Т7-2.Биология
 
 М.И. Беляев, 1999-2007 г,©Вверх

ТЕМА 7. Часть 2.
Концептуальные системы в биологии
7.4. Особенности биологического уровня организации материи.
7.4.1. ПРЕДМЕТ БИОЛОГИИ. ЕЕ СТРУКТУРА И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
Определение предмета биологии на первый взгляд кажется довольно простым.
Биология - это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.
В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру его можно рассматривать с разных точек зрения.
—  По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.
—  По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются:
морфология - наука о строении живых организмов;
физиология - наука о функционировании организмов;
молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток;
экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;
генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.
-По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:
анатомия, изучающая макроскопическое строение животных:
гистология, изучающая строение тканей;
цитология исследующая строение живых клеток.
Важнейшим инструментом дальнейшего познания этого мира служит категория «живого», являющаяся ключевой, исходной для всей системы биологических наук.
В развитии биологии выделяют три основных этапа:
1) систематики (К. Линней),
2) эволюционный (Ч. Дарвин),
3) биологии микромира (Г. Мендель).
Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм.
7.4.2. Свойства живых организмов.
7.4.2.1. Определение сущности живого
Интуитивно мы все понимаем, что есть живое и что - мертвое. Так, один из авторов предложил следующее «глубокомысленное» определение:
живой организм — это тело, слагаемое из живых объектов;
неживое тело — слагаемое из неживых объектов.
Это означает, что дать точное определение жизни весьма непросто. Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.
К числу свойств живого обычно относят следующие.
— Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.
— Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию.
— Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с места. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму.
Способность реагировать на внешние раздражения - универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.
— Живые организмы не только изменяются, но и усложняются. Так, у растения или животного появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур.
— Все живое размножается. Эта способность к самовоспроизведению, пожалуй, самая поразительная способность живых организмов. Причем потомство и похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей. В этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы.
— Сходство потомства с родителями обусловлено еще одной замечательной особенностью живых организмов — передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах - единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах.
Генетический материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них.
-- Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Строение крота, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует условиям, в которых они живут.
Обобщая и несколько упрощая сказанное о специфике живого, можно отметить, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.
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.
Таковы современные представления о свойствах живого и неживого.
И все же, существует, пожалуй, единственное определение жизни, которое можно назвать научным:
«Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. И у неорганических тел может происходить подобный обмен веществ, который и происходит с течением времени повсюду, так как повсюду происходят, хотя бы и очень медленно, химические действия. Но разница заключается в том, что в случае неорганических тел обмен веществ разрушает их, в случае же органических тел он является необходимым условием их существования».
(Диалектика природы. Ф. Энгельс. М., из-во Политической литературы, 1975.)
Однако и это определение является неполным. Эволюция неживого характеризуется ростом энтропии (от сложного к простому), а эволюция живого -характеризуется ее уменьшением (от простого- к сложному).
Таким образом, неживое характеризуются процессами дифференциации, а живое -процессами интеграции.
7.4.2.2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЖИВОГО
Основные закономерности живого характеризуются природными механизмами принципов самоорганизации.
1.Самосохранение
Этот принцип подразумевает самосохранение собственной формы живого в строго определенных Мерой собственных пределов.
2. Саморегулирование
Данная формула позволяет осознать эти причины.
Мутационные процессы в пределах строго установленной Мерой, характеризуют процессы саморегуляции живого
Эти мутационные процессы характеризуют одно из важнейших отличий живого и неживого. Эволюционный цикл живых организмов является замкнутым. На первом этапе происходит разборка аминокислот, в рамках собственной Меры. Затем, при достижении нижнего предела разборки, установленной собственной Мерой, процесс сменяется на обратный и происходит сборка аминокислоты.
Эти процессы характеризуют естественные мутационные процессы, происходящие в рамках собственной Меры.
Эти процессы строго взаимообратимы. Пока эти процессы не выходят за пределы собственной Меры, до тех пор живой организм сохраняет себя в рамках, установленной этой Мерой.
При выходе мутационого процесса за пределы установленной Меры происходят необратимые мутации живого организма.
3. Преемственность
Преемственность характеризует строго эволюционную взаимосвязь собственных Мер с Единой Мерой Живого.
Это значит, что на любом уровне иерархии эволюции живого существует единственная цепочка, связывающая высшую форму живого с нисшей, т. е. с ее первоистоком.
