Молекулярно-генетический уровень биологических структур

Представление о структурных уровнях организаций живых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине XIX века клетка рассматривалась как последняя единица живой материи. Из клеток мыслились построенными все живые системы различного уровня организованности. Такие идеи высказывал, один из создателей клеточной теории Маттиас Шлейден (1804-1881). Биолог Эрнст Геккель (1834-1919) выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки также обладает определенной структурой и состоит из субмикроскопических частей, т.е в живой системе можно выделить новый структурный уровень организации.

Эти идеи, опережающие научные знания эпохи, встречали сопротивление последователей редукционизма, стремившихся свести процессы жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций, а также сопротивление защитников витализма, объяснявшие специфику живого наличием в них особой «жизненной силы» (от лат. vitalis − жизненный).

Идеи редукционистов находили поддержку со стороны представителей механистического и «вульгарного» материализма. Представители механистического материализма пытались объяснить закономерности живой природы с помощью простейших механических и физических понятий-принципов, а вторые − стремились редуцировать, свести законы к закономерностям химических реакций, происходящих в организме.

Некоторые представители «вульгарных» материалистов − Людвиг Бюхнер (1824-1899) и Якоб Молешотт (1822-1893), даже утверждали, что мозг порождает мысль подобно тому, как печень выделяет желчь.

Несмотря на эти философские дискуссии ученые-экспериментаторы пытались конкретно выяснить, от каких именно структур зависят специфические свойства живых организмов, и поэтому продолжали исследовать их на уровне не только клетки, но и клеточных структур. В первую очередь исследовали структуру белков и выяснили, что они построены из 20 аминокислот, которые соединены длинными палипептидными связями, или цепями. В состав белков человеческого организма входят все 20 аминокислот, но обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом.

Характерная особенность аминокислот, содержащихся во всех живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том, что все они являются левовращающим плоскость поляризации изомерами (хотя существуют аминокислоты и правого вращения). 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 французский ученый Луи Пастер (1822-1895). Он обнаружил, что такие вещества способны отклонять поляризованный луч и поэтому являются оптически активными, вследствие чего были впоследствии названы оптическими изомерами. У молекул неорганических веществ эта способность отсутствует и построены они совершенно 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 (термин происходит 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 ответа. Сам Л. Пастер считал, что поскольку живое возникает из неживого, то необходимым 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. Экспериментально проверить гипотезу не удалось. 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 неотъемлемое свойство всех живых систем.

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: обмениваться веществом, реагировать на внешние раздражители, расти и т.п. Очевидно, если считать определяющим свойством живого обмен веществ, то вирусы нельзя назвать живыми организмами, но если таким свойством считать воспроизводимость, то их следует отнести к живым телам.

Так возникает вопрос: какие свойства или признаки характерны для живых систем? На этот вопрос ученые отвечали по-разному в различные этапы развития естествознания в зависимости от достигнутого уровня исследований.

Пока не существовало развитых методов биологического исследования и ясных теоретических концепций, сущность живого сводили к наличию «жизненной силы», которая отличает живое от неживого. Такое определение не раскрывало ни подлинной причины, ни механизма отличия живого от неживого, а все сводило к иррациональной, непознаваемой способности живых организмов. На этом основании сторонников такого взгляда обычно называют 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 Ханса Дриша (1867-1941), который возродил существовавшее еще у Аристотеля понятие энтелехии для объяснения целесообразности живых систем.

Основываясь на своих опытах по регенерации морских ежей, которые восстанавливают удаленные части тел, Дриш утверждал, что все живые организмы обладают особой способностью к целесообразным действиям по сохранению-поддержанию своей организации и жизнедеятельности, которую он назвал энтелехией. Энтелехия ничем не отличается от «жизненной силы» виталистов, хотя в духе своего времени (XX век) Дриш вводит степени ее градации для разных организмов. На упреки в том, что энтелехию невозможно установить никакими эмпирически методами, он отвечал, что магнитную силу также нельзя увидеть непосредственно.

Несмотря на критику виталистов, биологи-экспериментаторы продолжали кропотливую работу по анализу структуры и функций живых систем.

Долгое время в связи с изучением синтеза органических веществ внимание ученых было сосредоточено на исследовании той части клеточной структуры, которая образована из белков. Тогда 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, Фридрих Энгельс (1820-1895) выдвинул свое известное определение жизни как способа существования белковых тел, которое продолжали некритически повторять в нашей литературе, несмотря на исследования, выяснившие, что ни сам белок, ни его составные элементы не уникальны в химическом отношении.

В связи с этим дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить специфическое, что отличает живое от неживого.

Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра 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, или сокращенно, ДНК, а второй тип − рибонуклеиновыми, или кратко, РНК кислотами. Прошло почти сто лет, прежде чем была расшифрована роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности, участии в синтезе белка и обмене веществ.

Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г. американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. В 1953 г. Джеймсом Уотсоном (р. 1928) и Фрэнсисом Криком (р. 1916) была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении молекулы ДНК как материального носителя информации. В 1960-е гг. французскими учеными Ф. Жакобом (р. 1920) и Ж. Моно (1910-1976) была решена одна из проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей функциональной активности все гены разделяются на "регуляторные", кодирующие структуру регуляторного белка, и "структурные гены", кодирующие синтез метаболитов, в том числе ферментов.

Дальнейшими исследованиями была установлена прямая зависимость синтеза белков (ферментов) от состояния генов (ДНК). Оказалось, что если воздействовать на генетический аппарат микроорганизмов определенными физическими факторами (ультрафиолетовые, рентгеновские и др. лучи), то они перестают синтезировать необходимые им метаболиты, в частности белки. Было доказано, 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 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 необходимо объяснить, как четырехбуквенная запись структуры ДНК может быть переведена в 20-буквенную запись аминокислот белков.

Первое гипотетическое объяснение механизма такого перевода дал физик-теоретик 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 существуют и другие механизмы изменчивости, важнейшим из которых являются "генетические рекомбинации". В случаях, называемых «классическими», они не приводят к увеличению генетической информации, что наблюдается 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 поэтому могут соединиться с клеткой-реципиентом.

Дальнейшее исследование «неклассических» форм генетических рекомбинаций привело к открытию целого ряда переносимых или «мигрирующих» генетических элементов. Важнейшими из них являются автономные геноэлементы, названные плазмидами, являющиеся активными переносчиками генетической информации. На основе этих результатов высказано предположение, что "мигрирующие" геноэлементы вызывают более существенные изменения в геномах клеток, чем мутации. Все это поставило вопрос, 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 нейтральных, случайных мутаций, не оказывающих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является общепризнанным, но хорошо известно, что действие естественного отбора проявляется на уровне фенотипа, т.е. живого, целостного организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследования.