- •Наука ≠ техника
- •Научный метод в действии
- •Нерешенные проблемы
- •Более элементарные по сравнению с атоллами
- •Спасительные космические лучи
- •Четыре силы
- •Осколки частиц, или Трудное разделение
- •Вмешательство политики
- •Физика возвращается к повседневным заботам
- •Появление кварков
- •Теория наносит ответный удар: объединение
- •Стандартная модель
- •Проверка стандартной модели
- •Теневая сторона стандартной модели
- •Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса
- •Нужна новая физика
- •Необходим новый язык?
- •Решение головоломки: как, кто, где и когда?
- •Становление химических систем
- •Предположения о происхождении жизни
- •Нынешняя жизнь: клеточные структуры
- •Отправления клетки
- •Предсолнце
- •Наше Солнце
- •Появление рнк
- •Рнк-мир
- •Альтернативы рнк-миру
- •Сложности
- •Решение головоломки: как, кто и почему?
- •Биология
- •E. Coli
- •Опероны е. Coli
- •Оперон днк — рнк — белки
- •От прокариот к эукариоталл
- •Модельные организмы
- •Физика — биология — химия
- •Секвенирование генома человека
- •Угроза патентования
- •Секвенирование дроблением
- •План на вторую половину игры
- •Последствия и бедствия
- •Решение головоломки: почему, как, кто и где, когда?
- •Глава пятая Геология
- •Погода на Земле
- •Воздух местного производства
- •Получение атмосферного газа
- •Потеря атмосферного газа
- •Получение или утрата атмосферного газа
- •Погода и климат: гипотезы (весьма добротные), прогнозы (не столь добротные)
- •Решение головоломки: как и где?
- •Астрономия
- •Содержимое Вселенной
- •Измерение межзвездных расстояний
- •Галактики: первые теории и наблюдения
- •Космологический вклад Эйнштейна
- •Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд
- •Одна большая Галактика или многочисленные обособленные галактики
- •Вселенная галактик
- •Столкнувшись с неожиданным: ускорение Вселенной
- •В темноте рассуждать о темной энергии
- •Решение головоломки: где, когда, как и кто?
- •1. Антивещество
- •2. Ускорители
- •4. Внеземная жизнь
- •1. Какова скорость образования в нашей Галактике звезд, подходящих для создания пригодных для жизни планет ?
- •2. Какова доля таких звезд, имеющих планеты ?
- •3. Какова доля планет, обращающихся вокруг своих звезд в пределах, где возможно зарождение жизни ?
- •4. Какова доля благоприятно расположенных планет, где действительно зародилась жизнь?
- •5. Какова доля форм жизни, приведших к возникновению разума ?
- •6. Какова доля разумных форм жизни, способных создать технические средства для передачи поддающихся обнаружению сигналов?
- •7. В течение скольких лет разумная цивилизация передает в космос поддающиеся обнаружению сигналы?
- •5. Аминокислоты
- •6. Построение модели днк
- •7. Кодоны
- •8. Укладка белков
- •10. Парниковые газы
- •11. Земля: история недр
- •12. Теория хаоса
- •13 .Предсказание землетрясений
- •15. Труды Эйнштейна: помимо теории относительности
- •16. «Большой взрыв»
- •Глава 1. Видение науки
- •Глава 2. Физика. Почему одни частицы обладают массой, а другие нет?
- •Глава 3. Химия. Какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?
- •Глава 4. Биология. Каково строение и предназначение протеома?
- •Глава 5. Геология. Возможен ли точный долговременный прогноз погоды?
- •Глава 6. Астрономия. Почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?
От прокариот к эукариоталл
Жизнь у прокариот хлопотная. Эти проворные маленькие существа должны обладать отменной реакцией. Как только появляется пища, они должны ее переварить, чтобы успеть вырасти. Система управления наподобие lac-оперона хорошо приспособлена к быстрым действиям, когда нужно установить требуемый уровень ферментов в соответствии с быстро меняющейся средой.
Положение с эукариотами совершенно иное. Большинство многоклеточных организмов развивалось таким образом, что их внутренние клетки оказались отрезанными от меняющейся внешней среды. Стабильная внутренняя обстановка — гомеостаз — необходима для надежной работы многоклеточных организмов. В итоге генные механизмы управления у эукариот оказались в большей степени рассчитаны на регуляцию организма в целом.
