Пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей. Ббк 20я73. icon

Пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей. Ббк 20я73.


2 чел. помогло.

Смотрите также:
Учебное пособие предназначено для студентов вузов естественнонаучных...
Учебное пособие Москва 2008 удк 519. 68. 02 Ббк 65 с 51...
Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов...
Учебное пособие Белгород 2009 ббк 67. 400. 7 К 21...
Учебное пособие для студентов специальности 271200 «Технология продуктов общественного питания»...
Социология Учебно-методическое пособие для студентов Казань 2010 удк 005 101 1701841 ббк 60 5 (Я...
Учебное пособие москва 2008 удк ббк федоров И. В., Новикова М. А...
Учебное пособие предназначено для преподавателей, студентов и аспирантов университетов и всех...
Учебно-методическое пособие предназначено для, студентов высших учебных заведений, аспирантов...
Учебно-методическое пособие Сибай 2010 удк ббк аламов И. Л., Аламова С. М...
Психолого-педагогических...
Учебно-методическое пособие по дисциплине Управленческие решения Ярославль, 2011...



страницы: 1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12
вернуться в начало
скачать

Степень сложности уровня


^ 4.6.4. Молекулярно-генетический уровень

Одно из главных событий в истории биологии XX в. – выход экспериментальной физико-химической биологии на изучение молекулярного уровня живой природы. В результате исследований на молекулярно-генетическом уровне произошло не только слияние отдельных биологических дисциплин в «единый фронт» наук, но и тесное сближение биологии со смежными ей физикой и химией. А это значит, что проблемы, считавшиеся раньше чисто биологическими, теперь стали по существу проблемами всего естествознания. На страницы научной литературы «хлынул» поток фактического материала, оценить который как принадлежащий какой-либо конкретной науке практически невозможно.

Существует три главные проблемы, которые стали объектом исследования на молекулярном уровне:

1. Происхождение жизни.

  1. Молекулярно-генетический подход к изучению эволюции.

  2. Изучение молекулярных основ воспроизводства жизни и процессов жизнедеятельности.



^ 4.6.5. Происхождение жизни

Целая эпоха в истории изучения проблемы происхождения жизни связана с трудами А.И.Опарина и его учеников. Пик исследований ученого приходится на 1950–70 годы, хотя основополагающий его труд «Происхождение жизни» был опубликован еще в 1924 г. Уже в нем были изложены все те идеи, которые составили основу гипотезы Опарина. Главная из них – зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой.

Опарин предложил новую идею химической эволюции, – когда под воздействием сильнодействующих физико-химических факторов (температуры, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, электрических разрядов большой мощности и атмосферного давления) происходит самопроизвольное прекращение ряда неорганических соединений в органические «кирпичики жизни» – аминокислоты, нуклеозиды и нуклеотиды, простейшие полисахариды и в молекулы АТФ, способные запасать химическую энергию.

Идея химической эволюции в 1920-х годах «носилась в воздухе». Подобного рода эксперименты были распространены во многих лабораториях мира. Это не удивительно, – химия в то время была в зените славы и процветания. Однако перед учеными, поддержавшими идею химической эволюции, сразу же возник риторический вопрос: а что произошло раньше – аминокислоты и белки или же молекулы, ответственные за воспроизводство живого – нуклеотиды и нуклеозиды? Другими словами, еще в те годы был поставлен вопрос о происхождении всем известной «курицы и ее яйца», но только на молекулярном уровне. Гипотезы, утверждавшие первичность структуры, наделенной способностью к обмену веществ при участии ферментов, объединялись под шапкой голобиоз, а гипотезы, утверждавшие первичность молекулярной системы, включающей в себя генетический код, назывались генебиоз.

Одной из сильных сторон гипотезы Опарина является то, что она находится в соответствии с гипотезой эволюции добиологической (неживой) материи и зарождение жизни представлено в ней как закономерный процесс. Вторая сильная сторона – возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы в лабораторных условиях. Однако есть и слабые стороны рассматриваемой гипотезы. Например, гипотеза Опарина допускала возможность самовоспроизведения доклеточных структур при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Поэтому при синтезе аминокислот в лабораторных условиях дополнительно допускалось введение в «первичный бульон» химически сложных готовых «блоков», например, ферментов, без которых реакция не шла. В последние годы представители научной школы А.И. Опарина, оставаясь, в основном, на позициях его гипотезы, признают нерешенность главного вопроса всей проблемы – что именно является движущей силой саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической? Иными словами, в рамках гипотезы. Опарина не удается объяснить главную проблему: причину того таинственного скачка от неживой материи к живой, который и знаменует собой начало жизни в том «земном» виде, в котором она нам известна.

