Клеточная теория и биогенетический закон

     Генетическая информация хранится в виде последовательности нуклеотид. Она передаётся в клетке от ДНК к РНК. В процессе этой реакции воспроизводится часть последовательности ДНК, ген и синтезируется матричная РНК. Последовательность матричной РНК, состоящей только из одной цепи, является комплементарной последовательности нуклеотид кодирующей её цепи ДНК.

     Зародилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая целые геномы. До недавнего времени на основе достижений молекулярной биологии и генной инженерии удалось прочитать генетические тексты вирусов грибков, дрожжевых бактерий и, наконец, в 1998 году после 8 лет напряженной работы удалось прочитать геном многоклеточного животного - нематоды (маленького червячка, обитающего в почве). Расшифрован геном человека. Геном нематоды состоит из примерно 100 миллионов пар нуклеотид. Геном человека состоит из 3 миллиардов пар. Создана международная программа «Геном человека». Лаборатории в разных странах сообщают данные о расшифровке нуклеотид (секвенировании) в Международный банк данных, доступных каждому исследователю.

     Ее результаты существенны для понимания происхождения человека и других видов, эволюции молекул и клеток, взаимодействия информации с потоками веществ и энергии в живых системах. Сегодня ученые полностью расшифровали структуру и расположение всех генов, присутствующих в человеческом организме. Но потребуется значительное время и средства, чтобы понять законы функционирования генов - партитуру, которая превращает солистов (гены) в слаженный оркестр [3].

     Эпоха биоинформатики началась после открытия Уотсоном и Криком (1953 г.) двойной спирали ДНК и генетического кода Ниренбергом (1961 г). Комплементарность (взаимодополняемость) двух цепей ДНК дала ключ к пониманию связи структуры и функции (физическая устойчивость спирали с матричным копированием). В биологии появился мир ДНК, РНК и белков, объединенный единым линейным словарем. Если ДНК хранит нереализованную информацию в линейных генах, то мир РНК и белков является мастерской, реализующей пространственный проект клетки.

     Главное свойство структуры ДНК, установленное Уотсоном и Криком, заключается в том, что цепи двойной спирали располагаются одна относительно другой совершенно определённым образом: напротив основания G одной цепи обязательно находится основание С другой цепи, а напротив А - Т (химической причиной этого является наличие водородной связи между размещающимися друг против друга парами оснований). Это означает, что, определив последовательность оснований в одной цепи, можно автоматически узнать последовательность оснований в другой. Перед делением клетки двойная спираль молекулы ДНК разделяется на две цепи, каждая из которых достраивается по принципу комплементарности и образует две копии, идентичные исходной молекуле. В процессе репликации иногда возникают «сбои»: запись не той «буквы» или её утрата. Это мутации - основа изменчивости

     Программа «Геном человека» была создана в первую очередь для расшифровки всех «текстов» ДНК, которую окрестили «Библией Жизни». Каждая клетка человека содержит двойную нить ДНК из 3 млрд. нуклеотид длиной почти 2 метра. Согласно последним уточненным данным ДНК человека содержит около 4 млрд. «кирпичей». Известный генетик Валерий Сойфер подсчитал, что если всю ДНК клеток одного человека выстроить в линию, то эта нить достигнет Солнца! Между тем вся биологическая информация разбросана крошечными «островками» смысла, вкрапленными в «океаны» бессмыслицы и информационной «пустоты» материнских и отцовских хромосом. Всего 3% территории ДНК работают в режиме программного обеспечения; 97% ДНК не являются источником информации, но этот уникальный каркас выполняет функции копировальной машины.

     В эволюции многих видов ДНК непропорционально растет «черными дырами» и «пустотами» на один «джентльменский набор» из 50.000-70.000 генов. На первый взгляд природа нарушила в случае с ДНК важнейший закон молекулярной экономии: ведь каждой клетке нужно тратить много энергии и средств для упаковки двух метров ДНК в крошечный объем клеточного ядра, который человеческий глаз уже не видит. Почему даже в ДНК крохи «смысла» уравновешены избытком «бессмыслицы»? Зачем так настойчиво хранится и материализуется огромный резерв ДНК, который не работает в клетке? Пока это непонятно.

