Ген и его свойства. Генетика и практика

Содержание теории эволюции сегодня невозможно представить без анализа роли в ней генов, управляющих функционированием каждой клетки, каждого живого организма. Что же такое ген? Какова его роль в функционировании и развитии живых организмов?

Ген (от греч. genos — происхождение) представляет собой мельчайшую единицу наследственности, которая обеспечивает преемственность в потомстве того или иного элементарного признака организма. У высших организмов ген входит в состав особых нитевидных образований — хромосом, находящихся внутри ядра клетки. Совокупность всех генов организма составляет его геном. В геноме человека насчитывается около ста тысяч генов. По своим химическим характеристикам ген представляет собой участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов — РНК), в определенной структуре которого закодирована та или иная наследственная информация. Каждый ген содержит некоторый рецепт, который обеспечивает соответствующий синтез определенного белка, и таким образом совокупность генов управляет всеми химическими реакциями организма и определяет все его признаки. Важнейшим свойством гена является сочетание высокой устойчивости, неизменяемости в ряду поколений со способностью к наследуемым изменениям — мутациям, которые являются источником изменчивости организмов и основой для действия естественного отбора.

О невероятной сложности генетического устройства свидетельствуют следующие факты: геном бактерии Хеликобактер, вызывающей язву желудка у человека, включает 1603 гена, содержащих более полутора миллиона единиц, или «букв», информации; геном крошечного, живущего в почве червя Элеганс состоит из 97 млн «букв» генетического кода; геном человека, который удалось расшифровать в 2001 г., содержит около 100 тыс. генов, включающих около 3 млрд единиц информации, причем сбой, ошибка в функционировании хотя бы одной из этих единиц может привести к тяжелому заболеванию¹.

Большой энциклопедический справочник. — М.: Астрель, 2001. — С. 532—533.

Гены являются объектом изучения одной из наиболее перспективных отраслей биологической науки — генетики. Ее определяют как науку о наследственности и изменчивости организмов и практических методах управления ими. Она является основой для разработки методов селекции, т.е. создания новых пород животных, видов растений, микроорганизмов с нужными человеку признаками.

Быстрое развитие генетики в XX—XXI вв. объясняется рядом причин:

• Огромной ролью, которую играет генетический материал в существовании живых организмов. Как отмечалось выше, некоторые исследователи считают, и не без оснований, способность живых организмов передавать наследственную информацию главным свойством всего живого.

• Динамизмом, изменчивостью генного материала, его способностью к мутациям, преобразованиям, перестройкам, что и является исходным фактором эволюции, развития жизни, ее огромного разнообразия.

• Открытием генетиками уже в конце XIX в. определенной упорядоченности, законов, которым подчиняются механизмы наследственности, что и сделало возможным целенаправленное воздействие на эти механизмы, или селекцию животных и растений.

Основой генетики стали законы передачи наследственной информации, отрытые чешским ученым Г. Менделем. Эти закономерности были им обнаружены при проведении множества опытов по скрещиванию различных сортов гороха и четко сформулированы в 1865 г. Законы Менделя, касающиеся механизма наследственности, принадлежат к наиболее точным, количественно определенным биологическим обобщениям. Однако эти открытия были по достоинству оценены только после смерти ученого, а в России — значительно позже, чем в других странах.

Главными направлениями исследований ученых-генетиков сегодня стали следующие:

• дальнейшее исследование особенностей структуры тех пре
дельно мелких материальных объектов — участков молекул нуклеи
новых кислот, которые являются хранителями генетической инфор
мации каждого вида живого, единицами наследственности. Круп
нейшим достижением генетики на этом направлении стала рас
шифровка американскими и английскими учеными на рубеже
третьего тысячелетия генома человека;

204

• более глубокое исследование механизмов и законов передачи генетической информации от поколения к поколению, а также ее реализации в конкретные признаки и свойства организма, например в большую продуктивность животных или урожайность сельскохозяйственных культур;

• выяснение предпосылок и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.

Эти задачи решаются учеными на разных уровнях организации живой природы: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном. Продвигаясь вперед, ученые-генетики в тесном контакте с практиками-селекционерами активно решают задачи выбора оптимальной системы скрещивания и эффективного метода отбора и управления развитием наследственных признаков.

Крупнейшее открытие современной генетики, как отмечалось, связано с установлением способности генов к перестройке, изменению. Эта способность называется мутированием (от лат. muta-tio — изменение). Мутации могут иметь последствия троякого рода: они могут быть полезными, вредными или нейтральными. Одним из результатов мутаций может быть появление организма нового вида — мутанта.

Причины мутаций до конца не выяснены. Однако генетикой установлены основные факторы, вызывающие мутации, так называемые мутагены. Известно, что мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых оказывается организм: его питанием, температурным режимом, составом воздушной среды и т.д. Вместе с тем мутации определяются и некоторыми внезапно возникающими экстремальными факторами, такими, как отравляющие вещества, радиоактивное излучение. Под воздействием экстремальных факторов количество мутаций может увеличиваться по сравнению с нормальными условиями в сотни раз, причем возрастает оно пропорционально дозе воздействия.

Учитывая это, селекционеры часто используют химические вещества, радиационное излучение и другие мутагены для обеспечения направленных полезных мутаций.

Активная работа ученых в этом направлении привела к выделению в качестве самостоятельной отрасли генетики генной инженерии, целью которой стало конструирование новых, не существующих в природе генов. С помощью современных биотехнологий удалось получить целый ряд впечатляющих результатов: ряд эффективных лекарств, например инсулин; сыворотку против

гепатита и др.; создать первые образцы пищи, подвергнутой генетическому инжинирингу (помидоры, картофель, кукуруза и др.); вывести методами генной инженерии некоторые виды животных, таких, как мышь, обезьяна, овца, некоторые виды промысловых рыб и даже вплотную подойти к решению проблемы клонирования человека, создания смоделированных живых организмов на основе искусственных генов. Следует отметить, что эти достижения науки оцениваются общественностью неоднозначно. Так, некоторые религиозные деятели и многие специалисты по этике считают морально недопустимыми подобные эксперименты, а законодательные органы Европейского союза потребовали принятия закона, согласно которому все пищевые продукты, содержащие гормоны роста и чужеродные гены, должны иметь специальные этикетки в магазинах и ресторанах.

Вместе с тем следует отметить, что модификация генного материала происходит не только в научно-исследовательских институтах и научных лабораториях, но и далеко за их пределами. В последнее время в связи с резким возрастанием загрязнения окружающей природной среды, усиления содержания в атмосфере углекислого газа, повышения радиационного фона значительно возросло число спонтанных, стихийных, вредных мутаций как у животных, так и у человека.

В последние годы, например, ежегодно в мире рождается около полутора миллионов детей с наследственными болезнями мутагенного характера, что составляет около 2% от общего количества рождаемости. Установлено, что именно с патологиями наследственного аппарата связана предрасположенность к таким тяжелым заболеваниям, как туберкулез, полиомиелит, рак. Известны вызываемые теми же факторами дефекты психики — эпилепсия, слабоумие, шизофрения и т.п. Всемирной организацией здравоохранения зарегистрировано свыше тысячи серьезных аномалий человека в виде различных уродств, нарушений жизненно важных процессов под влиянием тех или иных вредных мутагенов.

Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы (от лат. virus — яд). Вирусы — мельчайшие из живых существ, они способны проникать через любые фильтры, в связи с чем их иногда называют фильтрующимися вирусами. Тем не менее они содержат важнейшие элементы жизни. Вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, но всех структур развитой живой клетки, например ядра, они не имеют. По своему образу жизни они также отличаются от обычных клеток; будучи

неспособными синтезировать белок, вирусы ведут паразитический образ жизни, получая необходимые для их жизнедеятельности вещества путем проникновения в живую клетку и использования готовых органических веществ и энергии. Как внутриклеточные паразиты, вирусы являются возбудителями многих заболеваний растений, животных и человека; размножаясь только в живых клетках, они используют их генетический аппарат, переключая клетку на синтез вирусных частиц. Вирусы настолько резко отличаются от других живых организмов, что иногда их вьщеляют в особое царство живой природы, наряду с царствами растений и животных. Конечно, описываемые вирусы нельзя путать с компьютерными, под которыми понимаются особые компьютерные программы, специально создаваемые так называемыми хакерами для порчи содержимого чужих компьютеров, хотя какое-то чисто внешнее сходство здесь присутствует.

Вирусы могут попадать в организм человека через дыхательную, пищеварительную и половую системы. Их большая часть гибнет благодаря иммунной системе организма, вырабатывающей антитела. Огромную опасность для антител представляют патогенные вирусы.

Сегодня своевременно напомнить, что вирусы, как и другие биологические материалы, например бактерии, споры, могут использоваться в качестве боевого оружия, типа вооружений — биологического оружия, как одно из средств террористической деятельности. С этой целью используются возбудители сибирской язвы, холеры, чумы, оспы, брюшного тифа и даже... гриппа. Основным методом их боевого применения является распыление в воздухе, заражение воды и пищи токсичными микроорганизмами. Отдельные попытки применения такого рода оружия, вызвавшие человеческие жертвы, имели место на территории США вскоре после известных трагических событий 11 сентября 2001 г.

Однако и в мирных условиях патогенные вирусы вызывают у человека множество заболеваний, одним из которых является СПИД — синдром приобретенного иммунодефицита. Вирус СПИДа, или, как его иногда называют, ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), передается половым путем, при инъекции, родовых контактах матери и ребенка, через донорские органы и кровь. Но он не передается воздушно-капельным путем, как вирус гриппа.

Попадая в клетки крови и мозга, вирус СПИДа встраивается в генный аппарат и парализует его защитные свойства. Зараженный им человек становится беззащитным перед любой инфекци-

ей. Проблема очищения генетического аппарата человека от чужеродной инфекции является одной из актуальных в современной медицине, но она, к сожалению, еще далека от своего решения. Поэтому сегодня основным средством борьбы со СПИДом является комплекс мер по его профилактике, важнейшая из которых — санитарное просвещение. Для профилактики этой опасной болезни, в частности, нужно знать, что существует тип людей, которые не воспринимают ВИЧ, оставаясь практически здоровыми, хотя и являются его носителями: это люди с сильными, вич-устойчивыми генами, но они-то и являются основными распространителями СПИДа. Подобное заболевание можно обнаружить только специальным анализом крови, в которой в этом случае обнаруживаются особые антитела, пожирающие ВИЧ. Однако данная методика эффективна только на достаточно высоком уровне развития инфекции, только после ее выхода из скрытой фазы. Поэтому медики используют и более глубокие методы исследования с целью выявления заболеваний на его ранних стадиях, что необходимо, например, при получении донорской крови.

Основным методом лечения СПИДа является введение в кровь больного препаратов, содержащих соответствующие антитела, разрушающие белковую оболочку ВИЧ.

Крупный вклад в развитие современной генетики, селекции, в создание новых сортов растений, пород животных, борьбу с их болезнями, а также болезнями человека внесли отечественные биологи Н. И. Вавилов, И. В. Мичурин, Н. П. Дубинин, Н. В. Тимофеев-Ресовский.

Н.И Вавилов на основе изучения мутаций растений установил законы их наследственности и изменчивости, обосновал идею о том, что важнейшим условием успешного создания новых сортов является использование для селекции разнообразного исходного материала. В поисках неизвестных видов растений он исколесил весь мир, собрал уникальную коллекцию, включающую тысячи образцов семян. Эта коллекция и по сей день служит основой селекционных работ. Вавилов возглавлял и направлял работы по организации сельского хозяйства в стране, являлся членом ряда иностранных академий наук.

И. В. Мичурин внес большой вклад в дело гибридизации, скрещивания разных видов растений. На основе методов межсортовой и отдаленной, т.е. межвидовой, гибридизации создал свыше 300 сортов плодовых культур. Благодаря его работам многие южные сорта плодовых культур удалось распространить в сред-

208

ней полосе нашей страны. Разработанные им методы успешно используются и в селекции других культур.

Н.В. Тимофеев-Ресовский, долгое время работавший в Берлине в Институте биологии, а затем в России, известен как один из основателей современной радиационной генетики. Его исследования были отмечены наградами ряда зарубежных академий наук. Его жизнь и творчество подробно описаны в известном романе Д. Гранина «Зубр».

Н.П. Дубинин вошел в историю генетики как первооткрыватель ряда особенностей строения генов. В результате его исследований была подтверждена дробимость генов, выяснена их роль в процессе эволюции живых существ; он известен также как крупнейший специалист в области радиационной генетики. Дубинин был избран членом ряда зарубежных научных учреждений, в том числе Академии наук США.

Основные выводы генетики стали неотъемлемой частью современной концепции биологической эволюции, возникновения и развития всего живого. Но ее главной составляющей и сегодня остается концепция естественного отбора, основы которой были заложены Ч. Дарвиным. Рассмотрим современную теорию биологической эволюции более подробно.

7.7. Современная теория биологической эволюции

и ее критики

Под эволюцией обычно понимают процесс изменений, одну из форм движения, для которой, в отличие от революции, характерны постепенные, непрерывные, накапливающиеся перемены, тем не менее приводящие к качественным сдвигам в развитии, в том числе и живой природы.

Представление о том, что окружающий нас бесконечно многообразный мир живых организмов появился в результате длительного процесса изменения и развития, эволюционным путем, сложилось не сразу. В этом процессе становления эволюционной парадигмы, как правило, выделяют три основных этапа.

Первый этап — традиционная биология; наиболее яркий ее представитель — шведский естествоиспытатель К. Линней.

Второй этап — классическая теория биологической эволюции; создатель — английский естествоиспытатель Ч. Дарвин.