Креационистские (от лат. Creatio – создаю) теории, в отличие от естественнонаучных гипотез объясняли происхождение жизни существованием Бога – Создателя, основывая свое учение на Библии: «И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву, сеющую семя, дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так». (Бытие, гл. 1, стих 11).

Согласно Библии, вслед за растением Бог создавал животных из воды: «И сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных пресмыкающихся, которых произвела вода по роду их, и всякую птицу пернатую по роду ее. И увидел Бог, что это хорошо. И благословил их Бог, говоря: плодитесь и размножайтесь, и наполняйте воды в морях и птицы да размножатся на земле». (Бытие, гл. 1, стихи 21–22).

Затем, в соответствии со своим замыслом, Создатель производит «зверей земных по роду их, и скот по роду его, и всех гадов земных по роду их». (Бытие, гл. 1, стих 25).

В креационистской теории сотворения мира животный и растительный миры создаются сразу по желанию Бога во всей своей красе и во всем разнообразии. Каждый род и вид флоры и фауны уникальны с самого рождения, потому что являются воплощением Божественного Плана, а не случайной стихии природы. Воля и энергия Творца служат первым толчком для превращения неживой материи («воды» и «земли») в живую. Эволюционная идея превращения одного рода в другой путем естественного отбора с позицией этой теории представляется ненужной: природа изначально была создана в совершенной гармонии с окружающим миром.

Ну, а гипотеза биологов о превращении обезьяны в человека сточки зрения креациониста, звучит и вовсе кощунственно. Ведь Бог создал людей по своему образу и подобию и поставил их над всей природой: «…И да владычествуют они над рыбами морскими, и над птицами небесными, и над скотом, и над всеми гадами, пресмыкающимися по земле». (Бытие, гл. 1, стих 26).

Как естественнонаучные, так и креационистические теории происхождения жизни, не имея под собой достаточно научных доказательств, продолжают существовать вместе, и склонность исследователя к признанию правильности той или иной гипотезы происхождения жизни, определяется на данном этапе познания не научным фактами, а скорее собственным мировоззрением ученого: символом веры в Бога или его безверием. Материалисты придерживаются эволюционной гипотезы создания Жизни на Земле, а ученые, верящие в Бога – креационистской.

Впрочем, русский ученый В.И. Вернадский (1863-1945) решал этот вопрос совершенно иначе. Он, не будучи креационистом, «вынес» зарождение жизни за пределы земной поверхности считая, что жизнь на нашу планету была «занесена» из космоса. Утверждая, что живое на Земле может порождаться только живым. Он придерживался «принципа Реди»: «живое происходит только из живого». Сегодня развитие естествознания не опровергает, а во многом подтверждает идеи В.А. Вернадского.


^ Теория панспермии.

Гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса.

Практически одновременно с работами Пастера (в 1865 году) на стыке космогонии и физики ученым Г.Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса – концепция панспермии. Согласно этой идее зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции живого, то есть жизнь могла возникнуть в разное время в разных частях Галактики и была перенесена на Землю тем или иным способом. Подобные мысли разделяли крупнейшие ученые конца XIX – начала XX века: Либих, Кельвин, Гельмгольц, У. Томсон и др., что способствовало ее широкому распространению среди ученых. В 1908 году шведский химик Сванте Аррениус поддержал гипотезу происхождения жизни из космоса. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Частицы жизни, носящиеся в бескрайних просторах космоса, переносились давлением света от звезд, оседали на планеты с подходящими условиями для жизни и начинали новую жизнь на таких планетах. Эти идеи поддерживали выдающиеся русские ученые академики С.П. Костычев, Л.С. Берг, П.П. Лазарев.


^ 4.6.6. Современное развитие эволюционной теории Ч.Дарвина.

Молекулярно-генетический подход

Термин «эволюция» был впервые введен в лексику биологии швейцарским ученым Ш. Боннэ в 1762 г., т.е. задолго до опубликования своего труда Ч. Дарвиным. Причем Ш. Бонэ понимал под этим термином не только идею развития, но и представления о роли изменчивости и отбора в становлении новых форм живого. Эти представления претерпевали изменения с течением времени.

В настоящее время различают три типа изменчивости.

