Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы

Многообразие и разнообразие живых систем пора­жает воображение. За все время эволюции жизни на Земле существовало колоссальное количество раз­личных видов живых организмов: 750 - 800 млн, - при­чем большая часть из них прекратила свое существование. В настоящее время различные источники дают разные циф­ры по количеству всех видов существующих ныне живых организмов: в одних фигурирует цифра в 2 млн, в других 3 - 5 млн. К концу прошлого тысячелетия насчитывалось около 1,2 млн видов животных и 0,5 млн видов растений. Большин­ство исследований и классификаций живых организмов сви­детельствуют о том, что общее число видов растений и жи­вотных, обитающих в настоящее время на Земле, равняется примерно 5 млн, причем подавляющее большинство совре­менных живых организмов - это тропические насекомые, многие из которых еще не изучены. Однако, по мнению Р. Мэя из Принстонского университета (Нью-Джерси, США), в приведенную схему расчетов следует внести кор­рективы, которые почти на порядок увеличат число организ­мов, существующих на Земле. Исследования обитателей тропических лесов показали, что только в тропиках имеет­ся около 50 тыс. видов деревьев и примерно 30 млн видов насекомых. Речь пока не велась о простейших видах живых организмов на Земле, которых более 50 млн.

Лучше всего изучены живые организмы, прожива­ющие в умеренной зоне Европы и Америки, причем в атмосфере, а хуже всего - живые организмы Аркти­ки и Антарктики, а также глубинных слоев литосферы и гид­росферы во всех зонах и на всех континентах. Наибольшее число древних видов, проживающих или произрастающих на Земле уже несколько десятков, а то и сотен тысячелетий, находится в Новой Зеландии.

Ежегодно исследователи описывают в среднем один но­вый вид млекопитающих и три вида птиц, причем в основном это обитатели тропиков, зоны, которая сейчас наиболее ши­роко исследуется.

Совокупность всех живых организмов на Земле дей­ствует как единая мощная сила, преобразующая по­верхностные слои нашей планеты. Кроме того, все единицы биосферы взаимодействуют между собой, все они одинаково необходимы для поддержания целостного и устой­чивого состояния биосферы, роль которой в химических и энергетических процессах на Земле необыкновенно важна.

Биологическое разнообразие жизни на земле

Вирусы.

Вирусы – неклеточная форма жизни. Они являются облигатными паразитами, т.е. могут функционировать только внутри одно- или многоклеточного организма.

Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский выявил два их основных свойства – они столь малы. Что проходят через фильтры, задерживающие бактерии, и их невозможно, в отличие от клеток, выращивать на искусственных питательных средах. Лишь с помощью электронного микроскопа удалось увидеть эти мельчайшие из живых существ ( от 20 до 3000 нм) и оценить многообразие их форм.

Вирусы – инфекционные агенты.

Своё название вирусы получили от латинского слова virus – яд. Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию. Лишь попав в клетку, генетический материал вируса воспроизводится, переключая работу клеточных биохимических конвейеров на производство вирусных белков: как ферментов, необходимых для репликации вирусного генома – всей совокупности его генов, так и белков оболочки вируса. В клетке же происходит и сборка из нуклеиновых кислот и белков многочисленных потомков одного попавшего в неё вируса.

В зависимости от длительности пребывания вируса в клетке и характера изменения её функционирования различают три типа вирусной инфекции.

Если образующиеся вирусы одновременно покидают клетку, то она разрывается и гибнет. Вышедшие из неё вирусы поражают новые клетки. Так развивается литическая инфекция (греч. lysis – разрушение, растворение).

При вирусной инфекции другого типа, называемой персистентной (стойкой), новые вирусы покидают клетку хозяина постепенно. Клетка продолжает жить и делится, производя новые вирусы.

Третий тип инфекции называется латентным (скрытым). Генетический материал вируса встраивается в хромосомы клетки и при её делении воспроизводится и передается дочерним клеткам. При определённых условиях в некоторых из заражённых клеток латентный вирус активизируется, размножается, и его потомки покидают клетки. Инфекция развивается по литическому или персистентному типу.

Строение вирусов.

Вне зависимо­сти от типа инфекции и характера заболевания все вирусы можно рас­сматривать как генетические эле­менты, одетые в защитную белковую оболочку и способные переходить из одной клетки в другую.

Отдельные вирусные частицы — вирионы представляют собой симмет­ричные тела, состоящие из повторяю­щихся элементов. В сердцевине каж­дого вириона находится генетический материал, представленный молекула­ми ДНК или РНК. Велико разнообра­зие форм этих молекул: есть вирусы, содержащие двухцепочечную ДНК в кольцевой или линейной форме; вирусы с одноцепочечной кольцевой ДНК; одноцепочечной или двухцепочечной РНК; содержащие две иден­тичные одноцепочечные РНК.

Генетический материал вируса (геном) окружен капсидом — белко­вой оболочкой, защищающей его как от действия нуклеаз — ферментов, разрушающих нуклеиновые кислоты, так и от воздействия ультрафиолето­вого излучения. Капсиды состоят из многократно повторенных полипептидных цепей одного или нескольких типов белков. В основе взаимодей­ствия вирусных белков друг с другом и с нуклеиновой кислотой лежит закон термодинамики, гласящий, что устойчивость системы приобретается при достижении минимального уров­ня свободной энергии. Для каждого вируса существует свой набор белков, который при сборке вириона дает оптимальную в энергетическом плане форму капсида. Большинство виру­сов построены по одному из двух типов симметрии — спиральной или кубической.

Вирионы со спиральной симмет­рией имеют форму продолговатых палочек. В центре нахо­дится спирально закрученная нуклеи­новая кислота (рис. 2). Капсид состоит из идентичных субъединиц белка, спирально расположенных вдоль молекулы нуклеиновой кисло­ты. По спиральному типу симметрии построено большинство вирусов, по­ражающих растения, и некоторые вирусы бактерий, так называемые бактериофаги или просто фаги.

Большая часть вирусов, вызывающих инфекции у человека и животных, имеет кубический тип симметрии. Капсид почти всегда имеет форму икосаэдра – правильного двадцатигранника с двенадцатью вершинами из равносторонних треугольников (рис. 3).

Рис. 2. Модель части ВТМ Рис. 3. Модель икосаэдра

Существуют вирусы и с более сложным строением. Некоторые фаги помимо икосаэдрической головки, содержащей генетический материал, имеют полый цилиндрический отро­сток, окруженный чехлом из сократи­тельных белков и заканчивающийся шестиугольной площадкой с шестью короткими выростами и шестью длин­ными фибриллами — нитями. Такая сложная конструкция обеспечивает впрыскивание генетического мате­риала фага внутрь бактериальной клетки.

Многие вирусы помимо белкового капсида имеют внешнюю оболочку. Кроме вирусных белков и гликопротеинов (белков, ковалентно связанных с углеводными молекулами) она содержит еще и липиды, позаимствованные из плазматической мембраны клетки-хозяина. Вирус гриппа - пример спирального вириона в обо­лочке с кубическим типом симметрии.

Современная классификация ви­русов основана на виде и форме их нуклеиновой кислоты, типе симмет­рии и наличии или отсутствии внеш­ней оболочки.

Размножение вирусов. Размноже­ние вирусов включает в себя три процесса: репликацию вирусной нук­леиновой кислоты, синтез вирусных белков и сборку вирионов.

Разнообразие видов и форм ви­русных нуклеиновых кислот опреде­ляет и разнообразие способов их репликации. Бактериофаг Т4 имеет одну двухцепочечную линейную моле­кулу ДНК, состоящую из 160·10³ пар нуклеотидов. В ней закодировано более 150 различных белков, в том числе более 30 белков, участвующих в репликации фаговой ДНК. Обезь­яний вирус SV40 имеет двухцепо­чечную кольцевую ДНК. У вируса оспы две комплементарные цепи линейной ДНК на обоих концах соединены одна с другой ковалентной фосфодиэфирной связью. Этот самый крупный из известных вирусов содер­жит более 240 генов. Репликация у вирусов с двухцепочечной ДНК принципиально не отличается от репликации бактериальной или эукариотической ДНК.

Паразитирующие в бактериаль­ных клетках Е. coli фаги М13 и λХ174 имеют кольцевую одноцепочечную ДНК. В зараженной клетке бактериальные ферменты репликации синтезируют комплементарную ей цепь, которая служит матрицей для образования фаговых ДНК. Они соединяются с фаговыми белками, также синтезированными бактери­альными ферментами, и новые фаги покидают клетку-хозяина. Многие вирусы растений содер­жат одну линейную молекулу РНК, например первый из описанных вирус табачной мозаики (ВТМ). Молекула РНК ВТМ заключена в белковый капсид, состоящий из 2130 идентич­ных полипептидных субъединиц. В 1955 г. в изящном эксперименте с «переодеванием» Френкель-Конрад впервые показал, что РНК может выполнять функцию носителя генети­ческой информации. (Для ДНК эта функция была доказана раньше.) Он взял два штамма ВТМ, дающих различные картины поражения листь­ев табака. Отделив белки от РНК, он реконструировал вирионы таким об­разом, чтобы РНК из одного штамма покрывалась белковым чехлом друго­го. Картина поражения листьев, зараженных реконструированным ви­русом, не зависела от того, какому штамму принадлежали белки, она определялась лишь РНК.

