Биология XX века: познание молекулярного уровня жизни

Это физико-химическая (или экспериментальная биология), она изучает физико-химические основы жизни экспериментальными методами: изотопных индикаторов, рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, ультразвуковое зондирование, электромагнитных измерений и др. Область знаний – молекулярная биология, биохимия, биофизика, генетика и др. - создавших основу многих новейших направлений медицины. Развитие физико-химического направления биологии способствовало тесному взаимодействию естественных наук и формированию целостной современной естественнонаучной картины мира, в которой ключевые позиции принадлежат эволюционной и генетической парадигме. Успехи биологии ХХ в. выдвинули генетику в ряды лидеров естествознания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, происходящих на молекулярном уровне. Генетика на молекулярном уровне раскрыла механизм микроэволюции.

Эволюция и генетика. Генетическая революция в биологии. Современная генетика – это быстро развивающаяся наука о законах наследственности и изменчивости, переживающая глубокие качественные преобразования не только в теоретической сфере, но и в области практического применения (селекция, медицинская генетика).

Первое, на что надо обратить внимание – это те исторически развивающиеся изменения, которые создали современный метатеоретический фундамент теории генетики, ее идеалы и нормы исследования. Стоит выяснить внутренние связи между эволюционной биологией (теорией естественного отбора Дарвина) и зарождающейся генетикой. Эта связь вытекает из определенной общности предметов исследования. Так, дарвинизм изучает интегральное действие трех факторов эволюции – наследственности, изменчивости и естественного отбора. Предметом же генетики является природа наследственности и изменчивости. Нетрудно заметить, что они взаимообусловлены тем, что познание эволюции органического мира оказывается поверхностным и неполным, если оно проходит без учета сущности наследственности и изменчивости. Не случайно, теоретические обоснования умозрительного доэкспериментального развития генетики (К.Нечели, Г.Спенсер, А.Вейсман) исторически и логически были связаны с эволюционным учением и вытекали из него.

История генетики распадается на три периода – классический (1900-1930 гг.), неоклассический (1930-1953 гг.) и синтетический (с 1953 г.), в рамках которых выделяют семь этапов. Материалистический подход в развитии генетики обеспечил создание теории гена, хромосомной теории наследственности, теории мутаций и современной молекулярной генетики.

Классический период генетики. (1900-1930 гг.)

1 этап начался с открытия Грегором Менделем (1822-1884) законов наследственности. В своей работе 1865 года Мендель, анализируя потомство, полученное от сортов гороха, обладающих контрастно отличающимися признаками, открыл новый мир явлений. Его работа объединила биологический и математический анализ. Ему удалось создать логическую модель наследственности и дать формулировку законов наследственности. Исходя из этого, Мендель основал теорию гена. Он выделил самое существенное свойство генов – дискретность – и сформулировал принципы независимости комбинирования генов при скрещивании. Результаты исследований Менделя, опубликованные в 1865 году, не обратили на себя никакого внимания и были «переоткрыты» независимо от него. В 1900 году голландским ученым-биологом Xуго де Фризом, немецким ученым-ботаником Карлом Корренсом и австрийским ученым Эрихом Чермак-Зейзенеггом почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием законы наследственности, установленные Менделем в Х1Хв.

2 этап. В течение первого десятилетия XX века генетика переживала сложный этап своего развития. Теория генов утверждалась на основе громадного числа опытов с растениями, животными, микроорганизмами, а также при наблюдениях за наследственностью человека. Теория гена стала развиваться, признавая всеобщность генной организации наследственности для всех органических форм. Заслуга в этом вопросе принадлежит английскому ученому В. Бэтсону (1861–1926), который показал, что менделевские законы наследственности свойственны не только растениям, но и животным, и установил явление взаимодействия генов при развитии особи. Август Вейсман показал, что половые клетки обособлены от остальных клеток организма и потому не подвержены влияниям, действующим на соматические клетки. Несмотря на убедительные опыты Вейсмана, в советской биологии в период господства лысенковщины долгое время отрицали генетику по идеологическим мотивам как буржуазную науку.

3 этап. Опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родителей были значительно расширены. Было принято понятие «ген», (введенное Вильгельмом Иогансоном в 1909 году), означающее единицу наследственности, ответственную за передачу по наследству определенного признака. Ген – это «атом генетики», имеющий сложную структуру.

Установлено, что ген является участком цепочки ДНК и является носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК – носитель всей наследственной информации организма.

Исключительно важным было обоснование учения о фенотипе и генотипе организмов, которое положило начало рассмотрению «явления» и «сущности» в проблемах генетики. Генотип сегодня понимается как наследственная, устойчивая структура организма (его генетическая сущность), фенотип – как совокупность доступных наблюдению индивидуальных, изменчивых признаков особи (проявление генетической сущности). Генотип определяет стратегию поведения организма. Фенотип является результатом взаимодействия генотипа и среды. Работы известного датского биолога В. Иогансена (1857-1927) показали действие естественного отбора как фактора, преобразующего генотип на основе наследственной изменчивости при формирующей роли среды.

Хуго де Фриз открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникли вследствие мутаций. Понятие мутации в генетике аналогично понятию флуктуации в синергетике. Мутации – это случайные и внезапные изменения в наследственной системе организмов. Мутация – это частичное изменение структуры гена, которое изменяет свойства белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Наследственность обеспечивает преемственность живого на Земле, а изменчивость – многообразие форм жизни.

Развитие генетики этого периода оказало серьезное влияние на селекцию, и в первое десятилетие XX века началась коренная перестройка методов селекции. Селекция переходит на аналитический уровень путем выделения из популяции генотипически ценных линий.

Сформулированные в этот период принципы, а именно:

1) всеобщность генной организации;

2) различия между генотипом и фенотипом;

3) соединение генетики и селекции

имели важнейшее значение; их обоснование заложило ключевые идеи в метатеоретические основания современной генетики.

4 этап. Развитию генетики способствовали исследования американского биолога, одного из основоположников генетики, Томаса Ханта Моргана (1866–1945). Он сформулировал хромосомную теорию наследственности, согласно которой каждому биологическому виду присуще свое строго определенное число хромосом. Хромосома - структурное ядро клетки, содержащее дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК).

5 этап. В 1925 году советский микробиолог Георгий Надсон обнаружил воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. В 1927 году американский генетик Герман Меллер установил, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. В дальнейшем было установлено, что любое ионизированное облучение вызывает мутации. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и то, что впоследствии стало основанием генетической инженерии с ее грандиозными возможностями и опасностями вмешательства в генетический механизм жизни.

Неоклассический период генетики (1930-1953 гг.).

6 этап. В 1941 году Дж. Бидл и Э. Татум выявили генетическую основу процессов биосинтеза - образование необходимых организму веществ в живых клетках с участием биокатализаторов-ферментов.

В 1944 году О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти показали, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии и генетики, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеиновой кислоте).

Синтетический период генетики (с 1953 г.).

7 этап. В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель молекулярной структуры ДНК (напоминающую двойную спираль) и модель механизма ее репликации.

Несмотря на молодость молекулярной генетики, успехи, достигнутые ею в этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, разгаданы пути их биогенеза в клетке.

Расшифровка структуры генетического кода показала его триплетность – (каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательно – кодоном - из трех нуклеотидов); однозначность – (одни и те же кодоны кодируют одни и те же 20 аминокислот) и универсальность – (код един для всех живых организмов планеты).

Другое направление молекулярной генетики – исследование мутации генов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза.

В 1981 году процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как неживой.

В 1999 году были достигнуты сенсационные результаты в описании генома человека- всей совокупности его генов. Оказалось, что в геноме человека находятся от 30 до 40 тысяч генов (вместо предполагавшихся ранее 80–100 тысяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч генов) или мухи-дрозофилы (13,5 тысяч). Познание генома привело к возникновению в последние годы совершенно новой интересной области на границе между генетикой человека и медициной – генотерапии, где речь идет о лечении генами. Подобно тому, как ангину можно лечить антибиотиками, так же наследственные болезни станет возможно лечить с помощью генов.

Расшифровка генома человека дала огромную, качественно новую научную информацию для фармацевтической промышленности. Вместе с тем оказалось, что использовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны новые технологии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10–15 лет. Именно тогда станут реальностью лекарства, поступающие непосредственно к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качественно новый уровень трансплантология, получит развитие клеточная и генная терапия, радикально изменится медицинская диагностика и т.д.