Основные направления в биологии

1. Биология развития.

2. Эволюция.

3. Экология.

Биология развития

Детерминированное дробление – дробление, которое начинает быть видным очень рано. Наиболее яркий пример: нематоды. У них можно до клеток просчитать, сколько их в каждом сегменте (считают ядра).

Caenorhabditis ebgans (нематода). У взрослой особи количество соматических ядер – 959. Если на одно меньше или больше – мутант по развитию. Для каждой клетки определена судьба. Некоторые клетки, образовавшиеся из первых, должны умереть. Это явление получило название апаптоз. У человека апаптоз проявляется как разделение кисти (лопаточка на ранних стадиях) на пальцы. Некоторые клетки отмирают, что позволяет образовываться пальцам.

Эволюция

Градуализм – накопление маленьких изменений, в сумме дающих сильное изменение – эволюция.

П ри копирование гена рано или поздно возникнет мутационный ген. Это две аллели. С каждой аллели считывается генетическая информация. Если есть мутация в аллели, то в большинстве случает есть изменение в иРНК и аномалия в молекуле белка. Из-за изменений в молекуле белка произойдет изменение функции, т. е. одна функция превращается в другую. Белок начинает выполнять некую другую функцию – идея градуализма.

Вероятность полезного изменения очень мала. Если функция будет изменена, то скорее всего она будет изменена в сторону ухудшения.

Тогда как в результате мутаций может идти эволюция? Крупные эволюционные события происходят не за счет мутаций, а за счет каких-то других изменений. В третичной структуре белка выделяют более или менее отдельные части – домены. Домены в ходе эволюции могут перекомбенироваться, вследствие чего один функциональный белок становится другим. В основе эволюции скорее всего лежит перекомбенирование доменов, или генетических модулей. А шлифовка этих перегруппировок идет за счет мутаций.

Экология

Экология изучает взаимоотношение живых организмов с окружающей средой. Любые трофические отношения состоят из элементарных частей. Центральным звеном любых экологических отношений являются разнообразные биологические ответы – это система адекватных реакций организма на определенный внешний или внутренний сигнал.

Формирование быстрого биологического ответа.

С игнал

В заимодействие сигнала с рецептором

Рецептор меняет конфигурацию и превращается в ПК #

…

Формирование ПК_n-1

А ктивация ПК_n-1

Ф ормирование ПК_n

Активация ПК_n

Формирование белка Х

Активация белка Х

Биологический ответ

Формирование медленного биологического ответа.

С игнал

Взаимодействие сигнала с рецептором

Рецептор меняет конформацию и превращается в ТФ₁ #

…

З апуск транскрипции гена, кодирующего ТФ_n-1

З апуск биосинтеза ТФ_n-1

Запуск транскрипции гена, кодирующего ТФ_n

Запуск биосинтеза ТФ_n

Запуск транскрипции гена, кодирующего ген Х

З апуск биосинтеза белка Х

Биологический ответ

Существует множество способов активации (инактивации) белков. Однако чаще всего этот процесс связан с формированием белков, т. е. присоединение фосфатной группы. Фосфолирование приводит к изменению конфигурации белка, т. е. изменению функции. Это происходит за счет того, что фосфатная группа легко диссоциирует и приобретает сильный заряд. Специфические ферменты, обеспечивающие фосфолирование белков, называется протеинкиназами.

Все сигналы принято условно подразделять на химические и физические. Химические сигналы – молекулы, их ионы. В ходе взаимодействия с химическим сигналом рецептор образует с ним комплекс, а потом рецептор меняет свою конформацию, следовательно, и функцию. Рецептор – чувствительная молекула. Физический сигнал – уровень температуры, свет, звук, механическое давление и др. Рецептор взаимодействует не со светом, а с квантом света. Рецептор не может образовать с ним комплекса, но он поглощает энергию, которую пускает на конформацию.

# - и то, и другое происходит в простейшем случае, но чаще всего это происходит через серию вспомогательных белков. Рецептор на клеточной мембране, ТФ – в ядре. У животных (человека) рецепторы кортикоидных гормонов сами становятся ТФ и уходят в ядро.

Первая схема идет быстрее, т. к. в клетке уже все есть, нужно лишь отфосфорилировать некую молекулу. Медленные биологические ответы реализуются в течение часов, дней, недель. Быстрые в течение секунд, долей секунд.

У растений, грибов и бактерий преобладают медленные биологические ответы. У животных – быстрые. В основе этого разделения лежит наличие или отсутствие клеточной стенки. В значительной степени наличие быстрого/медленного биологического ответа определяется экологическим поведением: пережидание/уход. Нервная система по своей сути предназначена для чрезвычайно быстрой реализации биологических ответов.

Медленные биологические ответы у человека.

Н апример, гормональная регуляция. У всех животных, имеющих нервную систему молекулярная регуляция одинаковая. Существует множество ситуаций, когда в формирование биологического ответа участвуют элементы быстрых и медленных биологических ответов. Нейро-эндокринная система обеспечивает реализацию биологических ответов: выработка молока у женщин не сразу после оплодотворения. Функции нервной системы: реакция на внешние сигналы – связь с окружающей средой, реакция на внутренние сигналы – координация органов.

У дрозофилы 25 тыс. генов, у человека 35 тыс. генов (но работающих вроде бы 25 тыс.).

Сегодня биология не описательная наука, а наука, изучающая причинно-следственную связь (как реализуется генетическая информация).