їх послідовники використовували недоліки і обмеженість фізико-хімічних уявлень про життя для підкріплення своєї позиції. Найбільш цікавою в цьому відношенні видається спроба німецького біолога і філософа Ганса Дріша, який відродив існувало ще в Арістотеля поняття ентелехії для пояснення доцільності живих систем. Грунтуючись на своїх дослідах з регенерації морських їжаків, які відновлюють видалені у них частини тіл, Дріш стверджував, що всі живі організми мають особливу здатність до доцільним дій щодо збереження та підтримання своєї організації і життєдіяльності, яку він назвав ентелехії. На докори в тому, що ентелехії неможливо встановити ніякими емпірично методами, він відповідав, що магнітну силу також можна побачити безпосередньо. На цьому прикладі можна переконатися, як сучасні віталісти використовують поняття про неспостережуваних об'єктах (магнетизм, електрику і т. д.) для захисту своїх поглядів.
Незважаючи на критику віталістів, біологи-експериментатори продовжували свою важку і кропітку роботу з аналізу структури та функцій живих систем. Як змінилися наші уявлення про живих системах у зв'язку з переходом на новий, молекулярний рівень дослідження?
Довгий час у зв'язку з вивченням синтезу органічних речовин увага учених була зосереджена на дослідженні тієї частини клітинної структури, що утворена з білків. Багатьом тоді здавалося, що саме білки складають фундаментальну основу життя, і тому намагалися звести властивості живих систем до властивостей і структуру білків. Мабуть, саме спираючись на це, Фрідріх Енгельс висунув своє відоме визначення життя як способу існування білкових тіл, яке продовжували некритично повторювати в нашій літературі, незважаючи на глибокі дослідження, які з'ясували, що ні сам білок, ні його складові елементи не представляють нічого унікального в хімічному відношенні.
У зв'язку з цим подальші дослідження були спрямовані на вивчення механізмів відтворення та спадковості в надії виявити в них те специфічне, що відрізняє живе від неживого. Найбільш важливим відкриттям на цьому шляху було виділення зі складу ядра клітини багатого фосфором речовини, що володіє властивостями кислоти і названого згодом нуклеїнової кислотою. У подальшому вдалося виявити вуглеводний компонент цих кислот, в одному з яких виявилася D-дезоксирибоза, а в іншому - D-рибоза. Відповідно до цього перший тип кислот стали називати дезоксирибонуклеїнової кислоти, або скорочено, ДНК, а другий тип - рибонуклеїнова, або коротко, РНК кислотами. Потрібно було, проте, майже сто років, перш ніж була розшифрована роль нуклеїнових кислот у зберіганні і передачі спадковості, участь у синтезі білка і обміні речовин.
Не вдаючись в деталі і спеціальну термінологію, коротко розглянемо ці найважливіші для біології та природознавства питання.
Роль ДНК в зберіганні і передачі спадковості була з'ясована після того, як в 1944 р. американським мікробіологам вдалося довести, що виділена з пневмококів вільна ДНК має властивість передавати генетичну інформацію. До цього існували або непрямі, або не зовсім надійні свідчення цього факту. У 1953 р. Д. Уотсоном і Ф. Криком була запропонована та експериментально підтверджена гіпотеза про будову молекули ДНК як матеріального носія інформації. У 1960-і роки французькими вченими Ф. Жакобом та Ж. Моно була вирішена одна з найважливіших проблем генної активності, яка розкриває фундаментальну особливість функціонування живої природи на молекулярному рівні. Вони довели, що за своєю функціональної активності всі гени поділяються на "регуляторні", які кодують структуру регуляторного білка, і "структурні гени", що кодують синтез метаболітів.
Подальшими дослідженнями було встановлено безпосередній залежність синтезу білків (ферментів) від стану генів (ДНК). Було доведено, що основна функція генів складається в кодуванні синтезу білків. У зв'язку з цим виникло питання: яким чином здійснюється передача інформації від ДНК до морфологічних структур?
Відповідно до згаданої вище моделі Уотсона і Крику, спадкову інформацію в молекулі ДНК несе послідовність чотирьох підстав: два пуринових і два пірімідінових. Тим часом в білках міститься 20 амінокислот і тому стає необхідним пояснити, як чотирибуквені запис структури ДНК може бути переведена в 20-літерну запис амінокислот білків. Перше гіпотетичне пояснення механізму такого перекладу дав відомий фізик-теоретик Г. Гамов, припустивши, що для кодування однієї амінокислоти потрібне поєднання з трьох нуклеотидів ДНК. Через сім років його гіпотеза була блискуче підтверджена експериментально і тим самим був розкритий механізм зчитування генетичної інформації.
Перехід на молекулярний рівень дослідження багато в чому змінив уявлення про механізм мінливості. Згідно домінуючою точці зору, основним джерелом змін і подальшого відбору є мутації, що виникають на молекулярно-генетичному рівні. Однак крім перенесення властивостей від одного організму до іншого, існують і інші механізми мінливості, найважливішим з яких є "генетичні рекомбінації". В одних випадках, званих "класичними", вони не приводять до збільшення генетичної інформації, що спостерігається головним чином у вищих організмів. В інших, "некласичних" випадках рекомбінація супроводжується збільшенням інформації геному клітини.
Подальше дослідження "некласичних" форм генетичних рекомбінацій призвело до відкриття цілого ряду переносимих або "мігруючих" генетичних елементів. Все це не могло не поставити питання про те, чи працює природний відбір на молекулярно-генетичному рівні? Поява "теорії нейтральних мутацій" ще більше загострило ситуацію, оскільки вона доводить, що зміни у функціях апарату, який синтезує білок, є результатом нейтральних, випадкових мутацій, що не роблять впливу на еволюцію. Хоча такий висновок і не є загальновизнаним, але добре відомо, що дія природного відбору проявляється на рівні фенотипу, тобто живого, цілісного організму, а це пов'язано вже з більш високим рівнем дослідження.