Биологический уровень организации материи. Порядок и беспорядок в природе

Третий закон Менделя действует не во всех случаях, поэтому важным этапом в становлении генетики стало создание хромосомной теории наследственности Г. Морганом. Американскому 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. Закономерность наследования таких генов он и открыл.

При этом количество хромосом у разных организмов различно. Например, у плодовой мушки дрозофилы их 8, садового гороха – 14, жабы – 22, крысы – 42, утки – 80, а у микроскопического морского животного радиолярии – 1600.

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 женского организмов, а одна пара – различна. Именно 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 X-хромосомами. У мужчин половые хромосомы разные – одна X-хромосома и одна У-хромосома. Для каждого человека решающую роль в определении пола играет У-хромосома. Если яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, несущим X-хромосому, развивается женский организм, если же в яйцеклетку проникает сперматозоид, содержащий 
У-хромосому, развивается мужской организм.

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 – в кодировании синтеза белков.

Затем С. Бензером была установлена тонкая структура генов, был открыт молекулярный механизм функционирования генетического кода, понят язык, на котором записана генетическая информация. Для этого используются четыре азотистых основания (аденин, тимин, гуанин и цитозин), пятиатомный сахар и остаток фосфорной кислоты. И, наконец, был расшифрован механизм репликации (передачи наследственной информации) ДНК. Известно, что последовательность оснований в одной нити в точности предопределяет последовательность оснований в другой – это так называемый принцип комплементарности, действующий по типу матрицы.

При размножении две спирали старой молекулы ДНК расходятся, и каждая становится матрицей для воспроизводства новых нитей ДНК. Каждая из двух дочерних молекул обязательно включает в себя одну старую полинуклеотидную цепь и одну новую. Удвоение молекул ДНК происходит с удивительной точностью, чему способствует двухцепочечное строение молекулы – новая молекула абсолютно идентична старой. В этом заключается глубокий смысл, потому что нарушение структуры ДНК, приводящее к искажению генетического кода, сделало бы невозможным сохранение и передачу по наследству генетической информации, обеспечивающей развитие присущих организму признаков. Пусковым механизмом репликации является наличие особого фермента – ДНК-полимеразы.

Позднее был открыт еще один механизм наследственности, локализованный вне хромосом. 
В этом случае наследственный признак передается только от женского организма всему потомству, мужские организмы этим механизмом не обладают. Наличие такого механизма делает организм более пластичным в условиях меняющейся окружающей среды.

3.2 Генетика об  изменчивости

Генетические механизмы изменчивости тесно связаны с генетическими механизмами наследственности. Изменчивость – это способность живых организмов приобретать новые признаки и свойства, она отражает взаимосвязь организма с внешней средой. Изменчивость является основой для естественного отбора и эволюции организмов.

Различают наследственную, или генотипическую, изменчивость, и ненаследственную, или модификационную, изменчивость. Пределы модификационной изменчивости называются нормой реакции и обусловлены генотипом. Эта изменчивость зависит от конкретных условий среды, 
в которой находится отдельный организм, и дает возможность приспособиться 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.

Открытие способности генов к перестройке, изменению является крупнейшим открытием современной генетики. Эта способность к наследственной изменчивости получила в генетике название мутации (от лат. mutatio – изменение). Термин был предложен одним из основополож-ников генетики де Фризом.

Хотя процесс репликации ДНК, деления клеток 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. Таким образом, мутация возникает вследствие изменения структуры генов или хромосомы и служит единственным источником генетического разнообразия внутри вида.

Причиной мутаций служат разнообразные физические (космические лучи, радиоактивность), химические (разнообразные токсичные соединения) и биологические (вирусы) факторы. Они называются мутагенами.

Благодаря постоянному мутационному процессу возникают различные варианты генов, составляющие резерв наследственной изменчивости.

Большая часть мутаций по характеру рецессивна и не проявляется у гетерозигот. Это очень важно для существования вида. Ведь мутации оказываются, как правило, вредными, поскольку вносят нарушения в тонко сбалансированную систему биохимических превращений. Обладатели вредных доминантных мутаций, сразу же проявляющихся в гомо- и гетерозиготном организмах, часто оказываются нежизнеспособными и погибают на самых ранних этапах своего развития.

Но при изменении условий внешней среды, в новой обстановке некоторые ранее вредные рецессивные мутации, составляющие резерв наследственной изменчивости, могут оказаться полезными, и носители таких мутаций получают преимущество в естественном отборе.

Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями, но и сочетаниями отдельных генов и хромосом, происходящих при половом размножении. Этот механизм наследственной изменчивости называется генетической рекомбинацией. Именно поэтому дети похожи на своих родителей, но не являются их копией.

Также 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. Вирусы – это 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. У человека, как и у растений, и у животных, вирусы вызывают множество заболеваний.

Хотя мутации – главные поставщики эволюционного материала, однако они относятся к изменениям случайным, подчиняющимся вероятностным, или статистическим законам. Поэтому они не могут служить определяющим фактором эволюционного процесса. Правда, некоторые ученые рассматривают мутации в качестве такого фактора, забывая при этом, что в таком случае необходимо признать изначальную полезность и пригодность абсолютно всех возникающих случайных изменений. А это противоречит наблюдениям в природе и экспериментам в селекции. В действительности, кроме отбора – естественного или искусственного – не существует никакого другого средства регулирования наследственной изменчивости. Только отбор со стороны природы или человека может сохранить случайно появившиеся изменения, оказавшиеся полезными в определенных условиях, и использовать их для дальнейшей эволюции.

Тем не менее, идея о ведущей роли мутаций в эволюционном процессе легла в основу теории нейтральных мутаций, созданной в 70–80-х гг. XX в. японскими учеными М. Кимурой и Т. Ота. Согласно этой теории, изменения в функциях аппарата, синтезирующего белок, 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, то есть живой организм, онтогенетический уровень организации жизни.

Большая часть этих данных была получена в последние десятилетия, но уже основы генетики показали необходимость приложения ее открытий к дарвиновской теории эволюции. Соединение дарвинизма с генетикой привело к появлению современного дарвинизма (неодарвинизма), или синтетической теории эволюции.

4 Клеточное строение живых организмов

4.1 Становление клеточной теории

Сегодня наукой установлено точно, что минимальной живой системой является клетка. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление их к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки.

В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности, так как элементарной единицей живого и основной единицей строения и развития всех живых существ является клетка. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

Перечисленные нами положения современной цитологии почти не отличаются от основных положений клеточной теории, созданной немецкими учеными Т. Шванном и М. Шлейденом. 
Но они не являются единственными авторами этой теории, они лишь смогли ясно и убедительно сформулировать ее положения. А открытие существования клеток и их исследование начинаются в конце XVII в. с изобретением первого микроскопа. Впервые клетка была описана английским ученым Робертом Гуком, когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержимое. Среди предшественников клеточной теории также следует назвать А. Левенгука, показавшего, что ткани многих растительных организмов построены из клеток, он же описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии.

Значительное продвижение в изучении клеток произошло в начале XIX в., когда их стали рассматривать как индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1830-е гг. было открыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание ученых к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление растительных клеток. На основе этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX в. Именно она дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов.

4.2 Строение и размножение клеток

С появлением клеточной теории «оболочечный» период в цитологии закончился. Клетку стали представлять в виде комка протоплазмы с ядром внутри. Термин «протоплазма» был предложен в 1840 г. для обозначения всего, что находилось внутри клеточных стенок. К концу XIX в. были обнаружены составные части протоплазмы – митохондрии, сетчатый аппарат, нуклеиновые кислоты. Тогда же было изучено деление клеток.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям – существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). В живом организме находятся миллиарды разнообразных клеток, форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Несмотря на большое разнообразие клеток и их функций, все они состоят из трех основных частей – плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация. Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды – специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей внутри клетки. При повреждении мембраны клетка погибает.

Цитоплазма представляет собой водно-солевой раствор из ферментов и других веществ в растворенном и взвешенном состояниях. В цитоплазме располагаются органеллы, окруженные своими мембранами:

· митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами, в которых высвобождается энергия;

· рибосомы – органеллы, состоящие из белка и РНК, с помощью которых идет синтез белка;

· эндоплазматическая сеть – общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ; на мембранах этих каналов находятся ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки;

· клеточный центр, состоящий из двух центриолей. С него начинается процесс деления клетки;