Концепции современного естествознания

Б и о г е о ц е н о з – это участок земли с определённым составом взаимосвязанных биотических (растения, животные, микроорганизмы) и абиотических (атмосфера, вода, почва, солнечная энергия) элементов, обменивающихся веществом, энергией и информацией. Биогеоценоз представляет собой единый природный комплекс – экосистему. Динамическое равновесие в экосистеме достигается благодаря гомеостазу. Для нормальной жизнедеятельности биогеоценоза необходимо сохранение всех или большинства его элементов. Выпадение даже одного из биогеоценоза элемента может повлечь за собой разрушение других , нарушение равновесия и распад экосистемы. Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, связанное с массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к качественным изменениям окружающей среды, называется э к о л о г и ч е с к о й к а т а с т р о ф о й.

Наивысший структурный уровень - б и о с ф е р а – это целостная динамическая система, объединяющая живые организмы и среду их обитания.

7.4 КЛЕТКА КАК «ПЕРВОКИРПИЧИК» ЖИВОГО. ПОНЯТИЕ О СТВОЛОВЫХ КЛЕТКАХ

На каждом уровне природы есть свои «первокирпичики». Так в физических формах материи таким первокирпичиком являются кварки, в химии - это атомы, в биологии – это к л е т к и, представляющие собой системы, состоящие из ядра, цитоплазмы и оболочки. Именно она является мельчайшей системой, которой присущи все признаки живого: метаболизм, гомеостаз, способность передавать наследственную информацию. Основы клеточной теории были заложены в 1838 году немецкими учёными М.Шлейденом и Т.Шваном. Основное положение этой теории заключается в том, что все живые организмы от амёбы до человека состоят из клеток, сходных по своему строению и функциям. Это ещё одно подтверждение того, что все виды живого имеют единое происхождение. Вместе с тем клетки специализированы и весьма разнообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы, а могут быть в составе многоклеточных Например, в организме человека их несколько миллиардов.

Основными элементами клетки являются ядро, цитоплазма и оболочка.

Каждая из этих составляющих имеет свою структуру. Оболочка клетки или мембрана контролирует переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно. Состоит мембрана из двух слоёв молекул жироподобных веществ, между которыми находится слой молекул белков. Мембрана играет важную роль в жизни клетки, при повреждении мембраны клетка гибнет, а первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости её оболочки.

82

Цитоплазма представляет собой водный соляной раствор с растворёнными и взвешенными ферментами и другими веществами. В составе цитоплазмы есть рибосомы, состоящие из белка и рибонуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка. Ядро содержит хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и присоединённого к ней белка. Размеры клеток от нескольких микрон до нескольких сантиметров. Форма клеток самая разная – шарики, кубики, цилиндры, диски, звёздочки или просто нити. Клетки растут и размножаются путём деления на две дочерних. Видоизменение клеток происходит постепенно в процессе развития организма. Каждый организм развивается из одной клетки – яйца, которое начинает делиться, и в конце концов образуется множество клеток, отличающихся друг от друга своей специализациеймышечные, кровяные, нервные и т.д. Различие клеток определяется набором белков, которые синтезирует клетка. Так, например, клетки желудка синтезируют пищеварительный фермент – пепсин, который не образуется в других клетках. В любой клетке растения или животного есть полная

генетическая информация для построения всех белков данного вида организма, но в клетке каждого типа синтезируются лишь те белки, которые ей нужны.

Каждая клетка содержит генетический код-полную информацию обо всём организме. В генах «записана» и форма уха, и окраска радужной

83

оболочки глаз, и цвет кожи и волос и т.п. Но клетки животных, несмотря на то, что несут одинаковые гены, выполняют разные функции: одни формируют скелет, другие отвечают за иммунитет, третьи - проводят нервные импульсы и т.д. Однако из нервной клетки вряд ли удастся вырастить печёночную клетку. Возникает вопрос: существуют ли в

принципе такие клетки, из которых можно было бы воссоздать какойлибо орган человека или животного ? Над этим вопросом учёные думали многие годы и только в 1981 году ответ был найден американским учёным Эвансом. Он выделил из зародыша мыши клетку – предшественницу всего мышиного организма – так называемую с т в о л о в у ю клетку. В 1998 году американские исследователи Томпсон и Беккер впервые получили стволовые клетки человека. С этого момента наука о стволовых клетках развивается невиданными темпами.

