Молекулярно-генетический уровень

Представление о структурных уровнях организации живых систем сформировалось под влиянием клеточной теории строе­ния живых тел. В середине прошлого века клетка рассматрива­лась как последняя единица живой материи, наподобие атома неорганических тел. Из клеток, благодаря принципу упорядочен­ности, мыслились построенными все живые системы различного уровня организованности. Такие идеи высказывал один из созда­телей клеточной теории М. Шлейден (1804-1881). Другой вы­дающийся биолог Э. Геккель (1834-1919) пошел дальше и вы­двинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки также обладает определенной структурой и состоит из субмикроскопи­ческих частей.

Таким образом, в живой системе можно выделить новый структурный уровень организации. Эти идеи, далеко опережаю­щие научные знания своей эпохи, встречали явное сопротив­ление, с одной стороны, последователей редукционизма, стре­мившихся свести процессы жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций, с другой - защитников вита­лизма, которые пытались объяснить специфику живых организ­мов наличием в них особой «жизненной силы». Идеи редукцио­нистов находили поддержку со стороны представителей механи­стического и «вульгарного» материализма, первые из которых пытались объяснить закономерности живой природы с помощью простейших механических и физических понятий и принципов, вторые же стремились редуцировать, свести эти законы к зако­номерностям химических реакций, происходящих в организме. Более того, некоторые представители «вульгарных» материали­стов даже утверждали, что мозг порождает мысль подобно тому, как печень выделяет желчь.

Несмотря на эти философские дискуссии между механици­стами и виталистами, ученые-экспериментаторы пытались кон­кретно выяснить, от каких именно структур зависят специфиче­ские свойства живых организмов, поэтому продолжали исследо­вать их на уровне не только клетки, но также и клеточных струк­тур. В первую очередь исследовали структуру белков и выясни­ли, что они построены из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями, или цепями. Хотя в состав белков человеческого организма входят все 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, состоит в том, что все они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты и право­го вращения. Обе формы таких изомеров почти одинаковы меж­ду собой и различаются только пространственной конфигураци­ей, и поэтому каждая из молекул аминокислот является зеркаль­ным отображением другой. Впервые это явление открыл вы­дающийся французский ученый Л. Пастер (1822-1895), исследуя строение веществ биологического происхождения. Он обнару­жил, что такие вещества способны отклонять поляризованный луч и поэтому являются оптически активными, вследствие чего они были впоследствии названы оптическими изомерами. В от­личие от этого, у молекул неорганических веществ эта способ­ность отсутствует, и они построены симметрично. На основе своих опытов Л. Пастер высказал мысль, что важнейшим свой­ством всей живой материи является их молекулярная асиммет­ричность, подобная асимметричности левой и правой рук. Опи­раясь на эту аналогию, в современной науке это свойство назы­вают молекулярной хиральностью (от греч. cheir - рука). Инте­ресно заметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отображение, то его организм функционировал бы нормально до тех пор, пока он не стал бы употреблять пищу растительного или животного происхождения, которую он не смог бы переварить.

На вопрос, почему именно живая природа выбрала белко­вые молекулы, построенные из аминокислот левого вращения, до сих пор нет убедительного ответа. Сам Л. Пастер считал, что поскольку живое возникает из неживого, то необходимым пред­варительным условием для этого процесса должно стать пре­вращение симметричных неорганических молекул в асиммет­ричные. По его предположению, такое превращение могло быть вызвано различными космическими факторами, в частности, геомагнитными колебаниями, вращением Земли, электрическими разрядами и т.п. Попытки экспериментально проверить эту гипо­тезу не увенчались успехом. Поэтому высказывались предполо­жения и о чисто случайном характере возникновения первых живых молекулярных систем, образованных из аминокислот ле­вого вращения. В дальнейшем эта особенность могла быть пе­редана по наследству и закрепиться как неотъемлемые свойства живого организма.

Наряду с изучением структуры белка в последние полвека особенно интенсивно изучались механизмы наследственности и воспроизводства живых систем. Особенно остро этот вопрос встал перед биологами в связи с определением границы между живым и неживым. Большие споры возникли вокруг природы вирусов, которые обладают способностью к самовоспроизводст­ву, но не в состоянии осуществлять процессы, которые мы обычно приписываем живым системам: обмен веществ, реакцию на внешние раздражители, рост и т.п. Очевидно, если считать определяющим свойством живого организма обмен веществ, то вирусы нельзя назвать живыми организмами, но если таким свойством считать воспроизводимость, то их следует отнести к живым телам. Так естественно возникает вопрос: какие свойства или признаки характерны для живых систем? На этот вопрос ученые отвечали по-разному в различные исторические этапы развития естествознания в зависимости от достигнутого уровня исследований. Пока не существовало развитых методов биоло­гического исследования и сколь-нибудь ясных теоретических концепций, сущность живого сводили к наличию некоей таинст­венной «жизненной силы», которая отличает живое от неживого. Однако такое определение оставалось чисто отрицательным, так как не раскрывало ни подлинной причины, ни механизма отличия живого от неживого, а все сводило к иррациональной, непознаваемой и потому таинственной способности живых орга­низмов. На этом основании сторонников такого взгляда называ­ли «виталистами». Если первые виталисты ограничивались про­стой констатацией различия между живым и неживым, то их по­следователи использовали недостатки и ограниченность физико-химических представлений о жизни для подкрепления своей позиции. Наиболее интересной в этом отношении представляет­ся попытка немецкого биолога и философа Х. Дриша (1867­1941), который возродил существовавшее еще у Аристотеля понятие энтелехии для объяснения целесообразности живых систем. Основываясь на своих опытах по регенерации морских ежей, которые восстанавливают удаленные у них части тел, Дриш утверждал, что все живые организмы обладают особой способностью к целесообразным действиям по сохранению и поддержанию своей организации и жизнедеятельности, которую он назвал энтелехией. По сути дела энтелехия ничем не отличается от отличается от «жизненной силы» виталистов, хотя в духе своего времени (XX в.) X. Дриш вводит градации и различные ее степени для разных живых организмов. На упреки, что энтелехию невозможно установить никакими эмпирическими методами, он отвечал, что магнитную силу также нельзя увидеть непосредственно. На этом примере можно убедиться, что современные виталисты используют понятия о ненаблюдаемых объектах (магнетизм, электричество и т.д.) для защиты своих взгляНдеосвм. отря на критику виталистов, биологи-эксперимента­торы продолжали свою трудную и кропотливую работу по анали­зу структуры и функций живых систем. Как изменились наши представления о живых системах в связи с переходом на новый, молекулярный уровень исследования?

Долгое время в связи с изучением синтеза неорганических веществ внимание ученых было сосредоточено на исследовании той части клеточной структуры, которая образована из белков. Многим казалось, что именно белки составляют фундаменталь­ную основу жизни, и поэтому пытались свести свойства живых систем к свойствам и структуре белков. По-видимому, именно опираясь на это, Ф. Энгельс (1820-1895) выдвинул свое извест­ное определение жизни как способа существования белковых тел, которое продолжали некритически повторять в нашей лите­ратуре, несмотря на глубокие исследования, выяснившие, что ни сам белок, ни его составные элементы не представляют ничего уникального в химическом отношении. В связи с этим 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 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 D-дезоксирибоза, а в дру­гом - D-рибоза. Соответственно этому, первый тип кислот стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами (сокращенно -ДНК), а второй тип - рибонуклеиновыми (или кратко - РНК) ки­слотами. Потребовалось, однако, почти сто лет, прежде чем бы­ла расшифрована роль нуклеиновых кислот в хранении и пере­даче наследственности, участии в синтезе белка и обмене ве­ществ.

Не вдаваясь в детали, кратко рассмотрим эти важнейшие для биологии и естествознания вопросы. Роль ДНК была выяс­нена после того, как в 1 944 г. американским микробиологам уда­лось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. До этого существовали либо косвенные, либо не совсем надежные свидетельства этого факта. В 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении ДНК как носителя информации. В 1 960-е гг. француз­скими учеными Ф. Какобом (р. 1920) и Ж. Моно (1910-1976) была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскры­вающая фундаментальную особенность функционирования жи­вой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по сво­ей активности все гены разделяются на «регуляторные», коди­рующие структуру регуляторного белка, и «структурные гены», кодирующие синтез метаболитов, в том числе ферментов. Даль­нейшими исследованиями была установлена непосредственная зависимость синтеза белков (ферментов) от состояния генов (ДНК). Оказалось, что если воздействовать на генетический ап­парат микроорганизмов определенными физическими фактора­ми (ультрафиолетовые, рентгеновские и другие лучи), то они перестают синтезировать необходимые им метаболиты, в част­ности, белки. Благодаря этим исследованиям было показано, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков. В связи с этим возник вопрос: каким образом осуществляется передача информации от ДНК к морфологическим структурам?

Согласно упомянутой выше модели Уотсона и Крика, наследст­венную информацию в молекуле ДНК несет последовательность четырех оснований: два пуриновых и два пиримидиновых. Между тем в белках содержится 20 аминокислот, и поэтому становится необходимым объяснить, как четырехбуквенная матрица может быть переведена в 20-буквенную запись аминокислот белков. Первое гипотетическое объяснение механизма такого перевода дал Г. Гамов, предположив, что для кодирования одной амино­кислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Спустя семь лет его гипотеза была подтверждена экспериментально, и тем самым был раскрыт механизм считки генетической инфор­мации.

Переход на молекулярный уровень исследования во многом изменил представления о механизме изменчивости. Согласно доминирующей точке зрения, основным источником изменений и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Однако, кроме переноса свойств от одного организма к другому, существуют и другие механизмы изменчивости, важнейшим из которых являются «генетические рекомбинации». В одних случаях, называемых «классическими», они не приводят к увеличению генетической информации, что наблюдается главным образом у высших организмов. В других, «неклассических» случаях рекомбинация сопровождается уве­личением информации генома клетки. При этом фрагменты хро­мосомы клетки-донора могут включаться в хромосому клетки-реципиента, а могут оставаться в латентном, скрытом, состоя­нии, но под влиянием внешних факторов они становятся актив­ными и потому могут соединиться с клеткой-реципиентом. Даль­нейшее исследование генетических рекомбинаций привело к открытию целого вида переносимых или «мигрирующих» генети­ческих элементов.

Дальнейшие исследования «неклассических» форм генети­ческих рекомбинаций привели к открытию целого ряда перено­симых, или «мигрирующих» генетических элементов. Важней­шими из них являются автономные генетические элементы, на­званные плазмидами, которые служат активными переносчиками генетической информации. На основе этих результатов некото­рыми учеными высказано предположение, что «мигрирующие» генетические элементы вызывают более существенные измене­ния в геномах клеток, чем мутации. Все это не могло не поста­вить вопроса о том, работает ли естественный отбор на молекулярно-генетическом уровне. Появление теории «нейтральных мутаций» еще больше обострило ситуацию, поскольку она дока­зывает, что изменения в функциях аппарата, синтезирующего белок, являются результатом случайных мутаций, не оказываю­щих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является об­щепризнанным, но хорошо известно, что действие естественного отбора происходит на уровне фенотипа, т.е. живого, целостного организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследо­вания.