4. Самоподобие
В неживой природе это свойство природных операционных механизмов Единого закона относят к фракталам. В живой природе это свойство отражается в популяциях, видах, и т. д. Это свойство отражает цикличность эволюции, когда последний зацикливается на первый.
«И Последний становится Первым».
Самоподобие в рамках саморегулирования порождает процессы самовоспроизведения живого.
4.Саморазвитие
Этот принцип характеризует уже глобальные процессы саморегулирования живого.
Эти процессы характеризуются двойственностью. Мутации могут носить как позитивный, так и негативный характер.
Данное рычажное уравнение отражает процессы саморегулирования живого на двух смежных уровнях. При выходе за пределы собственной Меры, живой организм формирует новую собственную Меру жизнедеятельности.
При этом адаптация живого к новым внешним условиям и формирование соответствующей собственной Меры, может носит для живого организма как позитивный, как и негативный аспекты, порождая соответственно более совершенных мутантов, или, наоборот, способствуя процессам деградации живого.
На первый взгляд, при формировании более сложных структур живого, должно происходить их совершенствование. В принципе, с этим можно согласиться, если структурно-функциональные процессы эволюции живого происходят при благоприятных условиях.
При неблагоприятных условиях могут иметь место негативные процессы саморазвития:
а) когда структурно-функциональные измерения происходят под «флагом выживания». В этом случае «устойчивое развитие живого» никогда не будет устойчивым;
б) всякий раз, когда происходит чрезмерное усложнение структуры (совершенствование до безобразия). Эти процесс также не являются естественными, ибо в ест6ественных условиях выход за пределы структурной перегруженности автоматически приводит живой организм к самонормировке, которая по сути приводит к формированию новой Меры структурно-функциональной организации живого.
7.5. Структурные уровни живого
Структурный, или системный, анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого.
рис. 4−1
— Биосферный - включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. На этом уровне биологической наукой решается такая, в частности, проблема, как изменение концентрации углекислого газа в атмосфере. Используя этот подход, ученые выяснили, что в последнее время концентрация углекислого газа возрастает ежегодно на 0,4%, создавая опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового эффекта».
— Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.
— Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. А затем на этой основе можно будет поддерживать оптимальную численность популяций. Этот уровень также чрезвычайно важен для исследования путей исторического развития живого, его эволюции.
— Организменный и органо-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.
— Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
— Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.
7.6. Клеточная теория. Строение и функции клетки
Своего рода «первокирпичики» имеются на каждом из основных уровней организации природы, в биологии это - живая клетка, которая является фундаментальной основой живого мира. Ее исследование помогает уяснить специфику всего живого.
Создание клеточной теории, основы которой были заложены немецкими учеными Т. Шванном и М. Я. Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений биологии XIX в. Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению.
Многочисленные исследования в области цитологии - новой биологической науки, специально занимающейся исследованием живой клетки, показали, что все клетки имеют некоторые общие свойства не только в строении, но и в функциях. Так, клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции своего состояния, могут передавать наследственную информацию.
Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы (амебы), а также в составе многоклеточных. У клеток разный срок существования. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни, но уже в обновленном виде, или гибелью.
Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т. д.), а несколько типов тканей - органы (сердце, легкие и пр.). Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называют системами организма.
Клетка имеет сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой, которая, будучи неплотной и рых­лой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией, информацией. Обмен веществ, обеспечиваемый клетками, - важнейшее свойство всего живого.
Это свойство в биологической литературе называют метаболизмом клеток.
Метаболизм в свою очередь служит основой для другого (важнейшего свойства клетки - сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом.
Гомеостаз, т. е. постоянство состава клетки, поддерживается обменом веществ, или метаболизмом.
Но кто же в клетке обеспечивает управление всем этим сложным многоступенчатым процессом? Но общепризнано, что все нити управления внутриклеточным обменом находятся в особых структурах, как правило, в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых является ген. Это своего рода природное кибернетическое устройство, содержащее инструкцию, информацию, коды, определяющие характер всей деятельности клетки как по обмену веществ, так и по самовоспроизведению. Именно гены обеспечивают важнейшие метаболические и наследственные функции клетки, как и всего организма в целом.
Открытие в XX в. структуры и функционирования генетического аппарата клетки в развитии биологии сыграло такую же роль, как и открытие атомного ядра в физике. Если открытие ядра позволило человеку овладеть практически неисчерпаемы­ми запасами энергии, то открытие генов дало возможность людям вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмами наследственности, практически решать задачи клонирования (копирования) живых организмов.
7.7. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ биологической эволюциИ
Эволюция характеризуется тенденцией ускорения (возникновение первых живых существ - 3,5 млрд лет назад; многоклеточных - 2,5 млрд лет; животных и растений — 400 млн лет; млекопитающих и птиц — 100 млн лет; приматов — 60 млн лет; гоминид — 16 млн лет; рода человека — 6 млн лет; Homo sapiens — 60 тыс. лет).
рис. 4−2
В биологии формулируются следующие четыре аксиомы.
рис. 4−3
Эти аксиомы определяют смысл основных принципов биологической эволюции.
7.8.Биологическая эволюция
7.8.1. ПРИНЦИПЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ
Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. На протяжении тысячелетий господство­вало элементарное объяснение, которое состояло в том, что будто бы все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменялись. Так сказано в Библии, таких же взглядов придерживался Аристотель.
Эта концепция, признающая неизменность видов живых существ и рассматривающая многообразие живого мира как результат его творения Богом, получила название креационизма (от лат. - создание, творение).
Первой и наиболее совершенной для своего времени была классификация, в основе которой лежал креацитизм, предложенная знаменитым шведским естествоиспытателем К. Линнеем.
Позднее ряд ученых пришли к выводу, что организмы, населяющие Землю, не неизменны, а претерпевают эволюцию. Этот вывод позволили им сделать обнаруженные в разных местах Земли ископаемые останки странных животных и растений, совершенно непохожих на современных.
И парадигма искусственной систематизации сменилась принципами естественной классификации, основанной на теории эволюции и исходившей не только из внешнего сходства форм, но и из общности происхождения, родства. Концепция креационизма постепенно стала сдавать свои позиции под натиском эволюционных идей.
Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце XVIII в. благодаря работам выдающегося французского биолога Ж. Б. Ламарка. Он известен не только тем, что предложил впервые термин «биология». Ламарк объяснил изменчивость видов двумя факторами: влиянием внешней среды (питание, климат, упражнение органов) и наследственности.
Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно решены Ч. Дарвином. В своей знаменитой работе «Происхождение видов путем естественного отбора», вышедшей в 1859 г., он, обобщив отдельные эволюционные идеи, создал стройную, развернутую теорию эволюции.
С тех пор теория эволюции остается самым плодотворным продуктом биологической мысли за все время ее существования. Но время от времени, однако, появляются мыслители, объявляющие, что Дарвин был неправ. И все же до сих пор не появилось другой, сколько-нибудь значимой теории, которая дала бы объяснение многим загадочным фактам, как это сделала теория эволюции Ч. Дарвина.
Более того, сегодня она находит все новые области применения. Так, современная физика обосновывает концепцию универсальной эволюции. Согласно этой теории развитие Вселенной предстает как ряд последовательных эволюционных этапов, начиная с так называемого Большого взрыва через период эволюции неживой материи к биологической эволюции, а от нее к этапу исторической эволюции человека и общества.
Учение о биологической эволюции есть наука о причинах, движущих силах и закономерностях изменения и развития живых организмов. Эволюционное учение, является теоретической основой современной биологии, обобщает результаты, полученные частными биологическими науками.
С точки зрения теории эволюции, все многообразие живой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов:
наследственности, изменчивости и естественного отбора.
Эти выводы теории эволюции, или ее основные принципы, базируются на следующих трех наблюдениях.
-- В любой популяции, виде животных наблюдается изменчивость составляющих ее особей.
— Некоторые из этих изменений имеют генетическую основу.
Отсюда вытекает главный вывод, что весь ход эволюции видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от поколения к поколению все чаще в данном виде (популяции), определяя главное направление его (ее) развития.
Популяция - это длительно существующие группы особей, устойчиво сохраняющиеся на протяжении жизни многих поколений. Именно здесь активно происходят обмен генетическим материалом, процессы естественного отбора и другие изменения. Именно здесь интенсивно осуществляется случайное, свободное скрещивание. В то же время популяция так или иначе изолирована от соседних совокупностей особей данного вида.
Популяции могут занимать территории разной протяженности, в зависимости от размеров особей и их численности.
Виды, как правило, состоят из нескольких популяций, хотя бывают и исключения (белый медведь в Арктике).
