big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Физические и химические основы явлений наследственности

Наш век благодаря огромному развитию науки называют веком физики, космонавтики и биологии. Биология глубоко волнует современное человечество. Это понятно, ибо жизнь — это вершина развития материи во Вселенной. Здоровье и судьбы человечества связаны с познанием биологических свойств человека.

В истории биологии в течение двух тысячелетий шла борьба между идеализмом и материализмом. Идеализм цеплялся за учение о наследственности организмов. Теперь мы хорошо знаем, что жизнь есть явление материальное и что в организмах нет ничего, кроме атомов и молекул, — это целиком подтверждают диалектико-материалистические принципы. Однако возникновение жизни связано с особым взаимодействием веществ. Жизнь качественно отличается от неорганической природы, она возникает в результате особого взаимодействия слагающих ее молекул и атомов. Развитие форм жизни, ее многообразие на базе глубокого единства материальных основ наследственности привели к тому, что на каждом виде организмов лежит печать истории его происхождения. Душой диалектики является теория развития. Энгельс в «Анти-Дюринге» писал: «Движение есть способ существования материи. Нигде и никогда не бывало и не может быть материи без движения» (К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., т. 20, стр. 59). Движение материи абсолютно и вечно. Биологическое движение — это самая сложная форма движения материи. Это движение вовлечено в вечный поток прогресса, обусловленного протеканием эволюции органического мира.

К познанию сущности жизни новая генетика пришла с рядом новых методов, рождение которых формировалось постепенно, в течение всего XX в. Вначале методология генетики ограничивалась гибридологическим анализом. В основе этого метода лежало изучение распределения родительских признаков в потомстве. Сознательное, основанное на методах физики и математики применение этого метода позволило Г. Менделю сделать одно из величайших открытий XIX в.: он установил существование генов.

Однако возможности гибридологического анализа были ограничены, он позволял лишь косвенно судить о глубинных процессах, протекающих в клетках. В результате в этот период, в первые десятилетия XX в., пышно расцвели метафизические и идеалистические теории сущности гена.

Начиная с 1910 г. генетика обогатилась методами синтетического анализа, который объединил цитологию и менделизм. Цитологический анализ раскрыл поведение хромосом и установил факты изменения их структуры и их числа.

Сопоставление наследования признаков (генов) с наследованием хромосом привело к крупнейшему достижению биологии первой половины нашего века, к созданию хромосомной теории наследственности.

Хромосомная теория наследственности упрочила материалистическое понятие гена, показав, что ген — это вполне физический локус в определенном месте хромосомы, что гены лежат в хромосоме в линейном порядке и что они подвергаются изменениям. В исследованиях по кроссинговеру (обмен участками между гомологичными хромосомами) хромосомная теория показала, что комбинаторика наследственного материала не ограничена комбинаторикой целых хромосом в мейозе. Исследованиями по многообразной изменчивости отдельных генов, дающих серии аллелей, новая хромосомно-генная теория пыталась заглянуть во внутреннюю сущность изменений самого гена. Однако, ограничиваясь цитологическим уровнем анализа, и этот этап методологии генетики не позволил проникнуть в глубинную сущность материальных носителей наследственности. В это время развились такие формально-идеалистические воззрения, как теория присутствия-отсутствия, полагавшая, что мутации — это только потери и добавления хроматинового материала, автогенез в теории мутаций, который отрывал внешнее от внутреннего в процессе появления новых наследственных свойств, и т. д.

Революция в генетике была подготовлена всем ходом могущественного развития идей и методов менделизма и хромосомной теории наследственности. Уже в недрах этой теории было показано, что радиация и химические мутагены, изменяя химию гена, ведут к мутациям; что ген —это сложная система; что существуют явления трансформаций у бактерий; что хромосомы - это комплексные компоненты, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты, и т. д.

Всякое развитие основано на возникновении нового и отмирании старого. Это показывает, что отрицание является следствием внутреннего развития, которое на базе внутренних противоречий создает условия для собственного уничтожения, для перехода всего предмета, явления в новое, высшее качество.

