Концепции современного естествознания

         Это утверждение допускает экспериментальную  проверку. Если мы правы, то  полипептиды, в которых аминокислотные  остатки чередуются случайным  образом (стохастические полимеры), должны проявлять биологическую  активность. Как только стохастический  полимер смог проявить ферментную  активность при синтезе своей  же матрицы - протогена, возникновение жизни можно было бы считать завершенным. Пусть эти полимеры работали хуже современных ферментов - не так эффективно и специфично. Но на то и отбор, чтобы корректировать их последовательности, совершенствуя функции.

         Вот хороший пример: есть целая  группа ферментов - сериновые протеазы, расщепляющие белки по амидным связям. Установлено, что активность их определяется наличием в последовательности тройки: серин-гистидин-аспартат - только тогда белок ускоряет расщепление (реакцию протеолиза) в 10 миллиардов раз против контроля. Если же мы будем убирать из последовательности сначала серин, потом гистидин, потом аспартат, активность соответственно будет снижаться в 2x106, 2x1O6 и 3x104 раз. Но и без магической тройки она не исчезнет, не будет нулевой.

         Отсюда следует, что в достаточно  большой и разнообразной совокупности  случайно синтезированных полимеров  можно найти такие, которые  смогут выполнять функцию любого  белка, например фермента, - такие  опыты уже были поставлены. Американский  исследователь X.С.Фокс смешивал сухие аминокислоты и нагревал их до 200?С; в результате получались полипептиды-цепочки из аминокислотных остатков, практически неотличимые от белков малой молекулярной массы. Мономеры в этих полимерах были распределены совершенно случайно, и в этой смеси вряд ли можно было найти две одинаковые молекулы. По-видимому, такие соединения - протеиноиды - легко возникали на начальном этапе существования Земли, например на склонах вулканов.

         Х.С.Фокс и его сотрудник Л.Бахадур проверили, может ли смесь протеиноидов работать как фермент. Оказалось, что она проявляла активность, имитирующую функцию ферментов пирофосфатазы, каталазы, АТФазы. Другие исследователи, многократно проверив опыты Фокса, пришли к выводу, что подобная смесь может имитировать функцию практически любого фермента. Возможно, что протеиноиды катализировали синтез первых генов - матриц, на которых синтезировались уже настоящие белки, но тоже со случайными последовательностями. Как только среди них нашлась одна, способная ускорить синтез и репликацию своей матрицы - нуклеиновой кислоты, труднейшая проблема происхождения жизни была решена.

         Для этого не требовалось сверхастрономического числа Вселенных и вмешательства сверхразума. В опытах Фокса участвовало не 10230 молекул, а существенно меньше - 1023,- одного моля, как говорят химики. Для возникновения жизни вполне хватило бы случайных химических реакций в достаточно большой грязной луже, вроде той, которую воспел Н.В.Гоголь в "Миргороде".

         Опровергнуть эту концепцию можно  посетив несколько планет земного  типа из других звездных систем. Вполне возможно обнаружить на  некоторых из них, хотя бы  на одной, жизнь. Вот если  тамошние гены и кодируемые  ими белки будут гомологичны генам и белкам земных организмов, можно принять идею Творца.

         Пока это не грозит: мы знаем,  что и на Земле один и  тот же ген не возникал дважды, как не было написано дважды  любое литературное произведение, тот же "Гамлет".

24. Генетика и эволюция.

     Генетика  представляет собой одну из основных, наиболее увлекательных и вместе с тем сложных дисциплин современного естествознания. Место генетики среди  биологических наук определяются тем, что она изучает основные свойства организмов - наследственность и изменчивость . 

     В результате многочисленных - блестящих  по своему замыслу и тончайших  по исполнению - экспериментов в  области молекулярной генетики современная  биология обогатилась двумя фундаментальными открытиями, которые уже нашли  широкое отражение в генетике человека, а частично и выполнены  на клетках человека.  

     Без преувеличения можно сказать, что, наряду с молекулярной генетикой, генетика человека относится к наиболее прогрессирующим  разделам генетики в целом. Ее исследования простираются от биохимического до популяционного, с включением клеточного и организменного уровней.

     Генетика  и эволюция 

     Под генотипом часто понимают всю  наследственную систему. Любая наследственная система должна рассматриваться  в трех аспектах: материальные носители, характер их взаимодействия между собой  и определенность конечного результата (аспект целостности). Из такого системного подхода следует важный вывод: если завтра будет известна полная последовательность ДНК данного организма, этих сведений будет недостаточно для понимания  того, как же функционирует эта  структура. Необходимо знать характер связей между генами, изменчивость нормы реакции, условия онтогенеза, т. е. динамический аспект организации  генотипа.

     Очевидно, что существуют не только структурные, но и динамические способы кодирования, хранения и передачи наследственной информации. Генетика - это наука  о наследственности. Под геномом  имплицитно подразумевается вся  наследственная система клетки. Термины  геном и генотип стали в  этом расширительном смысле семантически близки, отчасти синонимичны.

     Наследственная  система или геном клетки эукариот слагается из двух полуавтономных структурных  подсистем - ядерной и цитоплазматической.

     Совокупность  наследственных структур и локализованных в них наследственных факторов ядра иногда обозначают термином нуклеотип, а совокупность цитоплазматических наследственных факторов - цитотип.[ Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. -- СПб.: Борей Арт, 2000. -- С. 141.]

     Открытия  Г. Менделя (к истории вопроса). Грегором Менделем (1822-1884), были открыты основные законы наследуемости, которые были описаны более века назад.  

     Когда чешский монах, Георг Мендель  в 1865 году опубликовал свою теорию наследственности, то, как это часто бывает в научном  мире со слишком смелыми теориями, ее не приняли. Понадобилось почти 40 лет, аж до 1900 года, когда были открыты  хромосомы, опыты его вспомнили, выделенные законы стали основой  новой науки.

     В истории генетики очень велика была роль концептуальных открытий, к которым  следует отнести введение новых  терминов, понятий, способов представления  данных, символики, а также собственно концептуальных конструктов и открытий. Уже Г.Г.Мендель ввел буквенную  символику для обозначения разных факторов и обозначения фенотипически контрастных и отличающихся по характеру доминантности - рецессивности состояний одного и того же наследственного фактора. Это дало возможность представить в ясной форме характер наследования признаков в ряду поколений, установить количественные закономерности расщепления и анализировать его сложные случаи. Удивительна судьба понятия "ген".[ Голубовский М. Д. Век генетики: эволюция идей и понятий. -- СПб.: Борей Арт, 2000. -- С. 21.]

     Открытие  двойной спирали ДНК и принципов  редупликации - выдающееся научное  открытие XX века - расшифровка двойной  спирали ДНК - стало своеобразной вехой, знаменующей рождение принципиально  новой, молекулярной генетики, появились  новые направления и уникальные методы исследований, основанные на анализе  структуры макромолекул.  

     Благодаря открытию Уотсона и Крика, удалось, в частности, понять лишь ощущавшийся  в 20-40-е годы прошлого столетия принцип  редупликации, самовоспроизведения  генов.

     Уотсон  и Крик в знаменитой публикации 1953 года в журнале "Nature" так его сформулировали: "От нашего внимания не ускользнул тот факт, что из постулируемой нами избирательной сочетаемости пар (нуклеотидов А-Т, Г-Ц. - Ю.А.) вытекает возможный механизм копирования генетического материала". Работа Уотсона и Крика связала генетику с такими точными науками, как физика и химия, способствовала открытию генетического кода и породила лавину исследований, сделавших молекулярную генетику передовым краем биологии. Современная генетика - молекулярной своей частью, не исчерпывается, это - сложная и сильно дифференцированная наука.

     Ее  можно представить в виде древа, корнями которого служат законы наследственности, открытые в середине XIX века Грегором Менделем, а ветвями - различные научные направления, сформировавшиеся в процессе естественного развития генетики, в том числе и в последние десятилетия. Если обратиться к уровням организации жизни, то можно выделить популяционную генетику (ведет исследования на уровне популяций), физиологическую генетику и генетику развития (изучают наследственные свойства целостного организма), цитогенетику (клеточный уровень), молекулярную генетику (молекулярный уровень).

