Основные достижения современной генетики: эволюционная роль генетических изменений

Фундаментальной основой живого мира является клетка. Предпосылкой открытия клетки было изобретение микроскопа и его использование для изучения биологических объектов. Уже к 30-м годам XIX века накопилось немало работ о клеточном строении организма. Но именно М. Шлейден и Т. Шванн заложили основы клеточной теории, согласно которой клетка является главной структурной единицей всех организмов, а процесс образования клеток обусловливает рост, развитие и дифференциацию растительных и животных тканей. К концу прошлого века было обнаружено сложное строение клетки, описаны органоиды (части клетки), исследованы пути образования новых клеток (митоз). А к началу XX века в биологии прочно утвердилась идея о первостепенном значении клеточных структур в передаче наследственных свойств. В настоящее время общепризнанно, что клетка является основной структурной и функциональной единицей организации живого. Именно благодаря клеточному строению организм является дискретным, сохраняет целостность.

Как правило, клетки обладают микроскопическими размерами. Строение клеток животных и растений в основных чертах сходно. В теле клетки различают цитоплазму и кариоплазму (ядро), являющиеся обязательными ее составными частями. Вещество ядра представляет собой плотный коллоид, содержащий белки и нуклеиновые кислоты. Составными частями ядра эукариотов являются ядерная оболочка, ядерный сок, ядрышки и хромосомы. Установлено, что каждый вид растений и животных имеет определенное и постоянное число хромосом (видовой признак). Хромосомы являются носителями наследственной информации. Выяснено, что наследственная информация дискретна, ее составляют многочисленные гены, расположенные вдоль хромосом в линейном порядке.

Изучение элементного химического состава протоплазмы подтвердило единство всей природы. Химические элементы, которые принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической активностью, называются биогенными. Белки (протеины) составляют от 50 до 85% органических соединений, входящих в состав живых организмов. Белки включаются в состав всех клеток, клеточных организмов и межклеточных жидкостей. Н. Любавин установил, что белки состоят из аминокислот. В настоящее время известно более двадцати аминокислот.

Молекула белка — типичный полимер, в ней аминокислоты следуют одна за другой. Каждый вид организмов отличается своей специфичностью белков. Даже в одном организме белки различных органов неодинаковы. Аминокислоты в белковой молекуле имеют определенное пространственное расположение. Первичной структурой белковой молекулы является полипептидная цепь. Внутримолекулярные силы заставляют белковую цепь изгибаться, и возникает вторичная структура. Большинству молекул белка присуща третичная структура (глобулярная), в ряде случаев образуется и четвертичная.

В клетке белки выполняют структурные (основной строительный материал цитоплазмы, наружной и внутренней мембраны и т. д.), сократительные (обеспечивают явление раздражимости и движение), ферментативные функции (катализируют все реакции, протекающие в клетке).

Нуклеиновые кислоты были открыты швейцарским врачом И. Мишером в 1870 году. С нуклеиновыми кислотами связаны процессы синтеза белка, а этим, в свою очередь, определяются характер обмена веществ, закономерности роста и развития, явления наследственности и изменчивости. В состав нуклеиновых кислот входят углерод, кислород, водород, азот и фосфор. Известны две группы этих кислот — РНК и ДНК. Они отличаются химическим составом и биологическими свойствами. Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды.

Основная биологическая функция белка заключается в хранении, постоянном самовозобновлении, самовоспроизведении (репликации) и передаче генетической (наследственной) информации в клетке.

Биологическая роль РНК связана преимущественно с синтезом белка, т.е. с реализацией наследственной информации.

Способность ДНК к авторепродукции вытекает из особенностей ее строения. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных нитей. Порядок расположения оснований одной цепи определяет их порядок в другой. Авторепродукция молекул ДНК происходит под воздействием фермента полимеразы. Предполагается, что при этом коплементарные цепи молекул ДНК раскручиваются и расходятся. Затем каждая из них начинает синтезировать новую. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другой нуклеотид только строго определенного строения, происходит точное воспроизведение «материнской» молекулы. В многообразных комбинациях нуклеотидов нитей ДНК закодирована программа синтеза множества белков.

РНК не имеет двойной спирали и построена подобно одной из цепей ДНК. Различают три вида РНК: рибосомальную, информационную и транспортную.

Синтез белков происходит следующим образом. Специальный фермент — полимераза, двигаясь по ДНК, создает одноцепочную молекулу и-РНК, в которой нуклеотиды расположены по принципу комплементарности (дополнительности) одной нити ДНК. Последовательность расположения нуклеотидов в и-РНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Генетический код, заложенный в ДНК, записывается на язык и-РНК. Молекула и-РНК проникает через мембрану ядра и в рибосомах осуществляет расшифровку кода с языка нуклеотидов на язык аминокислот. В синтезе белка принимает участие и транспортная РНК, которая доставляет к рибосомам аминокислоты. Структура рибосом определяется третьим видом РНК (рибосомная РНК).

Большое значение в развитии синтетической теории эволюции имеют исследования в области генетики. Генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости. Наследственность — свойство организмов повторять в ряде поколений сходные признаки и обеспечивать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях среды. Изменчивость заключается в изменении наследственных задатков, а также в вариабельности их проявлений в процессе развития организмов при взаимодействии с внешней средой. Новые свойства организмов появляются только благодаря изменчивости, но она лишь тогда может играть роль в эволюции, когда появившиеся изменения сохраняются в последующих поколениях, т.е. наследуются. В гаметах (половых клетках), спорах, вегетативных клетках (при разных видах размножения) заложена генетическая информация. Элементарными единицами наследственности служат гены, представляющие собой отрезки молекулы ДНК. Каждый ген определяет последовательность аминокислот в одном из белков. Совокупность всех наследственных факторов организма (генов) в диплоидном наборе хромосом ядра получила название генотипа; совокупность всех свойств и признаков организма называется фенотипом. В основу генетики легли закономерности наследственности, открытые Г. Менделем. Среди основных направлений исследований ученых-генетиков XX века выделяются следующие:

• изучение молекул нуклеиновых кислот, которые являются хранителями генетической информации, единицами наследственности;

• раскрытие механизмов и закономерностей передачи генетической информации от поколения к поколению;

• изучение механизмов реализации генетической информации в конкретные признаки и свойства организма;

• выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.

Генетика решает эти задачи на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях.