Молекулярная биология и криминалистика

I Молекулярная биология и криминалистика.

  Биология — самая быстро развивающаяся наука во второй половине ХХ и ХХI веке. Связано это, в первую очередь, с появлением нового ее раздела — молекулярной биологии, подоплекой возникновения которой, в свою очередь, стало стремительное развитие физики, химии и физико-химических методов.

  Молекулярная биология, наука, ставящая своей задачей  познание природы явлений жизнедеятельности  путём изучения биологических  объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез белков, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, превращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта Молекулярная биология — изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; далее — системы, стоящие на границе живой и неживой природы, — вирусы, в том числе и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи — нуклеиновых кислот и белков.

    Молекулярная  биология — новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися  направлениями исследований, которые  охватываются биохимией, биофизикой  и биоорганической химией. Разграничение  здесь возможно лишь на основе учёта применяемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

    Фундамент, на  котором развивалась Молекулярная  биология, закладывался такими науками,  как генетика, биохимия, физиология  элементарных процессов и т.  д. По истокам своего развития  молекулярная биология неразрывно  связана с молекулярной генетикой,  которая продолжает составлять  важную часть молекулярной биологии, хотя и сформировалась уже  в значительной мере в самостоятельную  дисциплину. Вычленение молекулярной  биологии из биохимии продиктовано  следующими соображениями. Задачи  биохимии в основном ограничиваются  констатацией участия тех или  иных химических веществ при  определённых биологических функциях  и процессах и выяснением характера  их превращений; ведущее значение  принадлежит сведениям о реакционной  способности и об основных  чертах химического строения, выражаемого  обычной химической формулой. По существу, внимание сосредоточено на превращениях, затрагивающих главновалентные химические связи. Между тем, как было подчёркнуто Л. Полингом, в биологических системах и проявлениях жизнедеятельности основное значение должно быть отведено не главновалентным связям, действующим в пределах одной молекулы, а разнообразным типам связей, обусловливающих межмолекулярные взаимодействия (электростатическим, ван-дер-ваальсовым, водородным связям и др.).

    Конечный результат  биохимического исследования может  быть представлен в виде той  или иной системы химических  уравнений, обычно полностью исчерпываемой  их изображением на плоскости,  т. е. в двух измерениях. Отличительной  чертой молекулярной биологии  является её трехмерность. Сущность молекулярной биологии усматривается М. Перуцем в том, чтобы истолковать биологические функции в понятиях молекулярной структуры. Можно сказать, что если прежде при изучении биологических объектов необходимо было ответить на вопрос "что", т. е. какие вещества присутствуют, и на вопрос "где" — в каких тканях и органах, то молекулярная биология ставит своей задачей получить ответы на вопрос "как", познав сущность роли и участия всей структуры молекулы, и на вопросы "почему" и "зачем", выяснив, с одной стороны, связи между свойствами молекулы (опять-таки в первую очередь белков и нуклеиновых кислот) и осуществляемыми ею функциями и, с другой стороны, роль таких отдельных функций в общем комплексе проявлений жизнедеятельности.

  Решающую роль приобретают  взаимное расположение атомов  и их группировок в общей  структуре макромолекулы, их пространственные  взаимоотношения. Это касается  как отдельных, индивидуальных, компонентов,  так и общей конфигурации молекулы  в целом. Именно в результате  возникновения строго детерминированной  объёмной структуры молекулы  биополимеров приобретают те  свойства, в силу которых они  оказываются способными служить  материальной основой биологических  функций. Такой принцип подхода  к изучению живого составляет  наиболее характерную, типическую  черту молекулярной биологии.

  Важнейшие достижения  молекулярной биологии. Стремительность,  размах и глубину влияния молекулярной  биологии на успехи в познании  коренных проблем изучения живой  природы справедливо сравнивают, например, с влиянием квантовой  теории на развитие атомной  физики. Два внутренне связанных  условия определили это революционизирующее  воздействие. С одной стороны,  решающую роль сыграло обнаружение  возможности изучения важнейших  проявлений жизнедеятельности в  простейших условиях, приближающихся  к типу химических и физических  экспериментов. С другой стороны,  как следствие указанного обстоятельства, имело место быстрое включение  значительного числа представителей  точных наук — физиков, химиков,  кристаллографов, а затем и  математиков — в разработку  биологических проблем. В своей  совокупности эти обстоятельства  и обусловили необычайно быстрый  темп развития молекулярной биологии, число и значимость её успехов, достигнутых всего за два десятилетия. Вот далеко не полный перечень этих достижений: раскрытие структуры и механизма биологической функции ДНК, всех типов РНК и рибосом, раскрытие генетического кода; открытие обратной транскрипции, т. е. синтеза ДНК на матрице РНК; изучение механизмов функционирования дыхательных пигментов; открытие трёхмерной структуры и её функциональной роли в действии ферментов, принципа матричного синтеза и механизмов биосинтеза белков; раскрытие структуры вирусов и механизмов их репликации, первичной и, частично, пространственной структуры антител; изолирование индивидуальных генов, химический, а затем биологический (ферментативный) синтез гена, в том числе человеческого, вне клетки (in vitro); перенос генов из одного организма в другой, в том числе в клетки человека; стремительно идущая расшифровка химической структуры возрастающего числа индивидуальных белков, главным образом ферментов, а также нуклеиновых кислот; обнаружение явлений "самосборки" некоторых биологических объектов всё возрастающей сложности, начиная от молекул нуклеиновых кислот и переходя к многокомпонентным ферментам, вирусам, рибосомам и т. д.; выяснение аллостерических и других основных принципов регулирования биологических функций и процессов

  Биология уже давно  заняла свое почетное место  в криминалистических лабораториях, и такая непростая задача, как  идентификация личности, представляется  сегодня невозможной без использования  методов этой науки. В настоящей  статье речь пойдет о самом  перспективном направлении судебно-медицинской  экспертизы - идентификации личности  на основе анализа ДНК.

  Внедрение биологических  методов анализа в процесс  судебной экспертизы имеет давнюю  историю. Сначала на помощь  дактилоскопии, имеющейся в арсенале  у криминалистов с 1892 г., пришло  серологическое типирование молекул, находящихся в биологических жидкостях, таких как маркеры групп крови АВ0, а также некоторых ферментов. Настоящий же эволюционный скачок в этой области произошел с началом применения ДНК-идентификации.

    Учитывая общеизвестный  факт генетической исключительности  каждого человека (кроме однояйцевых  близнецов), существует распространенное  мнение о 100-процентной точности  идентификации личности на основании  анализа ДНК. Казалось бы, все  просто: достаточно сравнить ДНК  подозреваемого с ДНК, полученной  из биологических образцов, найденных  на месте преступления и заведомо  принадлежащих преступнику. Далее  остается лишь определить, соответствуют  ли эти образцы друг другу,  и в случае положительного  ответа без сомнений вынести  абсолютно справедливый обвинительный  приговор (равно как и снять  обвинение с человека при несовпадении  результатов).

  Однако эта кажущаяся  простота обманчива. В научных  и научно-популярных изданиях  можно встретить интересные данные, полученные при сопоставлении  не так давно расшифрованного  генома человека с геномами  братьев наших меньших: например, только около 0.5-1% "букв" генома  отличает нас от шимпанзе. Человек  же отличается от другого (неродственного) человека лишь одним нуклеотидом  из 300 - 400! То есть все мы генетически  одинаковы на 99,99%. Как же выявить  столь незначительные различия?

  Первым человеком,  который догадался, каким образом  можно идентифицировать личность  с использованием методов молекулярной  генетики, был английский профессор  Алек Джеффрис (Alec Jeffreys), опубликовавший в журнале "Nature" свою статью "Индивидуально-специфичные "отпечатки пальцев" ДНК человека" в июле 1985 года.

  Термин "отпечатки  пальцев", или же "фингерпринт", был употреблен им, конечно, иносказательно, и к традиционной дактилоскопии отношения не имеет. Описанный Джеффрисом метод основан на способности бактериальных ферментов, называемых ферментами рестрикции, рестрикционными эндонуклеазами или просто рестриктазами, распознавать строго определенные последовательности ДНК и разрезать ее по областям распознавания. Этот факт был известен давно, однако английский ученый впервые обнаружил, что длина образующихся фрагментов различается для разных людей, отсюда и принятое название данного метода - полиморфизм длины фрагментов рестрикции (RFLP, Restriction Fragment Length Polymorphism). Внедрение же открытия Джефриса, совершившего революцию в криминалистике, в судебную практику произошло на фоне трагических событий, случившихся двумя годами ранее.

  21 ноября 1983 г. 15-летняя  Линда Манн из небольшого английского  городка была найдена мертвой  недалеко от своего дома. Преступление  не было раскрыто, хотя убийца  оставил следы своей спермы  на теле жертвы. И вот спустя 3 года, 1 августа 1986 г., происходит  повторение кошмара в соседней  деревушке - изнасилована и задушена 15-летняя Дон Эшворт. Серологическая идентификация семени, обнаруженного на теле второй девушки, констатировала наличие фактора фосфоглюкомутазы, а также принадлежность крови убийцы ко второй группе. Эти данные совпадали с характеристиками, определенными в случае первой убитой девушки, однако следуя лишь им, можно было привлечь к уголовной ответственности около 10% мужского населения Британии. Тем не менее, некоторые улики свидетельствовали против молодого кухонного разносчика, и он был задержан по подозрению в совершении двойного убийства. Подозреваемый вскоре признал свою вину. Однако не все сходилось в его показаниях. К счастью, один из полицейских вспомнил о той самой статье в журнале "Nature", в которой Алек Джеффрис впервые описал свой метод, и полиция, связавшись с ученым, попросила его провести сравнительный анализ имеющегося у них генетического материала. Исследование подтвердило идентичность образцов, найденных на обоих местах преступления, но подозреваемый кухонный разносчик не имел к ним никакого отношения! 21 ноября 1986 г. он оказался первым человеком, освобожденным со скамьи подсудимых благодаря генетическим доказательствам. Настоящий убийца - Колин Питчворк - был арестован год спустя.

  Так идентификация  личности на основании данных  ДНК-анализа начала свое победное  шествие в криминалистике,  выполняя  при этом две основные задачи: анализ соответствия биологических  образцов, найденных на месте  преступления, с образцами, полученными  от подозреваемого в совершении  преступления, и установление родства  по характеристикам ДНК. Несомненным  преимуществом метода является  то, что даже ничтожно малого  количества образца оказывается  достаточно для проведения анализа.  Кроме того, в качестве исходного  материала для выделения ДНК  могут быть использованы кровь,  сперма, слюна, волосы, костные ткани  - любые образцы, содержащие хотя  бы несколько клеток. Таким образом,  имеется несколько причин, по  которым молекула ДНК так привлекательна  для использования в судебной  идентификации:

1. Уникальность индивидуальной  ДНК.  Каждый человек в мире  генетически индивидуален (кроме,  как упоминалось выше, однояйцевых  близнецов, которые, по сути, являются  клонами).

2. Генетическое постоянство  организма. Генетическая информация  не изменяется с течением жизни,  а также в зависимости от  типа клеток, из которых была  выделена ДНК.

3. Чувствительность метода. Для современных методов ДНК-анализа  достаточно даже нескольких капель  крови, или образца слюны, которой  наклеивалась почтовая марка  на конверт, или пятна спермы, по площади в 10 раз меньше булавочной головки, или ДНК, оставшейся на выкуренной сигарете.

4. Относительная стабильность  молекул ДНК. В отличие от  белков, являющихся нестабильными  структурами, молекула ДНК обладает  повышенной устойчивостью к воздействиям  окружающей среды. Это свойство  ДНК является для криминалистов  ценным, поскольку позволяет проводить  идентификацию по прошествии  даже очень большого срока  давности, или же если останки  человека не могут быть опознаны  никакими другими методами (например, в случае авиакатастроф).Совершенствование инструментов молекулярной биологии вносило коррективы в постановку метода анализа ДНК, и сегодня он практически не используется в том виде, в котором его предложил Джеффрис.

II Антропный принцип в  теории эволюции.

  Несколько десятилетий  назад Б.Картер выдвинул так называемый антропный принцип , декларирующий наличие взаимосвязи между параметрами Вселенной и существованием в ней разума. Формальный толчок началу дискуссии о месте человека во Вселенной дало обсуждение проблемы совпадения больших чисел – странной численной взаимосвязи параметров микромира (постоянной Планка, заряда электрона, размера нуклона) и глобальных характеристик Метагалактики (ее массы, размера, времени существования). Эта проблема поставила вопрос: а на сколько случайны параметры нашего мира, насколько они взаимосвязаны между собой, и что произойдет при их незначительном изменении? Анализ возможного варьирования основных физических параметров показал, что даже незначительное их изменение приводит к невозможности существования нашей Метагалактики в наблюдаемой форме и не совместимо с появлением в ней жизни и, соответственно разума (библиография по данной проблеме обширна, и я не буду детально останавливаться на рассмотрении нюансов проблемы совпадения больших чисел, могу только предложить вашему вниманию мою работу на эту тему ).

  Взаимосвязь между  параметрами Вселенной и появлением  в ней разума была выражена  Картером в двух формулировках  – сильной и слабой. Слабый  антропный принцип лишь констатирует, что имеющееся во Вселенной  условия не противоречат существованию  человека: «Наше положение во  Вселенной с необходимостью является  привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо  с нашим существованием как  наблюдателей» . Сильный антропный принцип выдвигает более жесткую взаимосвязь параметров Вселенной с возможностью и необходимостью появления в ней разума: «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит), должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей» .