Панорама современного естествознания

Экология

Биология Аутэкология Синэкология Физическая география

27

Рис.2. Уровни организации живого

Представления о структурных уровнях организации живых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине прошлого века клетка рассматривалась как элементарная единица живой материи, наподобие атома неорганических тел. Проблема строения живого, изучаемого молекулярной биологией, coвершила научную революцию с середины нашего столетия. Во второй половине XX в. были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней.

Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в "полужидкой" цитоплазме. Все они вместе заключены в клеточную мембрану. Клетка нужна для аппарата воспроизводства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать. Основное вещество клетки -- белки, молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или браслеты с брелочками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются особые белки, определяемые генетическим аппаратом.

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Хотя в состав белков человеческого организма входят 20 аминокислот, но совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот, содержащихся не только в человеческом организме, но и в других живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том, что все они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения.

Дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась Д-дезоксирибоза, а в другом Р-рибоза . Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксири-бонуклеиновыми кислотами, или сокращенно, ДНК, а второй тип - рибонуклеиновыми, или кратко РНК кислотами.

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. В 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении молекулы ДНК как материального носителя информации. В 1960-е гг. французскими учеными Франсуа Жакобом и Жаком Моно 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 ферментов.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает винтовую лестницу. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном. Гены расположены в хромосомах (части ядер клеток). Было доказано, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков. Механизм передачи информации от ДНК к морфологическим структурам дал известный физик-теоретик Г.Гамов, указав, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Молекулярный уровень исследования позволил показать, что основным механизмом изменчивости и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Мутация -- это частичное изменение структуры гена. Конечный эффект ее -- изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайным. Действие естественного отбора проявляется на уровне живого, целостного организма.

Поскольку минимальной самостоятельной живой системой можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического уровня следует начать именно с клетки. В настоящее время различают три типа онтогенетического уровня организации живых систем, которое представляют собой три линии развития живого мира:

1) прокариоты -- клетки, лишенные ядер;

2) эукариоты, появившиеся позднее, клетки, содержащие ядра;

3) архебактерии -- клетки которых сходны с одной стороны с прокариотами, с другой -- эукариотами. По-видимому, все эти три линии развития исходят из единой первичной минимальной живой системы, которую можно назвать протоклеткой. Структурный подход к анализу первичных живых систем на онтогенетическом уровне нуждается в дополнительном освещении функциональных особенностей их жизнедеятельности и обмена веществ.

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным живым организмам -- одноклеточным и многоклеточным. В разных организмах число клеток существенно отличается. В соответствии с числом клеток все живые организмы разделяют на пять царств.

Первые живые организмы имели одиночные клетки, затем эволюция жизни усложнила структуру и число клеток. Одноклеточные организмы, имеющие простое строение, называются мономерами (от греч. meros -- часть), или бактериями. Одноклеточные организмы с более сложной структурой относят к царству водорослей, или проститов. Среди водорослей есть и простейшие многоклеточные организмы. К многоклеточным относят растения, грибы и животных. Живые организмы классифицируют в связи с их эволюционным родством, поэтому считается, что многоклеточные имели своими предками проститы, а те произошли от монер. Но три многоклеточных царства произошли от разных проститов. Каждая группа многоклеточных организмов -- растений, животных и грибов имеет свой план строения, приспособленный к своему образу жизни, а у каждого вида в процессе эволюции сложилась определенная разновидность этого достаточно гибкого плана. Почти каждый вид состоит из различающихся по строению, но в тоже время кровно родственных групп индивидов. Вид представляет собой не простое собрание индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных и тесно связанных друг с другом.

Рис.3. Биогеоценоз

Известный немецкий биолог Э. Геккель открыл биогенетический закон, согласно которому онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т. е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме повторяет историю рода.

Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности, или, скорее, системы живых организмов, составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

Популяция представляет собой первый надорганизменный уровень организации живых существ, который хотя и тесно связан с их онтогенетическим и молекулярными уровнями, но качественно отличается от них по характеру взаимодействия составляющих элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По современным представлениям, именно популяции служат элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого составляет различные системы популяций, которые назывют биоценозами или сообществами. Они являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т. п.). Для его обозначения применяется термин биогеоценоз, или экологическая система -- экосистема (рис.3.)

Четвертый надорганизменный уровень организации возникает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и теперь называется биосферой.

Для характеристики трофического (пищевого) взаимодействия популяции и биоценозов существенное значение имеет общее правило, согласно которому, чем длиннее и сложнее пищевые связи между организмами и популяциями, тем более жизнеспособной и устойчивой является живая система любого (надорганизменного) уровня. Отсюда становится ясным, что с биологической точки зрения на таком уровне решающее значение приобретает трофический характер взаимодействия между составляющими живую систему элементами.

3. Генная инженерия и биотехнология

Многие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы; но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий.

Козьма Прутков

Результаты исследований молекулярной генетики и молекулярной биологии являются иллюстрацией лидирующего состояния биологии в современном естествознании. На их базе возникли новые научные направления, такие как генная инженерия и биотехнология.

Генетическая инженерия -- это система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать искусственные геческие структуры в виде гибридных молекул ДНК. Суть генетической инженерии сводится к переносу в организм чужеро-дных генов, которые могут сообщать им полезные свойства. Геном является определенный участок молекулы ДНК, который хранит и передает наследственную информацию. Молекулы ДНК представляют собой длинные полимерные молекулы - полинуклеотиды, состоящие из мономерных звеньев. Элементарными частицами генетического материала являются мономерные звенья полимерной молекулы ДНК. Гены содержат в себе такую информацию, код или своего рода программу, по указанию которой происходит синтез белков в клетках данного организма. На линейной молекуле ДНК отдельные гены разделены регуляторными участками, и они не могут перекрываться. Молекулу ДНК можно разбить на непрерывные участки (гены), на каждом из которых записана информация о последовательности аминокислот одного белка. Если найти методы, позволяющие резать ДНК на точно необходимые куски, отделять разные куски друг от друга и затем их сшивать по усмотрению экспериментатора и переносить их в клетку другого организма, то можно заставить эту клетку синтезировать не свойственный ему (т. е. чужой) белок.

Итак, процедуры генетической инженерии сводятся к тому, что из набора фрагментов ДНК, содержащих нужный ген, собирают гибридную структуру, которую затем вводят в клетку. Введенная генетическая информация экспрессируется, что приводит к синтезу нового продукта. Таким образом, вводя в клетку новую генетическую информацию в виде, гибридных молекул ДНК, можно получить измененный организм. Синтезирование нужных белков, гормонов, вакцин и других необходимых для медицины и сельского хозяйства соединений методами молекулярной биологии и есть основная задача генной инженерии. Сложной задачей здесь является поиск методов резки молекулы ДНК с точностью до миллиардных долей метра с тем, чтобы получить все одинаковые молекулы в заданном образце строго в одних и тех же местах. После долгих исследований ученые установили, что в роли такого высокоточного скальпеля могут быть применены ферменты рестриктазы. Они узнают самые разные последовательности нуклеотидов и разрезают их в нужном месте. Полученные куски затем сшивают с помощью другого фермента, называемого ДНК-лигазой, способного залечивать разрывы в цепи ДНК. Таким путем искусственно можно получить какие угодно комбинации генов, которые в естественных условиях нельзя реализовать из-за существующих барьеров на межвидовое скрещивание.

Полученная путем перетасовки генов гибридная молекула ДНК должна размножаться в составе живой клетки и менять ее генетические свойства. В этом особая роль принадлежит плазмидам. Оказывается, в клетках бактерий, дрожжей и высших организмов кроме основных молекул ДНК, не переходящих из одной клетки в другую, присутствуют еще и маленькие молекулы ДНК-плазмиды, которыми клетки легко обмениваются. Если из бактерий извлечь плазмиды и встроить в них фрагменты чужой молекулы ДНК, а затем залечить раны и смешать полученные гибридные плазмиды с бактериальными клетками, то такие гибридные плазмиды окажутся биологически активными и будут размножаться. Далее в результате размножения гибридных плазмид с бактерией-хозяйкой удается многократно умножить (тиражировать) встроенный чужеродный фрагмент молекулы ДНК. Этот прием генной инженерии получил название клонирования. Метод клонирования с помощью плазмид дает молекулярной биологии уникальную возможность перетасовки генов бактерий, вирусов, дрожжей и высших организмов -- человека и животных.

Еще несколько лет назад ученые задавали вопрос, можно ли создать сорта, сбалансированные по составу аминокислот, устойчивые к холоду, засухе, не поражаемые вредителями. Сегодня можно с уверенностью утверждать, что такие трансгенные растения уже вышли в поле. Областей применения трансгенных растений довольно много. На уровне лабораторных экспериментов ведутся работы по получению растений, устойчивых к холоду, тяжелым металлам, повышенному содержанию солей и др. Трансгенные растения, устойчивые к гербицидам (химическим соединениям, которые используют для борьбы с сорняками), к вирусам, растения с повышенным содержанием масел и незаменимых аминокислот уже выращивают на миллионах гектаров. Не менее интересен и другой аспект работ -- получены трансгенные растения с измененными декоративными свойствами. Поскольку основные трансгенные формы кукурузы, сои, хлопчатника с устойчивостью к гербицидам и насекомым хорошо себя зарекомендовали, есть все основания ожидать, что площадь под генно-инженерными растениями в будущем увеличится.

Среди последних достижений инженерной, или конструктивной, биологии следует упомянуть успешное клонирование млекопитающих (овцы, свиньи, коровы), создание первых искусственных хромосом человека, создание трансгенных мышей.

Если в плазму встроить ген (фрагмент ДНК) человека, то такая плазмида внутри бактерии или дрожжей начинает вырабатывать белок, отвечающий человеческому гену. Разработка технологии, заставляющей бактериальные или дрожжевые клетки синтезировать в больших количествах необходимые человеку для различных целей белки, положило начало новой биотехнологической эре.

Услугами генной инженерии особенно успешно пользуются фармацевты, для которых этот метод дает сравнительно дешевые, жизненно необходимые гормоны, такие как инсулин, интерферон, гормоны роста и другие, имеющие белковую природу. По заказу фармацевтов генными инженерами налажено производство человеческого гормона инсулина ( вместо ранее применяемого животного инсулина), играющего важную роль в борьбе с сахарным диабетом. Методом генной инженерии получают также достаточно дешевый и чистый человеческий интерферон -- белок, обладающий универсальным антивирусным действием, антиген вируса гепатита В.

Другими важнейшими областями, в которых успешно применяются достижения генной инженерии, являются медицина и сельское хозяйство. На наших глазах современная биология превратилась в науку, которая дала начало технологиям, преобразившим производство. Биотехнология стала реальной производительной силой. Питание и медицинское обслуживание возрастающего быстрыми темпами население Земли представляют собой наиболее важные проблемы, стоящие перед человечеством, и решать их, скорее всего, придется методами биотехнологии.

Производство и применение вакцин против вирусных заболеваний позволили медикам ликвидировать полностью эпидемии чумы и оспы, от которых раньше умирали миллионы людей. Метод генной инженерии, в отличие от других методов, позволяет получить абсолютно безвредную (не содержащую инфекционного начала) вакцину. Ведутся также работы по производству вакцин от гриппа, гепатита и других вирусных заболеваний человека.

В настоящее время для производства интерферона и гормона роста в качестве источника плазмидов вместо бактерий широко применяются также дрожжи, которые на эволюционной лестнице стоят где-то между бактериями и высшими организмами. Еще одной задачей, успешно решаемой в настоящее время биотехнологией, является производство белка, содержащего незаменимую аминокислоту лизин и используемого в качестве полноценных кормовых добавок для животных.

В биотехнологии применяются не только методы генной инженерии, но и методы клеточной инженерии. Суть метода клеточной инженерии сводится к следующему. Из организма искусственно выделяют клетки, которые затем размножают в специально подобранных питательных средах. Полученные таким путем клеточные культуры используются для производства ценных лекарственных веществ и для гибридизации клеток, которые невозможно воспроизвести обычным половым путем. Методом гибридизации соматических клеток получены новые формы культурных растений (томаты, картофель). Гибридизация же животных клеток (например, раковых клеток и клеток крови -- лимфоцитов) применяется для выработки ценных медицинских препаратов.

4. Проблемы происхождения жизни во Вселенной

Река времен в своем стремлении Уносит все дела людей. И топит в пропасти забвенья Народы, царства и царей.

Г. Державин

На определенном этапе эволюции материи при появлении подходящих условий во Вселенной возникла жизнь. Ее возникновение, существование и развитие, как отмечалось выше, обусловлены рядом фундаментальных свойств Вселенной, выражающихся, например, в константах, характеризующих гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Ученые считают, что при значениях этих констант, например, гравитационной постоянной, отличающихся от наблюдаемых, жизнь во Вселенной существовать просто бы не могла. Ясно, что жизнь не могла возникнуть и на ранних стадиях расширения Метагалактики. Но именно в первые минуты расширения при температурах более 109 К вещество уже имело "стандартный химический состав" ( около 75% ядер атомов водорода и 25% ядер гелия). Если бы состав вещества был иным, то трудно сказать, какой стала бы дальнейшая химическая эволюция вещества Метагалактики. Образовавшиеся в поздних стадиях расширения Метагалактики звезды оказались не только источниками энергии, но и теми объектами Вселенной, в недрах которых синтезировались необходимые для возникновения жизни химические элементы. Для существования жизни небезразлично и то, что Метагалактика расширяется. Если бы по каким-либо причинам несколько миллиардов лет назад началось сжатие Метагалактики, то постепенное повышение температуры превысило бы значение, при котором возможно существование жизни.