Например, некоторые гены активируются лишь однажды и вызывают необратимые действия по сравнению с полностью обратимым механизмом lac-оперона. У многих животных неспециализированные, так называемые стволовые клетки развиваются очень рано, еще у зародыша. Они превращаются в специализированные клетки, вроде клеток мозга или ногтей, следуя определенному генетическому образцу, который может в итоге привести даже к смерти клетки. Такая специализация клеток порождает все большее число ДНК, РНК и белковых ферментов, так что эукариоты могут совмещать в своем метаболизме тонкие взаимодействия между этими молекулами.
Модельные организмы
Излюбленный объект исследования среди эукариот — Sacchammyces accharomyces cerevisae (S. cerevisae), больше известный как пивные дрожжи. Пожалуй, это более всего изученный на молекулярном и клеточном уровнях эукариотный организм. S. cerevisae представляет собой всего лишь одноклеточный грибок, но многие процессы в его клеточном ядре сходны с теми же процессами у млекопитающих. Действительно, исследование дрожжей помогло выявить многие молекулы и химические реакции, задействованные в процессах, ход которых нарушается при раке. S. cerevisae устроены сложнее бактерии, чье ДНК, содержащее около 12 млн нуклеотидных пар азотистых основания, имеет 6 тыс. генов. И Е. coli, и S. cerevisae считаются модельными организмами, которые должны:
быстро развиваться, имея короткий срок жизни;
обладать малыми размерами, будучи взрослыми;
быть всегда под рукой;
быть простыми в обращении;
выполнять свои биологические функции сходным с более сложными организмами, вроде человека, образом.
Усердно изучаются и другие модельные организмы. Caenorhabditis elegans — прозрачный круглый червь, вырастающий в длину не более 1 мм, вполовину величины вот этого знака ~. С. elegans достигает взрослого состояния за три дня, живет в почве по всему свету и питается микробами вроде тех, что обитают в перегное. Этот маленький червь представляет собой многоклеточную (959 клеток) эукариоту с 19 099 генами в состоящей из 97 млн пар азотистых оснований ДНК. Он развивается из одной клетки в организм с нервной системой и «мозгом». С. elegans способен к обучению, вырабатывает яйцеклетки и сперматозоиды, постепенно стареет и умирает. Сидни Бреннер, молекулярный биолог из Великобритании, говорит, что С. elegans оправдывает свое название, ибо на самом деле «фотогеничен», как видно на рис. 4.5. Бреннер, Джон Салстон и Роберт Хорвиц разделили Нобелевскую премию 2002 года по физиологии и медицине как раз за работу с червем С. elegans.
Другой модельный организм, Drosophila melanogaster, знаком многим из нас. В 1906 году гарвардский профессор эмбриологии Уильям Эрнест Касл привлек к участию в одном проекте аспиранта [Крейга Вудворта].
Рис. 4.5. С. elegans
Он попросил его не убирать несколько перезрелых виноградин, а затем посмотреть, что получится. Получились D. melanogaster — плодовые мушки — организм, изучаемый ныне в лабораториях по всему миру. Благодаря своим идеальным свойствам модельного организма плодовые мушки широко используются в исследованиях по генетике и биологии развития.
Жизненный цикл плодовой мушки составляет 16 дней, а новое поколение она дает каждые 12 часов. Эти существа плодовиты, непритязательны и, по словам генетика из Беркли Герри Рубин, имеют столь много общего с человеком, что их называют крохотными людьми с крыльями. Дрозофила располагает 13 600 генами на ДНК из 165 млн нуклеотидных пар азотистых оснований. Весь этот молекулярный аппарат умещается в тельце длиной 3 мм, величиной примерно с букву V в имени Venter (о самом Вентере чуть позже).
Mus mesculus (мышь), давний любимец медиков, занимающихся изучением болезней и лекарств, тоже соответствует всем требованиям, предъявляемым к модельным организмам. К тому же геном мыши весьма схож с геномом человека.
Генетические сравнительные исследования уже многое прояснили в отношении строения и функционирования человеческого тела. Дальнейшие исследования принесут дополнительные сведения.
Другие создания, вроде полосатой перцины, иглобрюха [родственного горчице сорняка из семейства крестоцветных], резушки Таля (Arabidopsis thaliana) и палочки Пфайфера (Haemophilus influenzae), выступают в роли модельных организмов и изучены в разной степени. Модельные организмы и приспособления, требуемые для их изучения, вызывают в памяти ситуации из классической описательной биологии с образами бесчисленных исследователей, склонившихся над микроскопом или щурящихся сквозь стекла очков во время поездок по экзотическим местам, где можно увидеть организмы в их естественной среде обитания (вспомним Чарльза Дарвина на Галапагосских островах).