Роль нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) в механизмах наследственности и изменчивости

      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.

      Соответственно  тому, из каких клеток построены  живые системы, их можно разделить на две обширные группы или два живых царства. К первому принадлежат многочисленные виды таких одноклеточных организмов, как бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и др. Все остальные одноклеточные, а тем более многоклеточные организмы, начиная от низших и кончая высшими, построены из позднее возникших эукариотных клеток. Эту классификацию пришлось, однако, пересмотреть после открытия архебактерии, особенность которых состоит в том, что их клетки в чем-то сходны, с одной стороны, с прокариотами, а с другой — с эукариотами. На этом основании в настоящее время различают три типа онтогенетического уровня организации живых систем, которые представляют собой три линии развития живого мира: 1) прокариоты, или эубакуерии;

      2) эукариоты и 3) архебактерии.

      По-видимому, все эти три линии развития исходят из единой первичной минимальной живой системы, ко-торую можно называть протоклеткой. Предполагают, что она обладала всеми основными свойствами, характерными для живых организмов. К ним относят прежде всего способность к обмену с окружающей средой —признак, присущий всем открытым системам. С нею непосредственно связана способность протоклетки к метаболизму, т.е. осуществлению биохимических реакций, сопровождающихся усвоением необходимых для роста клетки веществ и удалением использованных продуктов реакций. Дальнейшее функционирование и развитие клетки предполагает также наличие у нее способности к делению и отпочкованию. К этим признакам многие исследователи добавляют дополнительные свойства, но все ученые признают, что протоклетка отнюдь не была какой-то бесструктурной массой, а представляла собой достаточно организованную целостность, которую можно охарактеризовать как первичную живую систему. Предполагают также, что протоклетка по важнейшим своим структурно-функциональным свойствам не была подобна современным одноклеточным прокариотам, а обладала некоторыми признаками, аналогичными свойствам эукариотных клеток.

      По  вопросу происхождения эукариотных  клеток существуют две основные гипотезы. Сторонники аутогенной гипотезы считают, что такие клетки могли возникнуть путем дифференциации и усложнения слабо структурированных клеточных образований, подобных прокариотам. Защитники другой, симбиотической, гипотезы полагают, что эукариотные клетки образовались путем симбиоза нескольких прокариотных клеток, геномы которые  внедрились в клетку-хозяина, причем, по одной версии, они способствовали постепенному превращению последней в эукариотную клетку, а по другой — она уже обладала некоторыми свойствами эукариотов.

        Структурный подход к анализу  первичных живых систем на  онтогенетическом уровне, о котором  шла речь выше, нуждается в  дополнительном освещении функциональных особенностей их жизнедеятельности и обмена веществ. Среди них особого внимания заслуживает исследование трофических, или пищевых, потребностей организмов. Для этого необходимо проследить взаимоотношения организмов с окружающей средой в рамках соответствующей экологической системы. Именно поэтому изучение структуры и основных типов питания уже давно привлекало внимание ученых. Они выделили прежде всего два главных типа питания

      К автотрофному типу относились организмы, которые  не нуждались в  органической пище и могли жить либо за счет ассимиляции углекислоты (бактерии), либо фотосинтеза (растения). Ко второму, гетеротрофному, типу принадлежали все организмы, которые не могли жить без органической пищи.

      По  вопросу о том, какой тип питания  возник вначале становления живых  систем, мнения расходятся. Одни ученые не без основания полагают, что  сначала появился автотрофный тип, поскольку сложные органические вещества, необходимые для гетеротрофного питания, могли образоваться лишь после того, как автотрофные организмы создали для этого необходимые условия.  Другие исследователи считают, что гетеротрофное питание появилось раньше автотрофного. Такого допущения, в частности, придерживается в своей гипотезе происхождения жизни А.И. Опарин, полагая, что уже первичный "бульон", в котором зародилась жизнь, содержал органические соединения как питательную среду для дальнейшего развития.

      Первоначальная  простая классификация основных типов питания и соответственно организмов на автотрофов и гипертрофов в дальнейшем подверглась изменениям и уточнениям, в которых выявлялись такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества для роста (витамины, гормоны и специфические ферменты), обеспечивать себя энергией, источниками получения углерода, азота и водорода; зависимость от экологической среды и т. п. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических потребностей организмов свидетельствует о необходимости целостного, системного подхода к изучению живых систем и на онтогенетическом уровне.

            Такая целостность, взаимосвязь и взаимодействие выступают в обшей форме функциональной системности, которая находит выражение в согласованном функционировании различных компонентов одноклеточных и многоклеточных организмов.

      При этом отдельные компоненты содействуют  и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым  единство и целостность в осуществлении всех процессов жизнедеятельности всего организма. Подобная функциональная системность в специфических формах выступает и на других уровнях организации живых организмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

      Подведя итоги можно сказать, что самым  удивительным в развитии живых организмах является то, что из ничтожного микроскопического зерна – клубка хромосом развивается нечто очень большое и сложное и очень тонкое, организованное и на столько точно определённое, что близнецы, развивающиеся из одной и той же клетки, часто оказываются неразличимо похожими друг на друга. Ученые называют это наследственностью.

      Химическая  теория наследственности открыла пути создания новых видов – мутации животных организмов через перестройку ДНК существующих видов, воздействия на них химическими реактивами, получившими название мутагенов. Таким образом были открыты, в частности, вещества, которые вызывают увеличение хромосом, то есть пучков нуклеиновых кислот в растительных клетках.

      Очень активное влияние на структуру ДНК  оказывает радиоактивное облучение. Оно вызывает перестройку молекул  ДНК, наследственно передаваемую потомству облученных организмов.

      Так, на ряду с атомной физикой, химия  вторглась в святая святых живых  организмов – живую память – наследственность. Наука эта получила название – генетик. Наряду с ядерной энергетикой она открывает перед человеком практически неограниченные возможности в преобразовании мира и живых существ, и только от людей будет зависеть в какое русло они направят свои усилия: на усовершенствование ли нас окружающего нас мира, либо, наоборот, приведут человечество к полному его уничтожению.

Список  использованных источников

1. Кузнецов  В. И., Идлис Г. М., Гутина В.  Н. Естествознание. – М., 1996. Гл. XIII–XVII.

2. Заренков  Н.А. Теоретическая биология. –  М., МГУ, 1988.