Термин стволовая клетка произошёл от английского слова «stem», что означает стволовую часть дерева. Смысл его в том, что от стволовой клетки, как от ствола дерева , отходят в разных направлениях и ветвятся другие типы клеток. Какая из «веток» пойдёт в рост, зависит от типа химического сигнала, полученного стволовой клеткой. В роли такого сигнала обычно выступают молекулы веществ, которые учёные называют факторами роста.

Больше всего молодых стволовых клеток содержится в человеческом зародыше. (В США на базе одной из клиник специально выращивают зародыши человека для получения из них стволовых клеток). После рождения количество стволовых клеток в организме начинает уменьшаться. Но и в организме взрослого человека они тоже есть, например, в костном мозге. Эти клетки способны превращаться в любые клетки!

Стволовые клетки после выделения их из организма становятся бессмертными. Они бесконечно размножаются, совершенно не меняясь. Поэтому их можно выращивать в лабораториях в неограниченном количестве. Однако стоит только добавить в питательную среду специальное вещество (фактор роста), как начинается каскад превращений в любые другие клетки организма. Это свойство позволяет выращивать из стволовых клеток самые разные органы: печень, поджелудочную железу, нейроны для головного или спинного мозга. Сейчас стволовые клетки пуповинной крови используют для лечения десятков болезней, но многие учёные предупреждают, что нельзя спешить с внедрением этих технологий в практику (эти вопросы ещё недостаточно изучены и есть случаи, когда пересадка стволовых клеток приводит к отрицательным последствиям, например, к возникновению злокачественных опухолей).

Биологическая особь может быть как одноклеточным организмом, так и многоклеточным – в любом случае он представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.

Если одноклеточный организм не гибнет от внешнего воздействия, то он остаётся бессмертным, т.к. не умирает, а делится на новые клетки.

84

Многоклеточные организмы живут лишь определённое время. Они содержат два типа клеток: соматические – клетки тела и половые клетки. Половые клетки так же, как и бактерии, бессмертны. Соматические клетки высших животных делятся на два вида: одни живут недолго, но постоянно возобновляются (например, клетки эпидермиса - поверхностного слоя кожи); другие клетки во взрослом организме не делятся и поэтому не возобновляются (мышечные, нервные и др.)

В последнее время в научном мире всё чаще встречается мысль о том, что природа имеет фрактальную структуру. Фрактал – это структура, состоящая из частей, в каком-то смысле подобных целому. Основное свойство фракталов - с а м о п о д о б и е. Другими словами, его внутренние составляющие являются аналогами общей формы, и наоборот, общая форма является аналогом его основы. Отсюда вытекает свойство голографичности фрактального объекта: по любому произвольно выбранному участку можно восстановить всю схему. Этот принцип ярко проявляется в строении живых организмов. Например, кровеносная система, дерево, многоклеточные системы - о р г а н и з м ы , особи. Имея лишь одну клетку, можно получить информацию обо всей системе, причём, совершенно неважно, откуда она, т.к. любая из них несёт в себе полную информацию.

7.5 МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ КЛЕТКОЙ

Всё управление внутриклеточным обменом находится, как правило, в ядре в виде очень длинных цепей молекул нуклеиновых кислот, которые могут сворачиваться в глобулыплотные образования, похожие на несимметричные кристаллы. Для синтеза белков необходимы молекулы РНК и ДНК. ДНК хранит генетическую информацию, а РНК воспроизводит её и переносит в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные вещества. Нуклеиновые кислоты представляют законодательную власть клетки, а белки – исполнительную.

Носителем генетической информации является молекула ДНК, а исходной структурной единицей является г е н . Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи состоят из большого числа мономеров четырёх типов – нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из 4-х азотистых оснований: А (аденин), Т (тимин), С (цитозин) и G(гуанин). Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 году американцем биохимиком Дж.Уотсоном и англичанином Фрэнссом Криком.(физик и микробиолог).

85

К молекулам сахара присоединяется азотистое основание, образуя поперечные водородные связи между двумя спиральными нитями. Они настолько структурно соответствуют друг другу, что А распознаёт Т и связывается с ним. С и G - ещё одна пара такого типа. Такая связь соответствует принципу комплементарности ( подходят друг к другу как ключ к замку).

Молекула ДНК может копироваться в результате р е п л и к а ц и и, заключающейся в её удвоении. Когда клетке необходимо разделиться, она предварительно непосредственно перед этим копирует молекулы ДНК в своих хромосомах. При этом две нити ДНК расходятся и на каждой из них, как на матрице, собирается дочерняя нить, в точности повторяющая ту, что была соединена с данной нитью в родительской клетке. В итоге появляются две одинаковые хромосомы, которые при делении распределяются по разным клеткам. Так происходит передача наследственных признаков от родителей потомкам у всех клеточных организмов, имеющих ядро.

Сочетание стоящих рядом трёх нуклеотидов в цепи ДНК образует генетический код, который ставит в соответствие последовательности нуклеотидов гена определённую последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Оказывается, что генетический код един для всех земных организмов. И вирусы, и бактерии, и клетки человеческого тела переводят с « нуклеотидного» на «аминокислотный» язык по одному и тому

86

же словарю. Это является веским свидетельством в пользу того, что всё живое на Земле произошло в конечном счёте от одного общего предка путём дивергентной эволюции. Ген представляет собой участок молекулы ДНК ( а у некоторых вирусов РНК) в определённой структуре которого закодирована та или иная наследственная информация. Каждый ген содержит некоторый рецепт, который обеспечивает соответствующий синтез определённого белка, и таким образом совокупность генов управляет всеми химическими реакциями организма и определяет все его признаки. Г е н - это природное кибернетическое устройство, содержащее информацию, инструкции, коды, определяющие характер всей деятельности клетки ( как по обмену веществ, так и по самовоспроизведению).

Совокупность всех генов организма составляют его г е н о т и п . Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется г е н о м о м . Генофонд – это совокупность генов, которые имеются у особей, составляющих данную популяцию.

Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям. Мутация – сбой, обусловленный случайностью или некоторым фактором физической или химической природы, который происходит в процессе передачи ДНК от родителей детям. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Происходят они под влиянием условий жизни организма: питание, температурный режим, состав воздуха, а могут вызываться кратковременными факторами: отравляющими веществами, радиацией и т.д. В последние годы в мире около 2% новорождённых детей имеют болезни мутагенного характера или родятся с предрасположенностью к таким заболеваниям, как туберкулёз, полиомиелит, рак и др., с патологией психики: шизофрения, эпилепсия и др. Одним из наиболее опасных мутагенов являются в и р у с ы (например, вирус СПИДа, птичьего гриппа).

7.6 Генетика. Генная инженерия

Механизмы наследственности и изменчивости в живой природе изучает г е н е т и к а (в переводе с греческого генезис означает происхождение). Основы этой дисциплины были заложены австрийским учёным Г.Менделем, который в 1865 году показал, что наследование признаков происходит д и с к р е т н о. Он скрещивал гладкий и морщинистый сорта гороха, в результате в первом поколении он получил только гладкие семена, а во втором - четверть морщинистых. Из своих экспериментов Мендель пришёл к выводу, что в зародышевую клетку поступает информация от обоих родителей, но в первом поколении проявляется только один, доминантный признак, а во втором –доминантные и рецессивные признаки распределяются в пропорции 3:1. Работы Менделя опровергли тезис о том, что в череде поколений рецессивные признаки должны постепенно стираться. Открытые закономерности свидетельствовали

87

о том, что рецессивные мутации не исчезают бесследно, а сохраняются в

генетическом фонде популяции и проявляются через поколение.

Существенным достижением генетики является выявление механизмов наследования пола. Важнейшая роль в определении пола принадлежит хромосомному набору зиготы. У человека 23 пары хромосом, из них 22 пары одинаковы как у мужского, так и у женского организмов, а одна пара различна. Это половые хромосомы. У женщин половые хромосомы одинаковы ( так называемые Х –хромосомы), а у мужчин различны: одна Х- хромосома, а другая У-хромосома. Пол будущего человека закладывается в момент оплодотворения, когда хромосомные наборы половых клеток объединяются, решающую роль при этом играет У-хромосома.

