3. Биологическая эволюция и концепция генетики

Процессы эволюции организмов были изучены и качественно описаны Ч. Дарвином и А. Уоллесом.

Теория эволюции основывается на следующих принципах:

1. Мир находится в постоянном развитии. Вектор его направлен от простого к более сложному.

2. Усложнение происходит непрерывно и постепенно.

3. Усложнение оставляет возможность существованию разнообразия более простого.

4. Механизмом эволюции служит естественный отбор, основой которого является способность организмов адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды, выжить в условиях конкуренции с другими видами и подняться на более высокую ступень развития.

5. В процессе усложнения накапливаются новые признаки, сохраняются и передаются по наследству.

Однако загадку накопления новых признаков и передачи их по наследству удалось частично раскрыть только благодаря современной молекулярной генетике. Становится все более очевидным, что эволюция живого вещества теснейшим образом связана с совершенствованием механизмов регистрации, кодирования и сохранения информации о космических ритмах и цикличности изменения параметров окружающей среды на уровне клеточной (носитель РНК), генетической (носитель ДНК), иммунологической (носитель антитела) и нейрологической (носитель мозг) памяти.

Большие надежды в разрешении проблем, связанных с пониманием самоорганизации живого, возлагаются на возможности, расшифровки информации, закодированной в структурах ДНК и РНК. Проблема системы записи наследственной информации в макромолекулах живого впервые была поставлена в книге одного из основоположников квантовой механики Э. Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики». Но ее решение стало возможным, когда в 1953 году английский кристаллограф Ф. Крик и американский биохимик Д. Уотсон методами рентгеноструктурного анализа установили пространственную структуру ДНК. А в 1954г. Г. Гамов поставил и в значительной степени разрешил задачу по расшифровке генетического кода, вслед за которой последовал целый каскад открытий в области генетики и теоретической биологии.

По современным представлениям эти биополимеры состоят из мономеров, называемых нуклеотидами. В состав РНК входят — рибоза — пятиуглеродный сахар, азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, урацил) и остаток фосфорной кислоты (Н₃РО₄). Различают информационную (и), транспортную (т) и рибосомную (р) РНК. В состав ДНК входит дезоксирибоза, азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, тимин) и остаток фосфорной кислоты. Через молекулы ДНК и РНК осуществляется передача наследственных свойств биологических структур (информации) и реализуется механизм наследственности.

Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК (генетическая программа) определяет порядок расположения аминокислот в первичных структурах белков. Сегодня мы знаем, что ДНК состоит из двух взаимодополняющих цепочек, в которых каждый нуклеотид одной цепочки с помощью водородных связей может обратимо соединяться с комплементарным ему нуклеотидом противоположной цепочки. Когда клетка делится, цепи расходятся и каждая из них становится матрицей для синтеза новой цепи ДНК. Аналогичное расхождение противоположных цепочек ДНК происходит и в том случае, когда необходимо синтезировать и-РНК — матрицу для последующей сборки из аминокислот какого-либо белка. Каждая и-РНК способна отпечатать в рибосоме синтез сотни и тысячи молекул белка. Ранее считалось, что закодированная информация передается в одном направлении — ДНК®РНК®белок. Но в 70-е годы Темин и Балтимор открыли обратную транскриптазу — некоторые ферменты используют РНК в качестве матрицы для синтеза ДНК.

Молекулы ДНК в соединении с молекулами белков структурируются в хромосомы, каждая из которых имеет специфическую форму и размер. Эти структуры можно увидеть только в момент деления клетки. Каждому биологическому виду соответствует свой набор хромосом, определяемый их количеством и генным составом. Например, в соматических клетках человека 46 хромосом, у шимпанзе — 48, у дрозофилы — всего 8. В хромосомный набор соматической клетки входят две половые хромосомы. У женских особей это две х хромосомы, у мужских — х и у. Рост и развитие организма связаны с делением соматических клеток — митозом и удвоением количества хромосом. При достижении половой зрелости в организме образуются половые клетки — гаметы. Их образование связано со специфическим процессом, который называют мейозом, в результате которого происходит разделение хромосом, и в гамете их оказывается в два раза меньше, чем в соматической клетке. В процессе мейоза возможны случайные искажения хромосом (перекресты, разрывы, укорочения или удлинения), что приводит к нарушению генетической программы потомства (т. н. хромосомные мутации). При слиянии гамет и образовании зиготы происходит объединение хромосом в пары ХХ или ХУ. Из зиготы организм развивается благодаря митозу и другим очень сложным процессам, которые изучает морфогенез.

Установлено, что элементарным кирпичиком наследственности является ген — участок ДНК длиной около 1000 пар чередующихся нуклеотидов. ДНК вирусов содержит всего несколько десятков генов, у одноклеточного организма — несколько тысяч. Геном (совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом) высокоорганизованных животных содержит сотни тысяч генов, при этом каждая хромосома включает несколько сотен или тысяч взаимодействующих между собой генов. Совокупность всех генов организма составляют его генетическую конституцию — генотип. Часть генов называют «структурными», они несут ответственность за структурные признаки организма. Есть гены — регуляторы. Они влияют на начало, скорость и сроки окончания синтеза белков, на растормаживание или блокировку синтеза отдельных продуктов или звеньев метаболизма. Есть гены — определители фермента. Под генетическим контролем находится функционирование каждой отдельной клетки и всего организма в целом. Все гены находятся в сложном взаимодействии друг с другом. Очевидно, в основе этого механизма лежат сложные физико-химические, а возможно и квантовые процессы. Генотип несет все наследственные свойства организма. В результате взаимодействия генотипа с окружающей средой формируются индивидуальные признаки и свойства организма — его фенотип; говорят, генотип реализуется в фенотип.

Под влиянием факторов окружающей среды (химическое загрязнение, высокая радиация), изменения температуры или кислотности среды возможны изменения в структуре самого гена (генные мутации) гаметы. Вероятность появления случайных мутаций мала, но они могут накапливаться из поколения в поколение, при случайном стечении обстоятельств становиться устойчивыми и передаваться по наследству в виде фенотипических признаков.

В процессе самоорганизации живых систем под воздействием факторов окружающей среды идет изменение и усложнение видов вследствие генетических мутаций. В результате межвидовой и внутривидовой конкуренции выживают особи с генотипом, наиболее приспособленным к сложившимся условиям. При этом естественный отбор играет двоякую роль. С одной стороны, предотвращает накопление ошибок (ослабленные особи вымирают), а с другой — допускает усовершенствование организмов. Все происходит по тем же законам, как и при самоорганизации открытых нелинейных диссипативных систем.

Совершенно очевидно, что эволюционный путь развития — это не широкая столбовая дорога, а лабиринт со множеством тупиков. Проигрывая множество вариантов, природа на пути эволюции отсекает нежизнеспособные виды и структуры и в то же время оставляет многие простые, но хорошо приспособленные к внешним условиям виды. Благодаря этому накапливается и сохраняется огромное количество биологических видов, каждый из которых выполняет определенную функцию в биосфере. И исчезновение хотя бы одного из них нарушает сложившиеся пищевые цепи, что неизменно ведет к вымиранию других. И в то же время неуправляемое размножение некоторых видов и выход их за пределы своей экологической ниши чреваты разрушительными последствиями, ибо ущемляет полноценную жизнь других видов. За миллионы лет эволюции в биосфере выработались механизмы саморегуляции. Однако активное вмешательство человека в природные процессы неизбежно ведет к их нарушению и снижению биоразнообразия.

Подводя итог, можно сказать, что современная теория эволюции носит синтетический характер и представляет сплав идей Дарвина, результатов молекулярной биологии и принципов синергетики. Ее основы начали закладываться в рамках хромосомной теории наследственности американского биолога Т. Моргана (1866-1945), популяционной генетики, разработанной в трудах крупнейших советских ученых С. С. Четверикова (1880-1959), Н. В. Тимофеева-Ресовского (1900-1981), Н. П. Дубинина (1906-1998), в работах Н. И. Вавилова (1887-1943) по гомологичеким рядам и других. Однако и синтетическая теория не является окончательной. В теории эволюции живой материи есть еще много темных пятен и загадок, раскрыть которые современной науке пока не удалось.