Представление о наличии жизни во Вселенной исторически менялось и всегда интересовало человечество. Взгляды о бесчисленности обитаемых миров получили широчайшее распространение в XVIII--XIX вв. Особую известность и популярность завоевали труды Б. Фонтенеля, К. Фламмариона и др. В эту эпоху населенными считались практически все небесные тела -- от Луны и планет до комет и Солнца. Об обитателях Луны, например, писали И. Кеплер, И.Ньютон, а позднее, уже на пороге XIX в., У. Гершель допускал возможность существования жизни на Солнце. Проблема происхождения жизни как предмет научных исследовании возникла во второй половине XIX в. Как отмечал Кельвин, еще Ч.Дарвин совершенно отчетливо ставил вопрос о естественном происхождении жизни на Земле в отдаленном прошлом и говорил об отсутствии условий для этого теперь, при наличии развитой жизни.

В начале XX в., однако, возобладало мнение, что жизнь -- привилегия лишь планет типа Земли. А ставшая общепринятой космологическая теория Джинса, согласно которой планеты возникают в результате тесного сближения двух звезд -- события очень редкого, привела к заключению о крайней редкости планетных систем и тем более жизни в звездном мире.

В 20-х гг. XX в. существенно изменилась астрономическая картина мира, и в том же десятилетии в трудах А. И. Опарина в СССР и Дж. Холдейна в Англии стала формироваться первая научная концепция происхождения жизни.

Итак, как отмечалось выше, в звездах первого поколения практически не было более тяжелых, чем Н и Не, химических элементов. Но без этих более тяжелых элементов невозможно существование ни земноподобных планет, ни живой материи. Однако эволюция некоторых типов массивных звезд космологически быстро, через какие-нибудь десятки или сотни миллионов лет завершается коллапсом центральной части такой звезды в сверхплотное состояние (белый карлик, нейтронная звезда, черная дыра) и сбросом оболочки, превраща-ющейся в газовую туманность -- взрывом сверхновой звезды. При этом и образуются в небольшом количестве (порядка 1% по массе) более тяжелые, чем Н и Не, элементы. Именно эта стадия развития Вселенной и знаменует начало ее химической эволюции. Возможно, заметную роль в обогащении веществ галактик тяжелыми элементами играют и гигантские взрывы в ядрах этих звездных систем.

Солнце в соответствии с расчетами, основанными на современной теории эволюции звезд, образовалось около 5 млрд лет назад (через 8--10 млрд лет после звезд первого поколения) из газопылевой среды, уже обогащенной тяжелыми элементами. П.Дебай, а также В. Г. Фесенков подчеркнули, что у звезд первого поколения, составляющих 90% всех звезд Галактики, не может быть земноподобных планет, а следовательно, и жизни. Однако остальные 10%, составляющие население последующих поколений звезд Галактики (это ~1010 объектов) могут обладать планетами типа Земли. Планеты рождаются в ходе самого процесса звездообразования, и планетные системы могут быть у значительной доли звезд -- до 2/3 общего числа звезд второго и последующих поколений могут обладать земноподобными планетами. Это значит, что необходимые для возникновения и развития жизни условия выполняются в галактиках, подобных нашей, не при уникальном сочетании редких событий, а как типичное явление. В пользу справедливости этого вывода свидетельствует медленное (обычно всего несколько км/с на экваторе) вращение большинства солнце-подобных звезд, ибо оно может быть истолковано как свидетельство наличия у них, как и у Солнца, планет, несущих основную (у них 98%) долю вращательного момента количества движения всей системы. Следовательно, образование земноподобных планет -- естественный результат общегалактического космогонического процесса.

Коль скоро есть все основания предполагать, что планетных систем, сходных с Солнечной, в Галактике насчитывается несколько миллиардов, вполне естественно принять, что процесс жизни и ее эволюции там в общих чертах по своему характеру сходен с тем, что было на Земле. Разумеется, не на каждой планете возможно зарождение и развитие жизни. Для этого необходимо учесть:

1. Планеты, на которых возможно зарождение и развитие жизни, не могут обращаться вокруг звезды слишком близко или слишком далеко. Необходимо, чтобы температуры их поверхностей были благоприятны для развития жизни. Учитывая, однако, что одновременно со звездой должно образоваться сравнительно большое число планет (скажем ~10), с большой вероятностью можно ожидать, что хотя бы одна или две планеты будут обращаться на расстоянии, при котором температура лежит в нужных пределах.

2. Массы образовавшихся планет не должны быть ни слишком большими, ни слишком маленькими. Это обстоятельство в свое время подчеркивал В. Г. Фесенков. В первом случае гигантские атмосферы этих планет, богатые водородом и его соединениями, исключают возможность развития жизни. Во втором случае за время эволюции атмосферы будут рассеиваться (подобно Меркурию). Однако учитывая сравнительно большое число образующихся планет, можно ожидать, что некотоpoe, пусть малое количество их, будет обладать нужной массой. При этом необходимо, чтобы такие планеты одновременно удовлетворяли первому условию. Заметим, что первое и второе условия не являются независимыми.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6