ЭВОЛЮЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭТЮДЫ
Вопрос, на который и сегодня нет однозначного ответа — как зародилась жизнь на Земле, как человек сумел превратиться в того, кто он есть сегодня. По крупицам, шажок за шажком, продвигаются исследователи к постижению сути проблемы. Очередная лекция научно-популярного цикла для школьников «Академический час», который в Сибирском отделении намерены сделать традиционным, была посвящена этой интереснейшей теме.
Владимир Константинович Шумный — известный учёный-генетик, один из тех, кто с первых дней жизни Сибирского отделения был в его рядах. Много лет академик Шумный возглавлял Институт цитологии и генетики — прославленный коллектив, специалисты которого востребованы во всем мире. На встрече, состоявшейся в канун Нового года в конференц-зале Выставочного центра СО РАН, В. К. Шумный постарался популярно и образно рассказать старшеклассникам гимназии № 3 и школы № 162, проявляющим к биологии повышенный интерес, об этапах эволюции, истории генетики и её современных проблемах.
Этюд первый.
Происхождение жизни
По мере остывания Земли, на ней 3,5–4,5 млрд лет тому назад возникла жизнь — примитивные воспроизводящиеся живые системы.
Первая и, пожалуй, наиболее важная характеристика живых систем — самовоспроизведение или, в более общем виде, размножение во всех вариантах. В основе этого процесса лежит репликация или самовоспроизведение двунитчатой молекулы ДНК, в которой в определенный момент нити расходятся, и каждая из них строит себе копию отошедшей, в итоге чего из одной получаются две информационно полноценных двунитчатых молекулы ДНК. Этот простой механизм размножения молекулы ДНК является кульминационным моментом как происхождения жизни, так и началом её эволюции. Естественно, сразу возникает вопрос — как, где и когда появилась или возникла самая умная из известных — молекула ДНК, в которой с гениальной простотой зашифрована информация о происхождении жизни и её колоссальном разнообразии, по крайней мере на Земле.
Точного ответа на этот вопрос нет, но можно предполагать как земное, так и неземное происхождение ДНК, т.е. занос из другой планеты, где существует или существовала жизнь, и произошло это событие на Земле примерно 4 млрд лет тому назад. Главное, что оно произошло, и мы являемся его последствием. И только нам дано понять его значение.
Гениальность Природы заключается в том, что она сумела в молекуле ДНК с помощью четырех химических букв А, Т, Г, Ц (аденин, тимин, гуанин, цитозин) создать информационную матрицу в виде генетического кода, осуществляющего синтез белков как основных элементов жизни. Главная функция генетического кода заключается в расстановке в определенной последовательности в молекуле белка порядка 20 аминокислот, что и определяет структурную и особенно функциональную значимость белков как основных кирпичиков, из которых построены организмы.
Возникает вопрос: как четыре буквы кодируют 20 аминокислот? Природа решила задачу опять же гениально просто — каждую аминокислоту кодирует не одна и не две, а три буквы, названные триплетами. В данном случае мы получаем
43 = 64 комбинации, достаточные, и с запасом, для кодирования 20 аминокислот. Главное — не меньше 20, хотя оптимальный запас тоже имеет смысловую нагрузку, но это уже детали. Упрощенно говоря, тот участок ДНК, в котором триплетами закодирована структура и, естественно, функция определенного белка, условно можно назвать геном, хотя на самом деле это более сложная структура с элементами включения-выключения и т.д. С участка ДНК, названного геном, другая нуклеиновая кислота — информационная РНК снимает копию последовательности триплетов и переносит её на рибосому (фабрики сборки белков). Затем транспортные РНК доставляют к рибосоме аминокислоты и сажают их в соответствующие триплетные ячейки. На уровне генов тоже могут происходить изменения, прежде всего путем случайной замены одной буквы (А, Т, Г, Ц) на другую, что меняет смысловое значение триплетов, а в белке замену одной аминокислоты на другую. Это уже меняет функциональную значимость белка с определенными последствиями в развитии организма.
Замены букв (более точно — оснований) и есть исходный процесс возникновения мутаций генов, значение которого рассмотрим позже.
Такова элементарная фактура, позволяющая судить о происхождении и запрограмированности жизни.