Появление элементарных эволюционных изменений в популяции, т. е. ее новых устойчивых признаков, передающихся по наследству через несколько поколений, зависит от следующих эволюционных факторов:
-перестройки носителей наследственности - генов,
-популяционных волн,
—  изоляции,
-естественного отбора.
Перестройка генов, или мутационный процесс, является основой разнообразия особей в популяциях. Но этот процесс все же не является решающим фактором эволюции. Будучи основан на случайности, он не определяет ее направления.
То же самое можно сказать и о популяционных волнах, т. е. резких колебаниях численности особей из-за различных природных колебаний: урожай, засуха, похолодание и т. п. Этот фактор также не определяет направления эволюции. Однако он может резко менять число редко встречающихся мутаций, создавая те или иные новые предпосылки для эволюционных изменений.
Изоляция, или возникновение барьеров, препятствий, уменьшающих возможности обмена генетической информацией с другими группами особей данного вида, выступает как фактор, закрепляющий начальную стадию дифференциации генофонда обособившейся группы. Но и изоляция не задает направления эволюционному процессу, хотя и выполняет роль его мощного усилителя.
Естественный отбор является основным фактором, направляющим эволюционные изменения. Именно он определяет магистральную линию исторического развития живого, формирует у живых организмов оптимальные способности к выживанию и самовоспроизведению. Результаты естественного отбора проявляются в ходе смены многих поколений.
Учитывая все сказанное, можно сформулировать главный, вывод: весь ход эволюции видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от поколения к поколению в данной популяции все чаще, определяя направление развития вида.
Классы живого. Эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов. Указанные выше факторы действуют не только на популяционном и видовом уровне как микроэволюция, но также и на надвидовом уровне как макроэволюция, образуя новые виды, классы живого.
7.9. Синтетическая теория эволюции
Несомненно, что в своем современном виде эволюционное учение, как и всякая научная теория, не претендует на абсолютную достоверность. В теории эволюции, конечно, проявляется определенная мера неполноты знаний, их обоснованности.
Критики дарвинизма указывают наиболее часто на следующие два его недостатка: невозможность объяснения с позиций дарвинизма установленного факта отсутствия в очень многих случаях промежуточных, переходных ступеней от одного биологического вида к другому;
Комплекс целостных представлений о микро- и макроэволюции, сложившийся к середине XX в., стали называть синтетической теорией эволюции.
рис. 5
В связи с этим уместно заметить, что несмотря на отдельные полемические выпады, сегодня, в отличие от прошлого, все большее число естествоиспытателей и богословов осознают необходимость отказа от конфронтационности науки и религии.
7.10. Возникновение и развитие генетики
7.10.1. предмет ГЕНЕТИКИ
Генетика - это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Она явля-­ется научной основой для разработки практических методов селекции, т. е. создания новых пород животных, видов растений, культур микроорганизмов с нужными человеку признаками.
Центральным понятием генетики является «ген». Это элементарная единица наследственности, характеризующаяся рядом признаков.
По своему уровню ген - внутриклеточная молекулярная структура.
По химическому составу - это нуклеиновые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и фосфор. Гены располагаются, как правило, в ядрах клеток. Они имеются в каждой клетке, и поэтому их общее количество в крупных организмах может достигать многих миллиардов.
По своему назначению гены — своего рода «мозговой центр» клеток и, следовательно, всего организма.
В основу генетики легли закономерности наследственности, обнаруженные австрийским биологом Г. Менделем при проведении им серии опытов по скрещиванию различных сортов гороха.
Молекула ДНК, хранящая код жизни, состоит из огромного числа звеньев, называемых нуклеотидами; эти звенья связаны в две цепи (на рисунке нуклеотиды выделены красными прямоугольниками). Каждый нуклеотид содержит молекулу сахара, молекулу фосфорной кислоты (фосфат) и молекулу азотсодержащего соединения (азотистое соединение). Между азотистыми основаниями двух нуклеотидных цепей существуют связи, называемые водородными (на рисунке 2 эти связи показаны штриховыми линиями).
Совокупность всех генов одного организма называется генотипом.
Совокупность всех вариантов каждого из генов, входящих в состав генотипов определенной группы особей или вида в целом, называется генофондом. Генофонд является видовым, а не индивидуальным признаком.
Совокупность всех признаков одного организма называется фенотипом. Фенотип представляет собой результат взаимодейсвия генотипа и окружающей среды.