Наследственность изменчивость – это изменчивость, обусловленная возникновением новых генотипов (аналог «неопределенной изменчивости» Ч. Дарвина).

Ненаследственная изменчивость – это изменчивость, которая отражает изменения не генотипа, а фенотипа под влиянием условий внешней среды (аналог «определенной изменчивости» Ч. Дарвина).

Онтогенетическая изменчивость – это изменчивость, отражающая изменения в ходе индивидуального развития всего организма (онтогенеза) или изменчивость отдельных клеток в процессе их дифференциации (т.е. при формировании их индивидуальных отличий в процессе жизненного цикла).

Современный эволюционизм – это не только дарвинизм в его изначальном виде, а многогранное комплексное учение, сформировавшееся за годы, прошедшие со времен создания теории Ч. Дарвина. В 1930–1940 годах появилась на свет новая синтетическая теория эволюции. Она представляет собой синтез дарвинской концепции естественного отбора с генетикой и экологией. Существуют два основных отличия синтетической теории эволюции от теории Ч. Дарвина. Это, во-первых, – признание в качестве элементарной единицы эволюции не организма и даже не вида, а местной популяции и, во-вторых, – выделение двух типов эволюции: микроэволюции и макроэволюции. Микроэволюция обозначает совокупность эволюционных процессов в популяциях, сопровождающихся изменением генофонда и образованием новых видов. Макроэволюция (или филогенез) – это эволюционные преобразования, протекающие в течение длительного исторического периода и приводящие к образованию над видовых таксонов. Микроэволюция доступна для непосредственного изучения в лабораторных условиях, макроэволюция – нет, вследствие ее исторической протяженности. Изучение же макроэволюции требует дополнительных исторических источников для исследования. Такие данные предоставляли смежные биологические дисциплины: сравнительная морфология, палеонтология и эмбриология. В настоящее время ученые перешли на изучение эволюционных процесс ов на молекулярно-генетическом уровне. Объектами исследований ученых стали белки и нуклеотиды, изъятые как из ныне живущих организмов, так и из геологических слоев залегания ископаемых. Главной проблемой макроэволюции является расшифровка последовательности филогенеза и наследственных связей между организмами. Эта наука постоянно развивается, у нее большое биологическое будущее. Достижения в этой области знаний непосредственно связаны с прогрессом в области молекулярной биологии и генетики.


^ 4.7. ИЗУЧЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОСНОВ ВОСПРОИЗВОДСТВА ЖИЗНИ И ПРОЦЕССОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Две современные биологические науки – молекулярная генетика и молекулярная биология занимаются изучением смежных научных вопросов, связанных с основными проблемами структуры и функционирования живой природы на молекулярно-генетическом уровне. Рождение этих наук является подтверждением мощного интеграционного процесса (процесса объедения разных наук при решении одних и тех же задач), происходящего в современном естествознании. Коснемся вкратце вопроса о том, какие же проблемы приходилось и приходится решать, прибегая к методам молекулярной биологии и молекулярной генетики. В настоящее время их так много, что не представляется возможным осветить все пути развития этих наук в полной мере, но можно попытаться выделить среди общей массы решаемых вопросов наиболее важные.

Наиболее важные открытия, сделанные в области молекулярной биологии и молекулярной генетики:

  1. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот.

  2. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка.

  3. Открытие молекулярно-генетических механизмов изменчивости.

  4. Изучение молекулярных основ обмена веществ.



^ 4.7.1. Законы генетики Менделя.

Открытия генетической роли нуклеиновых кислот

Сегодня любому школьнику известно, что наследственная информация организмов зашифрована в ДНК. Однако, чтобы доказать это, ученым потребовалось несколько десятков лет, а чтобы расшифровать строение и свойства нуклеиновых кислот – более ста лет. В XVIII и XIX веках делалось немало попыток выяснить как передаются признаки из поколения в поколение.

Но начало генетике как науке было положено чешским ученым Г. Менделем, который скрещивал между собой различные сорта гороха и наблюдал за изменениями их окраски, формы, вида и др. признаков. Мендель определил, что у получаемых гибридов в первом поколении одни признаки подавляют другие. Например, желтый цвет семян доминирует над зеленым цветом, гладкая поверхность семян над морщинистыми и т.д. Каждому из наследуемых признаков Мендель поставил в соответствие материальную частичку живого, передаваемого из поколения в поколение – элементарную носительницу информации, и назвал ее геном. Изучая поведение и характер взаимодействия различных генов по их проявлению в потомстве, Мендель открыл свои знаменитые законы скрещивания генов и сделал доклад на собрании Брюнского общества естествоиспытателей. Но в течение почти 35 лет в мире не было ни одного ученого, который мог бы по достоинству оценить работу ученого и продолжить его исследования. Они были «настолько хорошо забыты наукой», что в 1900 г. три исследователя – де Фриз в Голландии, Корренс в Германии и Чермак в Австрии, проводя свои исследователя по делению клеток, вторично, независимо друг от друга, открыли законы Менделя. Честь и хвала им, что позже, обнаружив статью ученого, они уступили приоритет своего открытия законов наследственности их первооткрывателю – Менделю, высоко оценив его научный подвиг.

В начале XX в. было установлено, что описанные Менделем генетические факторы находятся в хромосомах клеточного ядра.

Параллельно с генетиками биохимики изучали химический состав ядер живых клеток. Впервые молекулы ДНК были выделены из ядер лейкоцитов швейцарским биохимиком Ф. Мишером во второй половине прошлого века. Первоначально он назвал выделенное общество нуклеином (от лат. nucleus – ядро). Затем работавший в той же лаборатории А. Коссель обнаружил, что в состав нуклеиновых кислот входят пуриновые и пиримидиновые основания и простейшие углеводы. В начале 1900-х годов в лаборатории П. Левина в США был расшифрован углеводный компонент этих нуклеиновых кислот.

В установлении роли ДНК в клетках также было несколько этапов. Особенно усиленно разработкой этого вопроса занимались американские ученые. В 1944 г. именно в США группе ученых-микробиологов О. Эвери, К. Мак-Леоду и М. Мак-Карти удалось установить, что свободная молекула ДНК обладает трансформирующей активностью, т.е способностью переносить свойства от одного организма к другому. Это было революционное открытие, родившее новую науку, изучавшую вопросы наследственности на молекулярном уровне. Центральное место в этой науке отводилось исследованию роли ДНК. ДНК, являясь “хранительницей” материальной основы генетической информации, контролирует биосинтез белка в клетках и отвечает за изменчивость клеток. Именно молекула ДНК отвечает за передачу наследственной информации от одной клетки к другой.


^ 4.7.2. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка

И все же рождение новой науки – молекулярной генетики связывают с опытами двух американцев Дж. Бидла и Э. Тэйтума. В 1941 г. они установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Появилась знаменитая фраза: «Один ген – один белок».

Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. В 1952 году Дж. Бидл, Э. Тэйтуми Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии за эти исследования.

А в 1962 г. Нобелевская премия была присуждена Ф. Крику и Дж. Уотсону за установление молекулярного строения ДНК. Молекулярная биология стремительно развивалась! На повестку дня был вынесен новый вопрос: каким образом записана генетическая программа и как она реализуется в клетке.

Напомним, что согласно модели Уотосона – Крика генетическую информацию в ДНК несет последовательность расположения четырех оснований: А, Т, Г и Ц. Необходимо было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот? Решил эту, казалось неразрешимую проблему, русский по происхождению американский химик-теоретик Г. Гамов. Он предложил для кодирования одной аминокислоты использовать сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту получила название кодон. В 1961 г. гипотеза Г. Гамова была подтверждена американскими экспериментальными исследователями Ф. Криком и др. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при создании белков.

А вот расшифровка механизма репликации ДНК, т.е. самоудвоения молекулы ДНК произошла почти сразу после открытия модели строения ДНК Уотсоном и Криком, предложенной этими учеными. Согласно их теории матричная ДНК , состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек или нитей, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к ней. Термин комплементарность означает, что синтез новой цепи происходит таким образом, что последовательность нуклеиновых оснований в одной цепи однозначно определяет их последовательность в другой цепи.


^ 4.7.3. Открытие молекулярно-генетических механизмов изменчивости

На молекулярно-генетическом уровне существует несколько механизмов изменчивости. Среди них – мутации генов – механизм непосредственного преобразования самих генов, находящихся в конкретной хромосоме при сильном внешнем воздействии. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не изменяется. Мутации (изменения) генов являются основными «поставщиками» материала для прямого действия отбора.

К другому типу механизмов можно отнести рекомбинацию генов, т.е. создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сами гены не изменяются, а происходит их перемещение генов с одного участка хромосомы на другой или же обмен генами между двумя хромосомами. Это так называемая классическая рекомбинация генов, которая имеет место главным образом у высших организмов при половом процессе. При этом не происходит уменьшения или увеличения общего объема генетической информации, он остается неизменным.