Однако, как убеждали великие биологи XX века Н. В. Тимофеев-Ресовский и Ф. Г. Добжанский, любая биологическая фактура является значимой, если она осмыслена с эволюционных позиций. Именно здесь и развернулись бурные события на протяжении XVIII–XX веков.
Этюд второй.
Эволюция и разнообразие жизни
Мы рассмотрели молекулярно-генетическую модель происхождения жизни. Но вокруг нас миллионы видов бактерий, растений, животных и созерцающий всё это человек. Откуда и как всё это появилось?
Самый простой ответ дают креационисты — созданы Всевышним. Но не все с этим согласны. Вспомним некоторые ключевые фигуры в развитии естествознания. Навёл порядок в хаосе живых систем в XVIII веке шведский биолог Карл Линней. Он и его предшественники и последователи создали систематику живых организмов, в основном растений и животных, введя в биологию ключевое понятие «вид» и к нему более сложные таксономические категории «род», «семейство» и т.д.
Наряду с К. Линнеем появляется вторая знаковая фигура в биологии — французский биолог Ж. Б. Ламарк. Его по праву считают первым эволюционистом, провозгласившим, что новые виды возникают из уже существующих, что есть общая тенденция развития живых систем от простого к сложному, что имеющиеся биоразнообразие на Земле создано Природой в процессе эволюции.
Великий англичанин Чарльз Дарвин понял, что на основе внутривидовой изменчивости могут возникать новые виды. В своей знаменитой книге «Происхождение видов» он четко изложил механизмы эволюции на основе изменчивости, наследственности и естественного отбора. Но и для Ж. Ламарка, и особенно для Ч. Дарвина в его стройной теории эволюции зияла дыра, или по его выражению «кошмар» — отсутствие знаний по механизмам наследственности, передачи возникающей изменчивости последующим поколениям.
Этот кошмар снял современник Ч. Дарвина настоятель Брюннского монастыря в Австро-Венгрии Грегор Мендель, открыв материальные наследственные единицы, названные им факторами. Через 36 лет, в 1901 году, когда, наконец, поняли значение его работы, менделевские факторы назвали генами, а новую науку — генетикой.
Таким образом, дарвиновская триада — наследственность, изменчивость, отбор, приобрела логически законченную эволюционную систему, которая уже на основе синтеза с генетикой начала эволюционировать и порождать новые гипотезы.
Несколько слов об эволюционной лестнице человека. Был общий предок — насекомоядное животное, обитавшее на деревьях и давшее ветвь приматов. Второй важный момент — некоторые виды приматов встали на задние лапы, что повлекло к увеличению объема мозга и появлению мыслительных способностей. В итоге на заключительном этапе эволюции человека появилось две ветви наших предков — неандерталец и кроманьонец.
Неандертальцы, более сильные физически, всё же стали тупиковой ветвью эволюции и в конце концов вымерли. Наш предок кроманьонец совершил социальную революцию — начал оседлый образ жизни, начал одомашнивать растения и животных и воспроизводить их под своим контролем. На доместикацию ушло 12 тысяч лет, но этот первый осознанный человеком эксперимент обеспечил ему будущее. Академик Д. К. Беляев на лисицах воспроизвел процесс доместикации в Институте цитологии и генетики за 50 лет. Это одна из выдающихся работ Сибирского отделения РАН.
Этюд третий.
Современные проблемы генетики
Великий русский биолог Н. К. Кольцов в 1928 году предложил гипотезу матричного синтеза (самовоспроизведения) биологических молекул (на примере удвоения хромосом). Физик Р. Шредингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» поддержал гипотезу Н. К. Кольцова. Но оба считали, что информационно значимой молекулой является белок, что было ошибкой. В 1944–1952 гг. группой учёных (Эвери, Ледерберг и др.) при бактериальной трансформации инфекционного начала было точно установлено, что генетическая информация присуща нуклеиновым кислотам, а не белкам.