Генетика изучает два фундаментальных свойства живых систем: наследственность и изменчивость.
Наследственность создает непрерывную преемственность признаков, свойств и особенностей развития в ряду поколений. Изменчивость обеспечивает материал для естественного отбора, создавая как новые варианты признаков, так и бесчисленное множество комбинации прежде существовавших и новых признаков живых организмов.
Первые шаги в изучении наследственности были сделаны во второй половине XIX в. чешским естествоиспытателем Г. И. Менделем, который своими опытами заложил основы современной генетики. В 1856 — 1863 гг. он поставил опыты по скрещиванию гороха, в которых доказал, что наследственность не имеет промежуточного характера, а передается дискретными частицами. Сегодня мы называем эти частицы генами. Результаты своих наблюдений Мендель отразил в опубликованной им научной статье. Те же самые выводы были вновь получены в 1900 г., когда три исследователя — X. Де Фриз, К. Э. Корренс и Э. Чермак — провели свои эксперименты и повторно открыли правила наследования признаков.
Название этой науке дат в 1906 г. английский биолог У. Бетсон.
Огромную роль в становлении генетики сыграл датский исследователь В. Л. Иогансен, который ввел в широкий обиход основные термины и определения, используемые в этой науке. Среди них важнейшим понятием является «ген» — элементарная единица наследственности. Он представляет собой внутриклеточную молекулярную структуру, участок молекулы ДНК. Число генов в крупном организме может достигать многих миллиардов. В организме они являются своего рода «мозговым центром». В генах фиксируются признаки и свойства организма, передающиеся по наследству.
7.10.2. Генетика о наследственности
В ходе исследований Г. И. Менделем были открыты количественные закономерности наследо­вания признаков, позже названные в честь первооткрывателя законами Менделя. Эти три закона известны как закон единообразия первого поколения гибридов, закон расщепления и закон независимого комбинирования признаков.
Первый закон Менделя —  закон единообразия первого поколения гибридов - устанавливает, что при скрещивании двух осо­бей, различающихся по одной паре аналогичных признаков, гибриды первого поколения оказываются единообразными, про­являя лишь один признак. Например, при скрещивании двух сортов гороха с желтыми и зелеными семенами в первом поко­лении гибридов все семена имеют желтую окраску. Этот признак, проявляющийся в первом поколении гибридов, называется до­минантным. Второй признак (зеленая окраска) называется рецессивным и в первом поколении гибридов подавляется.
Второй закон Менделя — закон расщепления —  гласит, что при скрещивании гибридов первого поколения их потомство (второе поколение гибридов) дает расщепление по анализируемому признаку в отношении 3: 1 по фенотипу, 1:2: 1 — по генотипу. В этом же примере скрещивания двух сортов гороха с желтыми и зелеными семенами во втором поколении гибридов произойдет расщепление: появятся растения с зелеными семенами (рецессивный признак), однако количество зеленых семян будет в три раза меньше количества желтых семян (доминантный признак).
Третий закон Менделя — закон независимого комбинирования признаков - утверждает, что при скрещивании организмов, от­личающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. Так, при дигибридном скрещивании двух сортов го­роха с желтыми гладкими семенами и зелеными морщинистыми во втором поколении гибридов по внешним признакам выявля­ются четыре группы особей (желтые гладкие семена, желтые морщинистые, зеленые гладкие, зеленые морщинистые) в количе­ственном соотношении — 9: 3: 3: 1.
Т ретий закон Менделя действует не во всех случаях. Поэтому важным этапом в развитии генетики явилось создание в начале XX в. американским ученым Т. X. Морганом хромосомной теории наследственности. Наблюдая деление клеток, Морган пришел к выводу, что основная роль в передаче наследственной информации принадлежит именно хромосомам клеточного ядра. Ученому удалось выявить закономерности наследования признаков, гены которых находятся в одной хромосоме — они наследуются совместно. Это называется сцеплением генов, или законом Моргана. Морган логично заключил, что у любого организма признаков много, а число хромосом невелико. Следовательно, в каждой хромосоме должно находиться много генов.