Однако существует еще один тип изменчивости генов – нереципрокная рекомбинация или неклассическая рекомбинация генов, при котором происходит увеличение общего объема генетической информации. Этот тип изменчивости возникает за счет включения в геном клетки новых, привнесенных извне генетических элементов, которые носят название трасмиссивные (англ. – переносимые) генетические элементы. Начало изучения этого механизма изменчивости было положено в 1952 г., когда П. Ледерберг и Н. Циндер открыли явление трансдукции (лат. – перемещения) генов. Суть этого явления состоит в возможности переноса молекул ДНК не в «голом виде», как при трансформации, а в составе вирусов бактерий.

В последнее время этот вид рекомбинации был тщательно изучен. Было обнаружено несколько типов трансмиссивных генов, различающихся структурой генома и способом связывания с хромосомой клетки – хозяина. Среди них – плазмиды – сложные генетические элементы в виде двухцепочной кольцевой ДНК, широко распространенные в клетках живых организмов, в том числе и высших. Это самые активные переносчики генетической информации. Именно им мы «обязаны» тем, что после длительного использования каких-либо лекарств, наступает «привыкание» к этим лекарствам. Патогенные бактерии, с которыми мы боремся медикаментозным путем, связываются с плазмидами, придающими этим бактериям устойчивость, и новое лекарство перестает действовать на бактерии, они его как бы не замечают.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возникла новая наука – генная инженерия, целью которой стало создание новых форм организмов, в том числе и высших, наделенных свойствами ранее у них отсутствующих. Теоретическую основу этой науки составляет создание рекомбинатных (гибридных) молекул с новыми (нужными) свойствами. Наука вторглась в самое святое – создание новых живых организмов и научилась управлять этим процессом.


^ 4.7.4. Изучение молекулярных основ обмена веществ

Существует три основных типа обмена веществ (метаболизма).

Катаболизм или диссимиляция – процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением химической энергии при разрыве химической энергии при разрыве химических связей. Эта энергия запасается в фосфатных связях АТФ.

Амфоболизм – процесс образования в ходе катаболизма мелких молекул, которые затем принимают участие в строительстве более сложных молекул.

Анаболизм или ассимиляция – разветвленная система процессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энергии АТФ.

Все три типа метаболизма к настоящему времени полностью расшифрованы. Не последнюю роль сыграла при этом фундаментальная для всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования живой природы независимо от уровня организации представляющих ее структур. Эта идея получила название концепции биохимического единства и возникла еще во второй половине прошлого века, но получила свое распространение благодаря голландским микробиологам А. Клюйверу и Г. Донкеру в 1926 г.

В настоящее время накоплен богатый фактический материал о том, каким образом осуществляется регулировка метаболизма в клетках. Изучается специфика биокатализма (ферментативного катализа) и разрабатываются теоретические механизмы действия различных ферментов. Открыты так называемые аллостерические ферменты, в которых имеется два центра связывания с молекулами: один – связывающий и распознающий исходный субстрат, т.е. вещество, вступающее в данную реакцию, а другой – распознающий конечный и промежуточный продукты реакции. Второй центр, связываясь с продуктом реакции, изменяет свою конформацию (пространственную структуру), что влияет на скорость биокатализма. Поэтому эти ферменты назван еще иначе: регулирующие ферменты или эффекторы.

Еще один способ регуляции биохимических процессов в живой клетке был обнаружен при исследовании механизмов передачи ионов через клеточную мембрану в 60-е годы. Оказалось, что часть химических веществ переносится через мембрану клетки в направлении противоположном естественному. Т.е. получается так, что молекулы ряда веществ устремляются не в то место, где их немного, а наоборот, – против их концентрационного потенциала. Клетка как бы «накапливает» такие молекулы. Такой вид «транспорта» называется активным и осуществляется за счет использования энергии расщепления фосфатных связей АТФ.

Невозможно перечислить все достижения в области исследования регуляции метаболизма клеток. Эта область постоянно развивается и радует нас новыми научными открытиями, каждое из которых не перестает удивлять совершенством механизмов регуляции процессов обмена веществ, осуществляемых на макромолекулярном уровне.





оставить комментарий
страница8/12
Дата31.08.2011
Размер1,48 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12
отлично
  3
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх