Молекулярно-генетический уровень живых структур

Интуитивно мы все понимаем, что есть живое и что - мертвое. Каковы же границы между живым и неживым?

Долгое время многим исследователям казалось, что именно белки составляют фундаментальную основу жизни. По-видимому, именно опираясь на это, Фридрих Энгельс (1820 – 1885) выдвинул свое известное определение жизни как способа существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой. И все же живая мышь и горящая свеча с физико-химической точки зрения находятся в одинаковом состоянии обмена веществ с внешней средой, равно потребляя кислород и выделяя углекислый газ, но в одном случае — в результате дыхания, а в другом — в процессе горения. Обмен веществ является хотя и необходимым, но недостаточным критерием определения жизни, впрочем, как и наличие белков.

Таким образом, что дать точное определение жизни весьма непросто. Так, французский философ-просветитель Д. Дидро писал: «Я могу понять, что такое агрегат, ткань, состоящая из крохотных чувствительных телец, но живой организм!.. Но целое, система, представляющая собой единый организм, индивидуум, сознающий себя как единое целое, выше моего понимания! Не понимаю, не могу понять, что это такое!»[1].

Неясности в понимании природы живого характерны не только для эпохи Дидро. Они остаются и в наше время. Большие споры возникли, в частности, вокруг природы вирусов. Так, вирусы обладают способностью к самовоспроизводству, но не в состоянии осуществлять процессы, которые обычно приписывают живым системам: обмениваться веществом, реагировать на внешние раздражители и т. п.

Если считать определяющим свойством живых существ обмен веществ, то вирусы, очевидно, нельзя назвать живыми организмами, но если таким свойством считать способность к воспроизводству, то их следует отнести к живым системам.

Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойствможет дать представление о специфике жизни. Обычно считают, что живые организмы:

· характеризуются сложной, упорядоченной структурой; уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах;

· получают энергию и вещество из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности; для него характерны процессы метаболизма (от греч. metabole — перемена, превращение), или обмена обществ;

· активно реагируют на окружающую среду; способность реагировать на внешние раздражения — универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.

· в процессе развития не только изменяются, но и усложняются: у растения или животного появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур;

· имеет способность к самовоспроизведению, причем потомство и похоже, и не похоже в чем-то на родителей; в этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы;

· характеризуется способностью передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения;

· хорошо приспособлены к среде обитания; так, строение крота, рыбы, лягушки, дождевого червя соответствует условиям, в которых они живут.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты [2].

Учитывая сохраняющуюся дискуссионность категории жизни, анализ ее признаков следует дополнить рассмотрением структуры живого, составляющих его элементов, частей.

Генетическая природа наследственности. Быстрое развитие в XX в. генетики как отрасли биологической науки определяется рядом причин:

· Огромной ролью, которую играет наличие генов, носителей наследственной информации в существовании живых организмов.

· Изменчивостью генов, их способностью к мутациям, перестройкам, что и явилось решающим фактором эволюции, развития всего живого, его огромного разнообразия.

· Открытием в конце XIX в. законов, которым подчиняется механизм наследственности, а это сделало возможным целенаправленную селекцию растений и животных.

Итак, генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. В основу генетики легли закономерности наследственности, обнаруженные австрийским биологом Грегором Менделем (1822 – 1884), при проведении им серии опытов по скрещиванию различных сортов гороха. Было установлено, что носители наследственности в виде хромосом содержатся в ядрах клеток.

В хромосомах содержится наследственное вещество, о существовании которого писал в 1865 г. Грегор Мендель, а Вильгельм Иогансен (1857 – 1927) назвал это вещество геном. Наиболее важным открытием на пути открытия структуры гена было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, названного впоследствии нуклеиновой кислотой. Выявлены ее углеводные компоненты, в одном из которых оказалась D-дезоксирибоза, а в другом – R-рибоза. Первый тип кислот стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами, или сокращенно ДНК, а второй — рибонуклеиновыми, или кратко РНК-кислотами.

В 1944 г. американские микробиологи доказалти, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. 24 апреля 1953 г. американским биохимик Джеймс Уотсон (р.1928) и английский биофизик Фрэнсис Крик (р. 1916) опубликовали статью, раскрывающую структуру материального носителя наследственной информации — молекулы ДНК. Согласно предложенной ими модели молекула ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух ветвей, азотистые основания попарно связаны непрочной водородной связью, так что пуриновое основание – аденин – соединяется с пиримидиновым основанием – тимином, и аналогично гуанин с цитозином.

По современным воззрениям ген представляет собой определенный участок молекулы ДНК вместе со специфическим набором нуклеотидов, в линейной последовательности которых записана генетическая информация. В1960-е годы французские ученые Франсуа Жакоб (р. 1920) и Жак Моно (1910—1976) доказали, что одна из основных функций генов состоит в кодировании синтеза белков. Каждый ген ответственен за синтез определенного белка или фермента. Совокупность генов организма образуют его генотип. В живой клетке в процессе обмена веществ на молекулах ДНК синтезируется информационная РНК, которая служит матрицей для синтеза белков.

Согласно модели Уотсона и Крика наследственную информацию в молекуле ДНК несет последовательность всего четырех оснований, между тем в белках содержится двадцать аминокислот. Известный физик-теоретик Г. Гамов предположил, 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. Таким образом, сочетания трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК (триплеты, или кодоны) составляют генетический код.

Рис. Фрагмент молекулы ДНК.

Цепи состоят из остатков дезоксирибозы (Д), фосфорной кислоты (Ф) и азотистых оснований, обращенных внутрь молекулы. Двойная спираль устойчива благодаря водородным связям, образующимся между аденином и тимином (А-Т) и гуанином и цитозином (Г-Ц).