     Существуют  и так называемые частные генетики, которые описывают наследственные особенности различных биологических  видов: дрозофилы, крупного рогатого скота, курицы, собаки, кошки, человека и т.д. Наконец, могут быть и более крупные  подразделения: генетика животных, генетика растений, генетика микроорганизмов  и, кроме того, существует огромная область, именуемая медицинской, или  клинической, генетикой.[ Статья: ГЕНЕТИКА - ЦЕЛОСТНАЯ НАУКА. Беседа с академиком Ю.П. Алтуховым]

     Геном человека и геном животных - сходства и различия. Сравнение геномов  человека, шимпанзе и других млекопитающих  позволяет выявить все больше генетических особенностей, отличающих нас от других животных. Однако функциональное значение большинства выявленных отличий  пока не установлено, и даже сколько-нибудь обоснованные гипотезы удается выдвинуть  лишь в немногих случаях.

     Вопрос  отличия человека от животного, издавна  не дает покоя ученым. Хотя этологи  и зоопсихологи в последние годы превзошли самих себя в отыскании  у животных многих особенностей мышления и поведения, считавшихся ранее  чисто человеческими, какие-то отличия  все же, безусловно, имеются.

     Особые  надежды возлагаются на сравнение  человеческого генома с геномом  шимпанзе. Это позволяет сразу  исключить из рассмотрения те 98% генома, которые идентичны у наших  видов. Где-то там, в оставшихся двух процентах, зашифрована тайна человеческой уникальности. За успехами этих исследований общественность следит с неослабевающим интересом. На сегодняшний день узнать о тех изменениях, которые произошли  в нашем геноме после того, как  около 6 млн. лет разошлись эволюционные пути человека и шимпанзе?

     1. Изменения белков. Те части генома, которые кодируют белки, изменились  очень мало. Различия в аминокислотных  последовательностях белков у  человека и шимпанзе составляют  значительно менее 1%, да и из  этих немногочисленных различий  большая часть либо не имеет  функционального значения, либо  это значение остается неизвестным.  Лишь в отдельных случаях удалось  выдвинуть обоснованные гипотезы  о возможной функциональной роли  этих изменений.

     2. Изменения регуляторных РНК. Еще  один метод поиска "перспективных"  районов человеческого генома  основан на выявлении таких  участков ДНК, которые у шимпанзе  и других животных сходны между  собой, а у человека сильно  отличаются. Таким способом было  выявлено 49 участков генома, в которых  у наших предков произошли  радикальные изменения уже после  того, как разошлись эволюционные  линии шимпанзе и человека. 

     Попытки найти в этих 49 участках что-нибудь осмысленное привели к открытию гена HAR1F. Этот ген кодирует не белок, а маленькую регуляторную РНК, которая  активно синтезируется в мозге  эмбриона как раз в тот период, когда закладывается структура  коры больших полушарий (на седьмой-девятнадцатой  неделе). Этот ген, как выяснилось, есть не только у всех млекопитающих, но и у птиц. Однако человеческий HAR1F имеет 18 отличий от шимпанзиного, а шимпанзиный от куриного - только два. Осталось лишь понять, какие гены регулирует эта маленькая регуляторная РНК, как она это делает и зачем.

     3. Изменения активности генов. Эволюция  многоклеточных организмов в  целом и приматов в частности  протекает не столько за счет  изменения структуры генов, сколько  за счет изменения их активности. Небольшое изменение в верхних  этажах иерархически организованных  генно-регуляторных контуров может приводить к самым радикальным изменениям морфологии. При этом количество измененных нуклеотидов в геноме может быть очень небольшим. Активность генов регулируется множеством способов, но самой универсальной у высших организмов является регуляция при помощи специальных белков - транскрипционных факторов (ТФ). Любопытно, что почти все гены, чья активность в клетках мозга сильно различается у человека и шимпанзе, у человека работают активнее. Что бы это значило? Никто пока не знает.