Ответила генетика также и на вопрос о происхождении половых различий. Так, у человека из 23 пар хромосом 22 пары одинаковы как у мужского, так и у женского организма, а одна пара различна. Благодаря этой паре различаются оба пола, по­этому ее называют половыми хромосомами, в отличие от одинаковых хромосом, названных аутосомами. Половые хромосомы у женщин одинаковы, их называют Х-хромосомами. У мужчин половые хромосомы разные — одна Х-хромосома и одна У-хро-мосома. Для каждого человека решающую роль в определении пола играет У-хромосома: Следующим важным этапом в развитии генетики стало открытие роли ДНК в передаче наследственной информации. Началось раскрытие генетических закономерностей на молекулярном уровне, зародилась новая дисциплина — молекулярная генетика. Тогда в ходе исследований было установлено, что основная функция генов — кодирование синтеза белков. Затем была установлена тонкая структура генов, был открыт молекулярный механизм функционирования генетического кода, понят язык, на котором записана генетическая информация. И, наконец, был расшифрован механизм репликации (передачи наследственной информации) ДНК.
7.10.3. Генетика об изменчивости
Генетические механизмы наследственности тесно связаны с генетическими механизмами изменчивости, т. е. со способностью живых организмов приобретать новые признаки и свойства в процессе взаимодействия организма с окружающей средой. Изменчивость является основой для естественного отбора и эволюции организмов.
По механизмам возникновения и характеру изменений признаков генетика различает основные формы изменчивости: наследственную (генотипическую) и ненаследственную (фенотипическую), или модификационную.
Последняя зависит от конкретных условий среды, в которой находится отдельный организм и дает возможность приспособится к этим условиям, но в пределах нормы реакции. Так, европеец, долго живущий в Африке, приобретет сильный загар, но цвет его кожи все-таки не будет таким, как у коренных обитателей этого континента. Такие изменения не наследуются.
Изменчивость, связанная с изменением генотипа, называется генотипической изменчивостью. Она передается по наследству и подразделяется на мутационную и комбинативную.
Наиболее ярко наследственная изменчивость проявляется в мутациях — перестройках наследственного основания, геноти­па организма.
Мутационная изменчивость - это скачкообразное и устойчивое изменение генетического материала, передающееся по наследству. Хотя процесс репликации ДНК обычно идет чрезвычайно точно, иногда, примерно один раз на тысячу или миллион случаев, этот процесс нарушается, и тогда хромосомы новой клетки отличаются от тех, которые были в старой клетке. Таким образом, мутация возникает вследствие изменения структуры генов или хромосомы и служит единственным источником генетического разнообразия внутри вида. Бывают разные типы генных и хромосомных мутаций.
Факторы, способные вызывать мутации, называются мутагенами. Они подразделяются на физические (различные виды излучений, температур), химические (некоторые лекарства и др.) и биологические (вирусы, бактерии). По значимости для орга­низма мутации подразделяются на отрицательные — летальные … (несовместимые с жизнью), полулетальные (снижающие жизнеспособность организма), нейтральные и положительные (повы­шающие приспособляемость и жизнестойкость организма) Положительные мутации встречаются крайне редко, но именно они лежат в основе прогрессивной эволюции.
Комбинативная изменчивость связана с получением новых комбинаций генов, имеющихся в генотипе. Сами гены при этом не изменяются, но возникают их новые сочетания, что приводит к появлению организмов с другим генотипом и, следовательно, фенотипом. Опыты Менделя по дигибридному скрещиванию являются примером проявления изменчивости, обусловленной пе­рекомбинацией генов, т. е. комбинативной изменчивости. Еще одним примером такой изменчивости является генетическая рекомбинация, которая происходит при половом размножении. Именно поэтому дети похожи на своих родителей, но не являются их копией. Кроме того, рекомбинация может происходить за счет включения в геном клетки новых, привнесенных извне гене­тических элементов — мигрирующих генетических элементов.
В последнее время было установлено, что даже само их внедрение в клетку дает мощный толчок к множественным мутациям.
Такой толчок могут давать вирусы — одни из наиболее опасных мутагенов, мельчайшие из живых существ. Они не имеют клеточного строения, не способны сами синтезировать белок, поэтому получают необходимые для их жизнедеятельности ве­щества, проникая в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию.
Хотя мутации — главные поставщики эволюционного материала, они относятся к изменениям случайным, подчиняющимся вероятностным, или статистическим законам. Поэтому они не могут служить определяющим фактором эволюционного процесса.