     Еще недавно полагали, что специализированная клетка выживает с помощью 10.000-15.000 генов. Эти оценки оказались завышенными. Например, в скелетной мышце экспрессировано (прочитано) 1078 генов. Все «мышечные» гены сконцентрированы на пяти хромосомах, однако наиболее важные гены находятся на 17-й, 19-й и 10-й хромосоме. Всего 4% генов обеспечивают уникальный фенотип мышечных клеток, тогда как остальные гены обеспечивают стандартное программирование, почти универсальное для всех специализированных клеток. Как такое малое число генов обеспечивает почти бесконечное функциональное разнообразие клеток?

     Оказалось, что лишь с ДНК и РНК клетка работает как редактор линейных текстов. Однако практически в каждой специализированной клетке были найдены серьезные несоответствия между репертуаром белков и мРНК (копий генов) в цитоплазме. Оказалось, что специальные биохимические машины позволяют прочитывать и комбинировать разными способами текст одной и той же матрицы-заготовки. Поэтому одна и та же молекула мРНК дает от 5 до 20 разных белков за счет комбинаторики составляющих единиц. В мире белков клетка трудится, как архитектор, строя по двухмерным чертежам трехмерные архитектурные ансамбли.

     Для этого природа создала большое количество «розеток» и «вилок» на поверхности белков. Стыковочные модули увеличивают во много раз варианты сборки белков в комплексы. С максимальной изощренностью заполняется микропространство клетки «конвейерами» и «машинами». Вот почему в каждой клетке «репертуар» белковых машин на порядок больше, чем «репертуар» исходных белков. Каждая клетка - выдающийся образец микрозодчества, сочетающего законы искусства с передовыми технологиями. Современная микроэлектроника делает первые шаги в направлении того качества и эффективности, которые обеспечивают каждодневную рутину жизни клеток.

4. Клеточная теория и биогенетический закон

 

     Клетки - это структурные и функциональные единицы живых организмов. Подобное представление, известное как клеточная теория, сложилась постепенно в XIX веке в результате микроскопических исследований. Можно вполне убедительно обосновать клеточную основу жизни. Клетка представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Для того, чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию химических веществ, эта система должна быть физически отделена от своего окружения, и вместе с тем она должна обладать способностью к обмену с этим окружением, то есть способностью поглощать те вещества, которые требуются ей в качестве «сырья», и выводить наружу отходы.

     Все клетки живых организмов содержат цитоплазму и генетический материал в форме ДНК. ДНК регулирует жизнедеятельность клетки и воспроизводит самое себя, благодаря чему образуются новые клетки. Во времена Дарвина клетку считали пузырьком, заполненным химическими веществами, который мог образоваться самопроизвольно из органических компонентов. В 1839 г. чешский физиолог Пуркинье предложил термин протоплазма для обозначения живого содержимого клеток. В ту пору в протоплазме трудно было что-либо разглядеть. Однако в настоящее время ясно, что клетка представляет собой очень сложный биохимический механизм, состоящий из более мелких обособленных структур, выполняющих каждый свою «работу». Они были названы органеллами. Как возникла эта структура, неизвестно, и представить её постепенное возникновение в процессе эволюции довольно сложно. Кратко охарактеризуем некоторые наиболее значимые органеллы протоплазмы клетки:

     Рибосомы синтезируют белковые молекулы, пользуясь молекулами информационной РНК как матрицами. Они являются самыми мелкими органеллами. Они присутствуют как в прокариотических, так и в эукариотических клетках.

     Эндоплазматический ретикулум состоит из сети мембран, которые образуют отсеки, где проходит синтез и транспортировка синтезируемых в клетке веществ.

     Ядро содержит наследственный материал клетки в виде ДНК, в которой записана информация, необходимая для функционирования клеточного механизма. Репликация ДНК представляет собой сложный и многостадийный молекулярный процесс. Ядро имеется во всех эукариотических клетках.

В ядрышках происходит частичный синтез рибосом.

     Микротрубочки образуют сложную сеть, определяющую форму клетки, как бы клеточный скелет. Они же позволяют клетке передвигаться и менять очертания.

     Лизосомы содержат ферменты, разрушающие вещества, которые мешают жизнедеятельности клетки.

Хлоропласты, находящиеся в клетках растений, осуществляют фотосинтез, то есть преобразовывают солнечную энергию в энергию химических связей в молекулах сахара.

     В клеточную мембрану встроено множество сложных белковых молекул, регулирующих её проницаемость и осуществляющих процессы обмена клетки с окружающей средой.

     Митохондрии - это химические фабрики, генерирующие энергию клетки в процессах управляемого разложения молекул питательных веществ.

Биогенетический закон сформулировал Э. Геккель в 1866 г. на основе идей Ч. Дарвина и исследований Ф. Мюллера. Поэтому он носит название биогенетического закона Э. Геккеля - Ф. Мюллера. Биогенетический закон в 1910 г. существенно уточнил А. Н. Северцев (1866 - 1936), создавший теорию филэмбриогенеза .

     Согласно этому закону, зародыши в процессе развития повторяют в несколько сокращённом виде эволюционный путь, пройденный их предками, то есть существует сходство между эмбриональным развитием и эволюционным процессом. В настоящее время установлено, что зародыши высших форм животных сходны с зародышами низших форм. Ранние стадии развития зародыша удивительно сходны у всех позвоночных, и нелегко отличить зародыш человека от зародыша свиньи, цыплёнка, лягушки или рыбы. Повторение (рекапитуляция) в онтогенезе филогенетических черт может быть неполным, с определенными искажениями, связанными с дальнейшими эволюционными преобразованиями, в частности могут повторяться особенности соответствующих фаз развития предковых форм.

     Эмбриогенез - удивительная вещь. Из генетической линейной структуры ДНК получается трехмерный организм. Как - до сих пор никто не знает. Существует линейная запись генетического кода в молекулах ДНК, она представляет собой запись последовательности аминокислот для молекул различных белков. Аминокислоты собираются в белки. Но ген - это линейная структура, в них нет записи формы уха, нет записи формы глаза, носа или длины ног. Там записаны только белки, из которых все строится, и как максимум время появления белков, или, как говорят генетики, время экспрессии генов. Часть генов репрессирована, то есть, неактивна, часть генов - активна.

      В эмбриональном развитии в разное время появляются разные белки. Существуют гены-регуляторы, которые регулируют время и скорость синтеза или количество синтезируемого белка. К форме организма это не имеет никакого отношения. Например, мы можем взять клетку с внутренней стороны щеки, размножить ее и получить килограмм таких клеток. Но из этого килограмма клеток не удастся сделать хотя бы кончик носа потому, что мы не знаем законов, по которым из линейной структуры белков возникает трехмерная форма.

     Размножать клетки в пробирке сейчас может любой лаборант, а вот сделать из них хоть что-нибудь вне организма нельзя. Проблема сложна в том смысле, что механизмы формообразования, то есть превращения линейной структуры в форму, на сегодняшний день неизвестны. Более того, чем дальше, тем яснее становится, что генетической детерминации развития нет, судьба клеток не закодирована геном, она вероятностна. Звучит ошеломляюще, но это так. Законы формообразования играют в эмбриогенезе не меньшую роль, чем генетическое наследование.

     Важнейшее достижение биогенеза заключается в формировании генетических программирующих устройств, позволяющих закреплять достигнутое. Соревнование различных программ в борьбе за существование ведёт к двум важным следствиям:

Во-первых, естественный отбор совершенствует программы индивидуального развития особей.

Во-вторых, возникает программирование направления эволюции видов. При этом программирующим устройством становится сама биосфера. Ведь она определяет особенности, скорость и направление эволюционных преобразований видов, входящих в её состав.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

      Генетика сравнительно молодая наука, однако ее достижения и перспективы весьма впечатляющи.

     Первый генетический закон был сформулирован Г. Менделем. Это был закон единообразия гибридов первого поколения: первое поколение гибридов в силу проявления у них лишь доминантных признаков всегда единообразно. Этот закон носит также название первого закона Менделя или закона доминирования. Однако результаты его исследований оставались практически неизвестными почти 35 лет - с 1865 по 1900.

     В 1900 году законы Менделя были переоткрыты независимо сразу тремя учеными - Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. В 1909 датский ученый В. Иогансен ввёл понятие «ген» (от греч. слова «происхождение»).

     В 1944 году американскими биохимиками (О. Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК. С этого времени началось быстрое развитие науки, исследующей основные проявления жизни на молекулярном уровне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

 

 1. Аруцев В. Концепции  современного естествознания. –  М.: Владос, 2007.

2. Белов В. И. Энциклопедия  здоровья. – М.: Медицина, 2004.

3. Горелов А.А. Концепции  современного естествознания. –  М.: Академия, 2000.