Чтение онлайн

При апоптозе наблюдается отмирание клеток без их физического или химического повреждения вследствие прекращения выполнения ими полезных функций внутри организма. Вымирание целых групп клеток происходит под действием естественного отбора вследствие резкого изменения условий окружающей их клеточной среды. Апоптоз, в отличие от некроза, приводит не к растворению отмирающих клеток ферментами их собственных лизосом, а к их распаду на отдельные части и фрагменты. Эти «куски» тут же пожираются макрофагами, предназначенными для уничтожения инородных тел, или даже соседними здоровыми клетками, растворяясь уже в их лизосомах.

Мобилизация одних клеточных структур приводит к деградации и гибели других, что позволяет сохранять порядок развития целостного организма. Наличие этого механизма является свидетельством борьбы за существование, биологической работы и естественного отбора внутри клеточного состава многоклеточных организмов.

24.2. Развитие теории генов. Биологическая работа генетических структур

В 40-е годы XX века в генетике происходит поворот от «мушиных» экспериментов к исследованию химической природы генов и молекулярных механизмов взаимодействия генетических структур. Применение методов химии, физики, математики, кибернетики привело к выдающимся открытиям, способствовало продвижению научного познания в ранее потаённые глубины строения и функционирования генетических структур.

В 1941 г. Д. Бидл и Э. Тейтем на основе исследования химического состава генетического аппарата бактерий пришли к выводу, что каждый ген контролирует синтез какого-либо одного фермента. Это позволило сформулировать знаменитое положение: «один ген – один фермент».

В 1944 г. американские бактериологи О. Эвери, Ч. Маклеод и М. Маккарти выявили химическое вещество, являющееся химической основой генов. Им оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

Ещё раньше, в 1939–1941 гг. работами Т. Касперсона и Ж. Браше было показано значение другой нуклеиновой кислоты – РНК, которая концентрируется не в ядрах клеток, как ДНК, а в их протоплазме в виде особых гранул, рибосом.

В 1940-е годы начала проясняться и в начале 50-х годов была окончательно выявлена химическая природа гена как фрагмента молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Изучение нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, являющихся материальным субстратом и основой механизма воспроизведения жизни, имеет свою давнюю историю, начавшуюся ещё в XIX веке. В 1868 г. швейцарский врач Ф. Мишер выделил полимерное вещество, которое он назвал нуклеином. Вскоре немецкий химик Р. Альтман заметил кислотные свойства, проявляемые этим веществом, концентрирующимся в клеточном ядре, вследствие чего он переименовал его в нуклеиновую кислоту (от лат. «нуклеус» – ядро). И эта кислота оказалась поистине ядерной, ибо она не только содержалась в ядре, но и сама содержала в себе ядро – ядро наследственности, ядро продолжения жизни. Это постепенно прояснялось в дальнейших исследованиях состава и структуры нуклеиновых кислот – ДНК и РНК.

Молекулы этих кислот представляют собой полимерные образования состоящие из мономеров, названных впоследствии нуклеотидами. В 1900 г., а это год переоткрытия законов Менделя, в лаборатории американского исследователя П. Левина был определён состав углеводов, образующих порядок нуклеиновых кислот. Было установлено, что каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов – молекулы сахара, молекулы фосфорной кислоты и молекулы органического основания в двух видах, в зависимости от содержания которых различаются и сами кислоты. Первый из них, рибоза, вследствие чего кислота и получила название рибонуклеиновой кислоты (РНК), второй, дезоксирибоза, от названия которой кислота получила название дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). При этом ДНК концентрируется в основном в хромосомах, а РНК – в цитоплазме и ядрышке.

Исследования У. Алибери и Ф. Белла (1938), А. Тодда (1948), Э. Чаргаффа (1948) позволили выявить «архитектуру» азотных оснований на подходах к той «винтовой лестнице», которую представляет собой структура ДНК и которая ведёт в «интимные покои» системы наследственности. В 1949–1951 гг. Э. Чаргафф исследовал химическое строение ДНК и доказал неограниченное разнообразие и упорядоченность молекул нуклеиновых кислот. Особенно важными оказались правила регулярности, сформулированные Чаргаффом, в соответствии с которыми четыре азотистых основания в структуре ДНК находятся между собой в парных отношениях, причём количество гуанина и аденина приблизительно равно количеству цитизина и тимина, количество аденина – количеству тимина, количество цитизина – количеству гуанина и т. д. В 1951 г. М. Уилкинсоном и его сотрудниками были проведены рентгенографические исследования молекул ДНК, позволившие выявить их структурные особенности. В 1952 г. А. Даунс выдвинул гипотезу о синтезе белков на ДНК.