Однако нельзя забывать, что в современном анализе самых глубинных молекулярных основ явления наследственности воедино слиты новые методы с методами и идеями классической генетики. Громадное значение имеет принцип генетической структурности, так как даже на уровне фагов и бактерий, где хромосома представлена в виде молекулы ДНК, часто имеющей кольцевую форму, она вместе с тем является типичной органеллой клетки. Изучение молекулярного строения гена — это слитый воедино поток мутационного, генетического, хромосомного и молекулярного анализов. То же касается проблем рекомбинаций мутаций и т. д. Молекулярная генетика — это истинное детище всего развития генетики XX в., которое на новом уровне впитало в себя прогрессивные итоги развития хромосомной теории наследственности, теории мутаций, теории гена, методов цитологии и генетического анализа. На путях молекулярных исследований, в течение последних 20 лет генетика претерпела поистине революционные изменения. Она является одной из самых блестящих участниц в общей революции современного естествознания. Благодаря ее развитию появилась новая концепция о сущности жизни, в практику вошли новые могущественные методы управления и познания наследственности, оказавшие глубокое влияние на сельскохозяйственное производство и на медицину.

Основным в этой революции было раскрытие молекулярных основ наследственности. Оказалось, что сравнительно простые молекулы дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) несут в своей структуре запись генетической информации. Эти открытия создали единую платформу генетиков, физиков и химиков в анализе проблем наследственности. Оказалось, что генетическая информация действует в клетке по принципам управляющих систем, что ввело в генетику во многих случаях язык и логику кибернетики.

Вопреки старым воззрениям на всеобъемлющую роль белка как основы жизни эти открытия показали, что в основе преемственности жизни лежат молекулы нуклеиновых кислот. Под их влиянием в каждой клетке формируются специфические белки. Управляющий аппарат клетки собран в ее ядре, точнее — в хромосомах, состоящих из линейных наборов генов.

Каждый ген, являющийся элементарной единицей наследственности, вместе с тем представляет собой сложный микромир в виде химической структуры, свойственной отдельному отрезку молекулы ДНК.

Таким образом, современная молекулярная генетика раскрыла перед духовным взором человека сокровенные глубины организации и функции жизни. Как всякие великие открытия, хромосомная теория наследственности, теория гена и мутаций (учения о формах изменчивости генов и хромосом) оказали глубокое влияние на жизнь.

Раскрытие физико-химической сущности явления наследственности неразрывно связано с выяснением материальных основ всех явлений жизни. В явлении жизни нет ничего, кроме атомов и молекул, однако форма их движения качественно специфична. Наследственность не автономное, независимое свойство, оно неотделимо от проявления свойств клетки в целом. Взаимодействие молекул ДНК, белков и РНК лежит в основе жизнедеятельности клетки и ее воспроизведения. Поскольку явление наследственности, в общем смысле этого понятия, есть воспроизведение по поколениям сходного типа обмена веществ, очевидно, что общим субстратом наследственности является клетка в целом.

Явление наследственности в целом не обусловлено исключительно генами и хромосомами, которые представляют собой все же только элементы более сложной системы — клетки. Это не умаляет роли генов и ДНК, в них записана генетическая информация, т. е. возможность воспроизведения определенного типа обмена веществ. Однако реализация этой возможности, т. е. процессы развития особи или процессы жизнедеятельности клетки, базируется на целостной саморегулирующейся системе в виде клетки или организма.

Формы эволюции и связанное с ними содержание генетической информации исторически определяются действием факторов среды. В результате явление наследственности базируется как на широком взаимодействии внутренних факторов жизнедеятельности организмов, так и на их связи с материальными условиями внешней среды.

В настоящее время в качестве первоочередной встает задача выяснить, как осуществляется высший синтез физических и химических форм движения, появление которого знаменовало собой возникновение жизни и наследственности. Явления жизни нельзя свести к химии и физике, ибо жизнь — это особая форма движения материи. Однако ясно, что сущность этой особой формы движения материи не может быть понята без знания природы простых форм, которые входят в него уже как бы в «снятом виде». Поэтому проблема физических и химических основ наследственности является ныне одной из центральных в генетике. Ее разработка должна заложить основы для решения проблем наследственности во всей сложности ее биологического содержания. Совершенно ясно, что важнейшие вопросы философского материализма связаны с разработкой этой проблемы.

Материалистическая постановка решающих вопросов проблемы наследственности немыслима без признания того, что явление наследственности материально обусловлено, что в клетке, которая образует поколение, должны иметься определенные материальные вещества и структуры, физические и химические формы движения которых благодаря их специфическому взаимодействию создают явление наследственности.

В свете сказанного вполне понятно то значение, которое имеет полная физико-химическая расшифровка строения биологически важных молекул. Несколько лет назад впервые химическими средствами вне организма была синтезирована белковая молекула — гормон инсулин, управляющий углеводным обменом в организме человека. Недавно была расшифрована физическая структура двух важных белков — дыхательных пигментов крови и мышц — гемоглобина и миоглобина. Для молекулы фермента лизоцима физики раскрыли пространственное расположение каждого из тысяч атомов, участвующих в построении его молекул. Установлено место в молекуле, ответственное за каталитический эффект этого биологического катализатора, принимающего важное участие при проникновении вирусов в клетку.

После эпохальных событий, связанных с раскрытием природы генетического кода и генетических механизмов в синтезе белков, впервые удалось дать полный химический анализ и формулы строения молекулы транспортной РНК.

Все эти открытия, включая замечательный факт, что синтез молекул ДНК идет под координирующим влиянием затравки (матричной ДНК), показывает, какой серьезный шаг сделала генетическая биохимия к созданию прототипа живого.

Поистине фантастические горизонты открываются на путях синтеза генов в искусственных условиях, которые осуществлены в исследованиях 1967—1968 гг.

Г. Корана и его группа осуществили полный химический синтез определенного гена со всей спецификой в последовательности нуклеотидов в его структуре. Пока не существует методов определения последовательности нуклеотидов в ДНК, однако можно определить последовательность нуклеотидов в молекулах транспортной РНК, которые отражают структуру генов, с которых они снимались. Этим и воспользовались Г. Корана и его сотрудники. Они определили последовательность нуклеотидов в транспортной аланиновой РНК из клеток дрожжей. Опираясь на эти данные, они химически синтезировали небольшие цепочки с заданной последовательностью нуклеотидов (по 20 звеньев) для ДНК, с комплементарной (перекрывающейся) последовательностью на концах и фосфорилировали 5,ОН-концы с помощью полинуклеотидкиназы. Затем с помощью фермента лигазы каждая цепочка была замкнута в кольцо и использована в качестве матрицы в системе бесклеточного синтеза ДНК (т. е. матрицы для фермента ДНК-полимеразы). В результате образовались короткие двунитчатые фрагменты ДНК, концы которых содержали комплементарные участки, что обеспечивало специфичность их соединения в полный ген. Таким образом был разработан химический метод синтеза двухспиральной молекулы ДНК с заданной последовательностью чередования нуклеотидов. Таким путем без участия матрицы, заново чисто химически был синтезирован ген для дрожжевой аланиновой т-РНК. Полученный ген был присоединен к инфекционной ДНК фага и вместе с ней введен в бактериальную клетку (протопласт). Правда, синтезированный ген является самым маленьким, содержа около 50 нуклеотидов. Однако ясно, что это достижение открывает новые горизонты и фактически означает реальную возможность синтезировать любые гены с заданными функциями.

Другим выдающимся открытием последнего года послужила разработка условий для искусственного самоудвоения ДНК в бесклеточной системе. Было установлено, что молекулы ДНК (по крайней мере, у вирусов и бактерий) существуют в форме замкнутого кольца и в таком виде служат матрицей для ДНК-полимеразы. Замыкание линейных цепей в кольцо катализируется другим ферментом — ДНК-лигазой, который способен также восстанавливать разрывы в цепях ДНК. Оба фермента осуществляют полную репликацию ДНК в искусственных условиях. С помощью этой системы, используя в качестве матрицы (затравки) молекулу ДНК фага φХ174, А. Корнберг и его группа синтезировали биологически активную инфекционную ДНК фага φХ174. Эти выдающиеся результаты послужили основой для создания модели репликации ДНК, известной как модель вращающегося кольца. Очевидно, что дальнейшие исследования в этом направлении будут развиваться и приведут к пониманию механизма репликации ДНК и хромосом, что позволит активно вмешиваться в эти процессы.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.