Тем не менее идея о ведущей роли мутаций в эволюционном процессе легла в основу теории нейтральных мутаций, созданной в 1970—1980-е гг. японскими учеными М. Кимурой и Т. Ота. Согласно этой теории изменения в функциях белоксинтезирующего аппарата являются результатом случайных, нейтральных по своим эволюционным последствиям мутаций. Их истинная роль — провоцировать генетический дрейф — изменение частоты генов в популяции под действием совершенно случайных фак­торов. На этой основе была провозглашена нейтралистская концепция недарвиновской эволюции, сущность которой заключается в идее, что на молекулярно-генетическом уровне естественный отбор не работает. И хотя эти представления не являются обще­принятыми среди биологов, очевидно, что непосредственной аре­ной действия естественного отбора является фенотип, т. е. живой организм, онтогенетический уровень организации жизни.
7.10.4. ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ ДНК
Молекулы ДНК напоминают приставную лестницу, в которой роль вертикальных жердей играют цепочки сахар-фосфат-сахар-фосфат-сахар-фос­фат-… (сахаро-фосфатные цепочки), а роль горизонтальных перекладин играют пары азотистых оснований.
рис. 6−1
Существуют ВСЕГО ЧЕТЫРЕ (!!) ТИПА азотистых оснований: аденин и гуанин (азотистые основания пуринового ряда), тимин и цитозин (основания пиримидинового ряда). Их сокращенно обозначают по начальным буквам: А, Г, Т, Ц. Каждая горизонтальная «перекладина» содержит либо аденин и тимин (А-Т или Т-А), либо гуанин и цитозин (Г-Ц или Ц-Г).
Соединения аденина с гуанином (А-Г), а также тимина с цитозином (Т-Ц) не реализуются.
Считается, что определенное чередование пар А-Т, Т-А, Г-Ц и Ц-Г вдоль «лестницы» и есть генетический код, фиксирующий индивидуальность данного живого организма. Несмотря на то что используются только четыре типа «перекладин», огромное количество этих «перекладин» на «лестнице» позволяет записать в молекуле ДНК всю наследственную информацию.
Изображая двойную спираль ДНК в форме креста и совершая «крестный ход», мы получим следующие схемы, которые позволяют осознать принципы запрета соединений (А-Г), (Т-Ц).
рис. 6−2
На этих рисунках кресты сопряжены в соответствии с законом сохранения зеркально-зарядовой симметрии. Из этих рисунков видно, что только в этом случае эти два креста соединяются в единый двойной крест, в котором «крестный ход» совпадает и четыре основания оказываются фактически закручены в одну и ту же сторону (правоспиральность).
Существуют два набора. Один набор из 4-х типов азотистых оснований определяет свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Другой набор из 4-х компонент определяет свойства рибонуклеиновой кислоты (РНК).
В этом наборе присутствуют: урацил (вместо тимина) и вместо дезоксирибозы содержит рибозу.
На самом деле такое представление является линейным. Молекула ДНК в явном виде содержит многомерную двойную спираль, составленную всего из 4-х элементов. Эта многомерная спираль в процессе своей эволюции образует периодически повторяющиеся замкнутые циклы.
Эта информация сохраняется в процессе размножения клеток организма. Молекула ДНК делится на две половинки (рис. 6−2), каждая из которых представляет собой сахаро-фосфатную цепочку с отростками в виде азотистых оснований. Поскольку каждое основание может соединяться лишь с определенным другим основанием (А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г), то каждая из половинок будет достраиваться до молекулы, полностью повторяющей исходную молекулу ДНК.
7.10.5. ВЕСЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО КОДА
Схему «крестного пути» генетического кода, плетущего двойную спираль, можно пояснить на следующем рисунке, отражающего равновесный баланс спроса и предложения между взаимодополнительными полюсами четырех оснований генетического кода.
рис. 6−3
Эти «геометрические весы» отражают сущность алгебраического тождества
На этих весах скрупулезно «взвешивается» каждый шаг эволюции всего мироздания.
Успехи современной генетики, ее глубокое проникновение в тайны механизма наследственности явились еще одним свидетельством универсального единства живой природы. Достижения генетиков открыли дорогу для познания сущности жизни, новых способов изменения ее сложившихся форм. Но среди всех достижений современной генетики законы сохранения симметрии генетического кода займут важнейшее место.
Эти рычажные весы генетического кода порождают механизмы воспроизводства наследственной информации
В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом и содержит около 1 млрд пар оснований, длина ее около 1 м.
Носители информации — нуклеиновые кислоты — содержат азот и выполняют 3 функции:
самовоспроизведение;
хранение информации;
реализация этой информации в процессе роста новых клеток.