Генная инженерия - это раздел молекулярной биологии, в котором изучаются возможности целенаправленного конструирования новых биологических структур с заданными свойствами за счёт манипуляций с генами. Основными направлениями исследований являются: 1) расшифровка геномов; 2) создание трансгенных механизмов. Схематично это делается так: в нужном месте «разрезают» ДНК и вставляют туда новый ген из ДНК другого организма. Когда такие реконструированные ДНК попадут на своё место (напр., в клетки растения, то эти клетки будут нарабатывать и « новый «белок, прочитанный с нового вшитого гена. В итоге в организме с новым белком появятся и новые качества. Разрез ДНК, вшивание новых генов делаются очень тонкими биохимическими методами и контролируются тонкими физическими приборами. Созданы трансгенные растения, животные.

Т р а н с г е н н ы е растения:

-не подвержены действию вредителей и возбудителей болезней;

-во много раз эффективней извлекают из почвы фосфор и азот. Значит, им нужно меньше удобрений;

-получены трансгенные томаты, пригодные для длительного хранения, их не нужно выращивать в теплицах;

-улучшены вкусовые качества и т.д.

Генно-инженерные работы с животными ведутся по трём направлениям: 1) продовольственная. 2) создание животных, устойчивых к болезням; 3) самым важным направлением, пожалуй, можно считать создание животных, продуцирующих лекарства. Получили коров и свиней, которые в своём молоке содержат гормон роста. Синтезирован инсулин. С помощью трансгенных животных можно будет получать эффективные препараты для лечения крови, онкозаболеваний , для повышения иммунитета и т.д. Генную инженерию считают медициной будущего. Российские учёные научились выращивать кровеносные сосуды, стволовые клетки и др.

В то же время развитие генной инженерии связано с такими нежелательными и даже опасными последствиями, которые трудно представить.

88

-Могут быть созданы модифицированные организмы с нежелательными и неожиданными свойствами.

-Внедрение генных технологий уже привело к созданию новых микроорганизмов, которые спровоцировали появление новых болезней.

-Последствия вмешательства в генотип человека, связанное с генной терапией, так же пока неизвестны. Об этом можно будет судить через

10-20 лет.

-Существует реальная опасность использования генных продуктов в военных целях.

Следующим направлением в развитии биотехнологий является создание трансгенных растений и животных.

Увидев в наноскопе ген картофеля, учёные «втиснули» в него звено, выделяющее токсин против колорадского жука, который взяли у природных паразитов этих насекомыхполучился ГМ-картофель. Аналогично родились сверхурожайная соя, кукуруза, пшеница, сладкие голландские яблоки одинакового размера. ГМ-растения не требуют специальной обработки химикатами от вредителейони сами способны постоять за себя.

Чем же отличается генная инженерия растений от обычной селекции?- При селекции перенос генов осуществляется только между близкородственными растениями, а генная инженерия позволяет перенести в растение гены из любого другого организма. Делается это для того, чтобы растения с » чужими»генами приобретали устойчивость к гербицидам, вредителям и патогенам, их плоды способны долго храниться при комнатной температуре, имеют повышенную питательную ценность или другой вкус, и, наконец, они способны синтезировать новые вещества - начиная от лекарств

изаканчивая пластиком.

Направленной генетической модификации (трансформации) можно подвергать не только растения, но и любые живые структуры ( от микробов и вирусов до организмов). Такие медицинские препараты, как инсулин, интерферон, гормон роста получают от генно - модифицированных животных, которые продуцируют эти препараты.

Отношение к ГМ растениям и животным неоднозначно. Такие страны как США, Аргентина, Канада, Китай выступают ЗА – не случайно подавляющее большинство площадей в этих странах засеяно генномодифицированными соей, хлопком, кукурузой. В Европе отношение к ГМ растениям и животным отрицательное или более настороженное. Прямых подтверждений вредности ГМпродуктов пока нет.

