Молекулярно-генетические механизмы изменчивости. Биотехнологии.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является механизм мутации генов – непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются: радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При мутациях порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости – рекомбинация генов, т.е. создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При рекомбинации сами гены не меняются, а перемещаются с одного участка хромосомы на другой, или идет обмен генами между двумя хромосомами. Такой процесс имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей – они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Следующий механизм изменчивости – неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов, привносимых чаще всего в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них плазмиды, представляющие собой двухцепочечную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание к этим лекарствам, и они перестают действовать. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазмидами, которые придают этим бактериям устойчивость к лекарству, и бактерии перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки – генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами, конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов с помощью генетических и биохимических методов. Процесс генной инженерии сводится к видоизменению ДНК, которой кодируется производство белка с нужными свойствами, на чем базируются все современные биотехнологии.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от вирусных инфекций, так как традиционные вакцины представляют собой ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, и их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Химически приготовленные последовательности ДНК можно использовать для выявления генетических дефектов, говорящих о предрасположенности организма к какому-то заболеванию. Есть надежда, что генетические болезни будут излечиваться путем замещения дефектных генов или введения генов, полученных методами генной инженерии.

Огромную роль генная инженерия играет в охране окружающей среды. С этой целью созданы микроорганизмы для очистки сточных вод, переработки отходов и отбросов предприятий, а также бактерии, очищающие воду от примесей нефти.

Также генная инженерия позволяет сохранять ценные породы скота. Рассматривается вопрос и о продолжении жизни, возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека.

2. Онтогенетический уровень. Сам термин онтогенез был введен Э. Геккелем для обозначения особенностей структурной и функциональной организации отдельных организмов. Сегодня под онтогенезом понимают саморегулирующуюся иерархическую систему, определяющую согласованную реализацию наследственных признаков и функций, осуществляемых в пределах автономной живой особи. На онтогенетическом уровне изучается жизнедеятельность отдельных биологических особей, индивидов.

Сегодня наукой установлено точно, что минимальной живой системой является клетка. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие) 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 доли мкм (некоторые бактерии) до нескольких мм (яйцо страуса в скорлупе). В живом организме находятся миллиарды разнообразных клеток (до 10¹⁷), 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:

• ядро – важнейшая часть всех клеток (кроме бактериальных), в которой находятся хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. Поэтому ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке;

• 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;

• лизосомы – органеллы, в которых идет процесс расщепления сложных молекулярнух образований;

• комплекс Гольджи – служит хранилищем питательных веществ.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние клетки. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Перед делением число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:

• прокариоты – клетки, лишенные оформленного ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии;

• эукариоты – клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них есть митохондрии — органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы разделить на два вида:

• автотрофные организмы – они не нуждаются в органической пище и могут жить за счет хемосинтеза (бактерии) или фотосинтеза (растения), то есть сами производят необходимые им питательные вещества;

• гетеротрофные организмы – это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Многоклеточные организмы делятся на три «царства»: грибы, растения и животные. Их жизнедеятельность, а также работа отдельных частей изучается физиологией, которая изучает также различные функции живого организма, их связь между собой, регуляцию и приспособление к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, физиология изучает процесс онтогенеза – развитие организма от рождения до смерти. Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, то есть отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Ткани – это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций. Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток – мышечная, нервная, соединительная ткани.

Органы – это относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. Внутренние органы есть только у животных, у растений они отсутствуют. В свою очередь органы входят в состав более крупных единиц – систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечно-сосудистую, дыхательную и другие системы.

Таким образом, организм представляет собой стабильную систему внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде.

3. Популяционно-биоценотический уровень жизни. Это надорганизменный уровень организации жизни, систем живых организмов. В действительности этот уровень разбивается на два подуровня – популяционный и биоценотический уровни.

Популяция – совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других особей своего вида. Именно популяции являются теми реальными системами, через которые существуют виды живых организмов. С точки зрения современной биологии, вид – это система популяций.

Вид, являясь системой популяций, представляет собой генетически закрытую систему. Скрещивание особей разных видов в подавляющем большинстве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства (например, мулы – потомство лошадей и ослов, являются стерильными).

Популяции, представляющие первый надорганизменный уровень живого и являющиеся единицами эволюции, способными к самостоятельному существованию и трансформации, объединяются в совокупности следующего надорганизменного уровня – биоценозы. Биоценоз – совокупность всех организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни, например лес, луг, болото и т.д. То есть специфика биоценозов определяется составом популяций, с одной стороны, и ареалом обитания этих популяций, с другой.

4. Биосферный уровень жизни. Биоценозы входят в качестве составных частей в более крупные и сложные системы – биогеоценозы, представляющие собой третий надорганизменный уровень жизни. В свою очередь биогеоценозы нашей планеты, связанные между собой круговоротом вещества и энергии, в совокупности составляют биосферу Земли – область распространения жизни.

Биогеоценоз – это взаимообусловленный комплекс биологических и абиотических факторов, связанных между собой обменом веществом и энергией. Биологические факторы представлены биоценозами, абиотические – факторами среды обитания. Часто биогеоценозы называют экосистемами.

Вся совокупность биогеоценозов планеты образует биосферу Земли. Биосфера – это живое вещество планеты {совокупность всех живых организмов планеты, включая человека) и преобразованная им окружающая среда. Таким образом, биосфера является единой экологической системой.

Контрольные вопросы:

1. Что такое биосфера?

2. Что такое популяция?

3. Что изучает цитология?

4. Что изучает физиология?

Рекомендуемая литература:

1. Байков А.Ю., Бадаев Р.Р., Дегтяренко В.Т., Искандорян Р.А., Кесслер Г.Э., Петров Д.М., Покревский П.Е., Прокофьев М.Н., Солдатова И.В. Концепции современного естествознания. Учеб.пособие. – М.: МФА, 2008. – С. 126.

2. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М.: Юнити, 2010. ISBN: 5-238-00564-4.

Интернет ресурсы:

1. http://naturalscience.ru/content/view/51/237/ - уровни жизни.

2. http://www.biologiya-uroki.ru/index.php/biologiya-kak-nauka/47-2010-02-28-08-33-08.html - уровни организации жизни.