В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик создали модель двунитчатой спирали молекулы ДНК, и это стало мощным стартом для нового этапа развития генетики, когда наконец-то стал известен материальный носитель наследственной информации, генетического кода. Довольно быстро расшифровали всю цепь событий от ДНК — РНК-белок. Вслед за этим была понята природа многих мутаций как основного источника изменчивости. Огромное внимание к механизмам мутаций было связано и с тем, что многие из них у животных и человека вызывают патологии — наследственные болезни. Их можно разделить на три группы:
1) моногенные, которых известно уже более тысячи (фенилкетонурия, гемофилия, мукофисцидоз и др.);
2) хромосомные, в основном трисомия (наличие трёх вместо двух гомологичных хромосом), наиболее известный — синдром Дауна (трисомия по 21 хромосоме);
3) мультифакторные, когда в результате взаимодействия многих генов формируется предрасположенность к болезни. Вот почему так важно знать свою родословную как можно большего числа поколений, чтобы врач-генетик смог определить степень предрасположенности к болезни.
Почти 15 лет все генетики мира суперактивно занимаются геномикой — секвенированием геномов, т.е. чтением генетических текстов, текстовой расшифровкой генетической информации. Например, оказалось, что геном человека состоит из 3 млрд букв (оснований). Аденин, гуанин, тимин, цитозин в разных последовательностях и составляют наш трехмиллиардный генетический текст с числом генов 25–30 тысяч. На сегодняшний день расшифровано у высших организмов 107 геномов, среди них геномы человека мыши, риса, кукурузы, сои и др. Плюс к этому сотни бактериальных геномов. Из геномики вышла сравнительная генетика.
В итоге была установлена очень высокая степень гомологии (сходства) геномов у высших организмов. По генетическому тексту люди друг от друга отличаются на 0,1 %, от шимпанзе — на 2 %, от собаки — на 5 %. Это свидетельствует о том, что исходный геном эволюционировал, сохраняя исходную степень гомологии. И тут надо вспомнить великого русского биолога Николая Ивановича Вавилова, который еще в 1925 году сформулировал закон «О гомологических рядах в наследственной изменчивости» и на примере растений показал, что все систематические категории характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости, что свидетельствует о высокой гомологии генетического текста живых систем.
Несколько слов о генной инженерии. В биологии возникла новая специальность — генный инженер.
Суть этой профессии заключается в том, что мы можем выделять, синтезировать гены одного вида организмов и переносить их в геном другого вида, заставляя работать в новой генетической среде. Это открывает огромные возможности для получения организмов с новыми признаками, в том числе полезными для человека. Генно-инженерные технологии имеют сегодня огромное значение для фундаментальных исследований. Во многих лабораториях мира получают так называемые нокаутные линии с выключенными определенными генами, чтобы определить по их отсутствию роль того или иного гена в развитии организма. Особенно активно получение нокаутных линий идет у лабораторной мышки (более 2 тысяч линий).
Но главная проблема современной генетики, да и всей биологии — генетика развития, дифференцировка эмбриональных стволовых клеток в ткани и органы, т.е. расшифровка механизмов воспроизведения себе подобных из одной клетки — зиготы. Управление дифференцировкой эмбриональных стволовых клеток открывает огромные перспективы для новой восстановительной медицины тканей, органов. Однако сегодня применение стволовых клеток пока запрещено в связи с опасностью онкологии. Понадобится ещё несколько лет для отработки технологии их применения.
Управление развитием организма, пожалуй, сегодня самая захватывающая область для исследования. Работа генома в процессе развития живых организмов — это великолепно сыгранный оркестр, созданный Природой, где каждый ген имеет свое место и время игры в этом оркестре, создающим великую симфонию жизни.
Заканчивая выступление, Владимир Константинович продемонстрировал слайд, на котором была запечатлена прекрасная голубая роза — истинный генно-инженерный продукт. Получили её японцы. Взяли белую розу, из цветка анютины глазки извлекли ген дельфиниудин, пересадили. И вот результат.
Более того, генные инженеры пытаются выделить «светящиеся гены» из флюоресцирующих бактерий, пересадить в растения и получать этакие живые огоньки. Фантастика? Красиво!
Школьники собрались любознательные. Вопросов последовало много, умных и серьёзных. Случайно оказавшийся в зале третьеклассник Арсений проявлял к проблемам генетики незаурядный интерес. А когда речь пошла о ген-модифицированных организмах, снова спросил — не превратится ли колорадский жук, поедающий листья картофеля, в самую настоящую картошку! Все повеселились. Смех смехом, но фантастические перспективы развития генетики, о которых поведал академик Шумный, могут навеять какие угодно мысли.
Подготовила Л. Юдина
Фото В. Новикова
стр. 9
|