Современные биотехнологии привели к возможности клонирования растений и животных. К л о н и р о в а н и е - это воспроизведение копии живого организма из его неполовых клеток. Обычное (естественное) зачатие новой жизни представляет довольно чёткий процесс. Мужская клеткаосеменитель имеет половинный набор хромосом, такое же их количество содержится и в женской яйцеклетке. И только в результате слияния этих клеток (мужской и женской) возникает полный набор хромосом,

89

необходимых для создания нового организма. При клонировании любая клетка тела (соматическая клетка) имеет полный набор хромосом и будущая жизнь «штампуется «по тому генетическому образцу, который взят для клонирования. Отсюда и возникает полная похожесть рождающегося на того, кто вложил свою клетку в фундамент создания новой жизни.

Современная методика заключается в следующем (на примере овечки Долли). От здорового животного берётся любая клетка его тела (она уже содержит полный набор хромосом). Её погружают в спокойное состояние, чтобы она не размножалась. Затем её ядро помещают в яйцеклетку донора, которая предварительно лишалась собственного ядра вместе с содержащимся там генетическим материалом. Эта половая клетка подвергалась электрическому импульсу или химическому стимулированию. Возникший эмбрион внедряли в тело женской особи, где он и развивался до полной зрелости. Таким образом, овечка Долли родилась без отца, но имела три матери. Овечка Долли была копией той овцы, у которой был взят необходимый генетический материал, т.е.копией первой овцы. Следует помнить, что копируется лишь внешняя телесная оболочка. Наука установила, что биологическое будущее организма зависит ещё и от того, в какой среде он формируется, в каких условиях растёт, т.е. помимо генотипа существует также фенотип, в котором отражается в широком плане воздействие внешней среды. Именно поэтому невозможно клонировать поэта Пушкина, композитора Чайковского, учёного Эйнштейна и т.д.

Развитие биотехнологий поставило перед человечеством целый ряд этических вопросов. Но эти вопросы находятся не в сфере самой науки, а в сфере практического применения её открытий. Научный поиск должен быть свободным, но ответственность за применение научных достижений всегда должно нести общество, т.е. развитие биотехнологий должно находиться под определённым контролем.

7.7 ПРИНЦИПЫ ЭВОЛЮЦИИ, ВОСПРОИЗВОДСТВА И РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Фундаментом современной биологии является эволюционная идея, согласно которой живые организмы, их строение и взаимоотношения между собой являются результатом длительного исторического развития.

Под эволюцией живого мира понимается процесс развития природы от момента возникновения жизни до настоящего времени, взаимодействие порядка и хаоса, приводящее на определённом этапе к самоорганизации. Около 5 млрд. лет назад из нуклеотидов и белков появились первые простейшие живые организмы, способные к метаболизму и передаче наследственной информации. Именно на этом этапе завершается продолжавшийся многие миллиарды лет процесс добиологической эволюции и начался новый более динамичный период биологической эволюции. В ходе эволюции менялись и возникали новые виды, появлялись всё более

90

сложные формы живых организмов, причём живое приспосабливалось к изменениям окружающей среды.

Первые попытки как-то систематизировать знания о животном и растительном мире относятся ещё к античным временам. Карл Линней описал более 8000 растений, провёл их классификацию по внешним признакам.

В начале 19 века Ламарк выдвинул гипотезу о механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосылки: наследование приобретённых признаков и упражнение (или неупражнение) частей организма. Но основной является врождённая способность к самосовершенствованию. По его мнению изменения окружающей среды могут изменить формы поведения, изменить структуру отдельных органов. И эти изменения могут быть переданы по наследству. Однако впоследствии оказалось, что приобретённые признаки не всегда передаются по наследству. Так, немецкий зоолог А.Вейсман на протяжении многих последовательных поколений отрезал мышам хвосты. Однако приобретаемые признаки не передавались по наследству. Как пояснил Холдейн, по наследству будут передаваться только те признаки, которые контролируются в какой-то степени генами.

Французский зоолог Ж.Кювье связывал появление новых видов животных с имевшими на Земле место катастрофами. В 1788г. английский экономист Т.Мальтус опубликовал «трактат о народонаселении», в котором говорит о том, что численность населения на Земле растёт по экспоненциальному закону и рост популяций не соответствует пищевым ресурсам. Мальтус ввёл выражение «борьба за существование».

Ч.Дарвин

91