Оставалось сделать только один шаг к созданию пространственной модели ДНК, который и был пройдён Д. Уотсоном и Ф. Криком, интерпретировавших эту модель как двойную спираль. В 1953 г. они опубликовали сообщение о расшифровке структуры ДНК в статье, занявшей всего две страницы журнального текста. Сочетание четырёх оснований в соответствии с правилами Чаргаффа натолкнуло исследователей на мысль о том, что эти основания выстроены наподобие попарно связанных ступенек винтовой лестницы, висящих и свободно балансирующих на сахарофосфатных «канатах». Каждая ступенька – перекладина образована связью двух оснований – аденина и тимина или гуанина и цитизина.

Так был проложен путь к познанию Космоса внутри жизни.

Космос внутри жизни так же велик и сложен, как Космос Метагалактики. Генетическая система представляет собой сложнейшее инженерное сооружение, построенное без первоначального плана путём отбора и воспроизведения порядков, способных к эффективной самоорганизации. Важнейшим методом «космической инженерии» внутри жизни является самосборка на основе мобилизационных процессов, управляемых соответствующим образом устроенными структурами. Самосборка осуществляется при помощи постоянной реструктуриации с разделением функций, участвующих в самосборке структур и их сплетении в соответствии с информацией, переданной от предшествующих структур и составляющей определенную программу размножения клеток.

Эта программа носит сугубо материальный характер, в ней нет ничего идеального или мистического. Её источник – открытая Манфредом Эйгеном способность сложных органических молекул к самовоспроизведению своих структур матричным способом. Эта способность в свою очередь стала предпосылкой к способности простейших организмов к размножению путём деления.

Структурами, которые «наводят порядок» в живой материи и обеспечивают воспроизведение на клеточном уровне любого организма, являются гены-фрагменты молекул нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. Это полимерные молекулы, повторяющиеся сочетания элементов которых содержат «инструкции» для воспроизведения клеточных структур. Полимерные цепи ДНК построены из огромного числа мономеров, именуемых нуклеотидами. Каждая двойная цепь содержит около 3–4 миллиардов нуклеотидов общей длиной около 2 метров, и всё это упаковано в микроскопический объём клеточного ядра. Известный современный генетик В.В. Сойфер подсчитал, что все двоичные цепи ДНК человека, выстроенные в одну линию, покрыли бы расстояние от Земли до Солнца. Космические масштабы строения структур ДНК определяются их чрезвычайной плотностью, компактностью и гибкостью, позволяющими содержать в микроскопическом объёме огромные массивы информации, необходимой для самовоспроизводства жизни.

Изначальная простота несущей «инженерной» конструкции, лежащей в основе чрезвычайно сложного космоса внутри жизни, выражается так называемым принципом комплементарности. Между двумя парами оснований и образуемыми ими нуклеотидами существуют постоянно воспроизводимые комплементарные отношения: аденин всегда распознаёт только тимин и связывается с ним, а гуанин образует аналогичную пару с цитозином. Соответственно адениновый нуклеотид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый – с цитозиновым. Понятно, что в начале самовоспроизведения жизни лежали не мифические Адам и Ева, а две пары оснований, связь которых обусловлена вещественными, химическими закономерностями. Их способность влиять на белки и определять своим расположением последовательность аминокислот в белковых молекулах была, по-видимому, главным мобилизационным фактором химической предыстории жизни. Спайка водородными связями могла возникнуть в процессе самосборки позднее.

Подбор последовательности аминокислот, осуществляемый расположением нуклеотидов, создаёт исходную структуру молекулы белка, которая, в свою очередь, управляет свойствами клеток и индивидуальными наследственными признаками развивающихся из них организмов. Ген как раз и представляет собой участок молекулы ДНК, на основе которого осуществляется формирование структуры одной молекулы белка, а следовательно и соответствующего ей конкретного признака будущего организма.

Уже в 1947 г. один из создателей квантовой механики Эрвин Шрёдингер в своей работе «Что такое жизнь. С точки зрения физики», ставшей настольной книгой огромного множества биологов, выдвинул умозрительную гипотезу о том, что генетические структуры ядер половых клеток содержат «сложный шифровальный код, включающий в себя всё будущее развитие организма» (Шрёдингер Э. Что такое жизнь. С точки зрения физика – М.: Наука, 1972 – 362 с., с. 71). Он предположил также, что ген представляет собой «необычно большую молекулу, которая стала образцом высокодифференцированной упорядоченности» и противостоит тем самым, как думали тогда, «естественной тенденции материи переходить в неупорядоченное состояние» (Там же).