Репликация РНК вируса табачной мозаики осуществляется фермен­том, называемым РНК-зависимой РНК-полимеразой, закодированной в геноме вируса. Сначала этот фер­мент строит комплементарную цепь РНК, так называемую минус-цепь (она не кодирует белки в отличие от вирусной РНК, кодирующей белки и поэтому называемой плюс-цепью), а затем по ней, как по матрице, синтезирует множество вирусных РНК.

У так называемых вирусов с «не­гативными» геномами, к которым относится вирус гриппа, инфицирую­щая РНК является минус-цепью и не кодирует белков. Только компле­ментарная ей плюс-цепь РНК, синте­зирующаяся в зараженных вирусом клетках, несет информацию о созда­нии новых вирусных частиц. Она же служит матрицей для образования большого количества вирусных ми­нус-цепей РНК.

Две одинаковые одноцепочечные молекулы РНК внутри икосаэдрического белкового капсида содержат некоторые онкогенные (опухолеродные) вирусы. Они имеют еще и внеш­нюю оболочку, состоящую из двойно­го липидного слоя плазматической мембраны клетки-хозяина, а также белков и гликопротеинов вирусного происхождения. Такое же строение имеет вирус иммунодефицита челове­ка (ВИЧ), вызывающий синдром приобретенного иммунного дефицита (СПИД).

Из онкогенных вирусов первым был открыт вирус саркомы Рауса (ВСР), вызывающий злокачественные опухоли у кур. Изучение меха­низма трансформации клетки, т. е. превращение из нормальной в рако­вую, привело в 1970 г. американских ученых Г. Темина и Д. Балтимора к открытию явления обратной транскрипции. ВСР содержит фер­мент, называемый обратной транскриптазой. Он представляет собой ДНК-полимеразу, которая сначала синтезирует цепь ДНК, используя в качестве матрицы одну из идентич­ных молекул вирусной РНК, а зачтем вторую, комплементарную цепь ДНК. В результате образуется двухцепочечная ДНК. Она может встроиться в хромосому клетки-хозяина. Такой процесс встраивания в хромосомную ДНК называют интеграцией. Вирусный геном в форме интегрированной ДНК, синтезирован­ной по проникшей в клетку вирусной РНК с помощью обратной транскриптазы, называется провирусом.

Провирус становится частью генетического материала клетки, реплицируется вместе с клеткой ДНК и при делении передется дочерним клеткам. В скрытой (латентной) форме провирус может пребывать бесконечно долгое время, переходя от родителей к потомкам через сперматозоид или яйцеклетку.

Канцерогенные, т.е. приводящие к раку, факторы, такие, как рентгеновые лучи, табачный дым, асбестовая пыль, некоторые продукты переработки нефти, бензол и другие, могут активировать провирус в отдельных клетках. В них образуются вирусные РНК и белки, происходит злокачественная трансформация. Раковые клетки отличаются от нормальных тремя признаками: 1) они быстрее делятся, затрачивая большое количество энергии молекул АТФ; 2) они частично дедифференцируются, т.е.утрачивают часть признаков, приобретённых клетками в процессе развития организма, и становятся похожими на зародышевые клетки; 3) они иногда теряют присущую в норме способность к тесному сцеплению с соседними клетками, а поэтому могут отделятся от них, перемещаться в другие части тела и давать начало новым опухолям, т.е. метастезировать.

РНК-содержащие вирусы, являющиеся первопричиной злокачественной трансформации, называют онкогенными ретровирусами (лат. retro – возврат назад) из-за того что обратная транскрипция – необходимый этап в их размножении.

Вирусы — факторы изменения ге­нетической информации организмов. При нормальной транскрипции вирусной ДНК, интегрированной в хро­мосому клетки, могут транскрибиро­ваться и расположенные рядом хозяйские гены. При обратной транс­крипции вирусной РНК эти гены могут встроиться в хромосомы другого организма и оказаться в необычном для них окружении. Тем самым ретровирусы могут не только переносить гены, привнося в орга­низмы дополнительную наследствен­ную информацию, но и изменять работу хозяйских генов. Ретровирусы могут переносить гены между клетка­ми одного организма, между орга­низмами не только одного, но и раз­ных видов или классов, когда половая гибридизация исключена. Поток ге­нов между далекими организмами представляется очень реальным - на это указывает сходство у самых разных животных генов, одновре­менно входящих в состав ретровирусов. Сегодня вирусы рассматривают не только как возбудителей инфекци­онных болезней, но и как переносчи­ков генетической информации между видами. Кроме того, сам факт попада­ния вируса в живую клетку и пере­страивание ее биохимических конвей­еров на создание вирусного потом­ства если не убивает клетку, то не проходит для нее бесследно. Разрывы хромосом, изменения в порядке рас­положения генов, а также изменения в самих генах остаются в «генетиче­ской памяти» клеток, посещенных незваными пришельцами.