Генетическая информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании ферментов» которые управляют химическими реакциями внутри организма.
Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путем синтеза различных белков согласно ге­нетическому коду. Сходство и различие тел определяется набором белков. Чем ближе организмы друг к другу, тем более сходны их белки.
Процесс воспроизводства состоит из 3 частей:
репликация - удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток. В основе способности клеток к само­воспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на 2 идентичные;
транскрипция - представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК,
трансляция - синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки — рибосомах, куда доставляет аминокислоты транспортная РНК.
7.10.6. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основными направлениями исследований ученых-генетиков в XX в. стали следующие.
• Изучение тех предельно мелких материальных структур - молекул нуклеиновых кислот, которые являются хранителями генетической информации каждого вида живого, единицами наследственности.
• Исследование механизмов и закономерностей передачи генетической информации от поколения к поколению.
• Изучение механизмов реализации генетической информации.
• Выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.
Эти задачи решаются генетикой на различных уровнях организации живой природы:
молекулярном, клеточном, организменном, популяционном.
7.11. Проблемы биологической этики
7.11.1. БИОЭТИКА
В обществе существует много различных средств регули­рования поведения людей. Среди них особая роль принадлежит государству и Церкви. Но зачастую более действенными оказываются общепринятые нормы нравственности, морали, хотя они и не опираются на какую-либо организационную структуру.
Именно спецификой морали, по-видимому, и объясняется появление в последние годы еще одной новой сферы профессиональной этики - биологической.
Под биологической этикой понимается применение понятий и норм общечеловеческой морали, в которых осмысливаются проблемы добра и зла, совести, долга, чести и т. д., к сфере экспериментальной и теоретической деятельности в биологии, а также в ходе практического применения ее результатов.
Выделение биоэтики в особую сферу этических знаний было продиктовано возникновением в процессе развития биологии и ее практического использования ряда острых проблем, требующих специального этического осмысления. Первоочередной среди них стала угроза уничтожения всех форм жизни на Земле, ответственность за которую несут не только политики, но и ученые, особенно физики, химики, биологи.
В связи с достижениями биологических наук возникли и некоторые, скажем так, частные проблемы. Например, целесообразность поддержания жизни смертельно больного человека, допустимость использования человеком его «права на смерть», проведения научных экспериментов над животными и людьми, наконец, целесообразность применения генетики для клонирования (копирования) животных и людей.
В ходе решения подобных и других биоэтических проблем утверждаются основные принципы биоэтики, некоторые из них широко признаны уже сегодня.
Принцип единства жизни и этики, их глубокое соответствие и взаимообусловленность.
Если жизнь является высшим проявлением упорядоченности, организованности в мире природы, то этика есть высшее выражение сил, противостоящих хаосу в обществе.
Учитывая это глубокое родство между феноменом жизни и этикой, следует постоянно учитывать этические нормы как в науке, так и на практике.
• Признание жизни в качестве высшей категории среди всех этических ценностей, принцип «благоговения перед жизнью». По выражению крупнейшего русского философа В. Соловьева, «жизнь есть самое общее и всеобъемлющее название для полноты действительности везде и во всем».
• Принцип гармонизации системы «человек-биосфера», выдвигающий в качестве самой актуальной задачи современности налаживание оптимальных взаимоотношений между человеком и природой, требующий от ученых и практиков все более полного учета биологических оснований социального бытия, упорного поиска путей превращения биосферы в ноосферу (В.И. Вернадский) и предотвращения возможности (ныне ставшей реальной) ее уничтожения.
На основе этих принципов и будет, по-видимому, складываться будущий свод правил и норм биологической этики.

© Беляев М. И., «МИЛОГИЯ», 1999-2006г.
Опубликован: 13/04/2006г.,
Сайт ЯВЛЯЕТСЯ ТВОРЧЕСКОЙ МАСТЕРСКОЙ АВТОРА, открытой для всех посетителей.
Убедительная просьба сообщать о всех замеченных ошибках, некорректных формулировках.
Книги «Основы милогии», «Милогия» могут быть высланы в Ваш адрес наложенным платежом,
URL1: www. milogiya2007.ru e-mail: milogiya@narod.ru
Архив 2001 г:URL1: www.newnauka.narod.ru Архив 2006 г: URL1: www. milogiya. narod.ru