Современное развитие эволюционной теории Ч. Дарвина.

(Молекулярно-генетический подход).

Термин " эволюция" был впервые введен в лексику биологии швейцарским ученым Ш.Боннэ в 1762г., т. е. задолго до опубликования своего труда Ч. Дарвиным. Причем Ш.Боннэ понимал под этим термином не только идею развития, но и представления о роли изменчивости и отбора в становлении новых форм живого. Эти представления претерпевали изменения с течением времени.

В настоящее время различают три типа изменчивости:

Наследственная изменчивость -это изменчивость, обусловленная возникновением новых генотипов (аналог " неопределенной изменчивости" Ч. Дарвина).

Ненаследственная изменчивость - это изменчивость, которая отражает изменения не генотипа, а фенотипа под влиянием условий внешней среды (аналог " определенной изменчивости" Ч. Дарвина).

Онтогенетическая изменчивость - это изменчивость, отражающая изменения в ходе индивидуального развития всего организма (онтогенеза) или изменчивость отдельных клеток в процессе их дифференциации (т.е. при формировании их индивидуальных отличий в процессе жизненного цикла).

Современный эволюционизм - это не только дарвинизм в его изначальном виде, а многогранное комплексное учение, сформировавшееся за годы, прошедшие со времен создания теории Ч. Дарвина. В 1930-1940 годах появилась на свет новая синтетическая теория эволюции. Она представляет собой синтез дарвинской крнцепции естественного отбора с генетикой и экологией. Существуют два основных отличия синтетической теории эволюции от теории Ч. Дарвина. Это во-первых, - признание в качестве элементарной единицы эволюции не организма и даже не вида, а местной популяции и, во-вторых, - выделение двух типов эволюции: микроэволюции и макроэволюции.

Микроэволюция обозначает совокупность эволюционных процессов в популяциях, сопровождающихся изменением генофонда и образованием новых видов.

Макроэволюция (или филогенез) - это эволюционные преобразования, протекающие в течение длительного исторического периода и приводящие к образованию надвидовых таксонов

. Микроэволюция доступна для непосредственного изучения в лабораторных условиях, макроэволюция - нет, вследствие ее исторической протяженности. Изучение микроэволюции возможно посредством наблюдения за изменениями животных и растений в природе. Изучение же макроэволюции требует дополнительных исторических источников для исследования. Такие данные предоставляли смежные биологические дисциплины: сравнительная морфология, палеонтология и эмбриология. В настоящее время ученые перешли на изучение эволюционных процессов на молекулярно-генетическом уровне. Объектами исследований ученых стали белки и нуклеотиды, изъятые как из ныне живущих организмов, так и из геологических слоев залегания ископаемых. Главной проблемой макроэволюции является расшифровка последовательности филогенеза и наследственных связей между организмами. Эта наука постоянно развивается, у нее большое биологическое будущее. Достижения в этой области знаний непосредственно связаны с прогрессом в области молекулярной биологии и генетики.

Изучение молекулярных основ воспроизводства жизни и процессов

Жизнедеятельности

Две современные биологические науки - молекулярная генетика и молекулярная биология занимаются изучением смежных научных вопросов, связанных с основными проблемами структуры и функционирования живой природы на молекулярно-генетическом уровне. Рождение этих наук является подтверждением мощного интеграционного процесса (процесса объединения разных наук при решении одних и тех же задач), происходящего в современном естествознании. Коснемся вкратце вопроса о том, какие же проблемы приходилось и приходится решать, прибегая к методам молекулярной биологии и молекулярной генетики. В настоящее время их так много, что не представляется возможным осветить все пути развития этих наук в полной мере, но можно попытаться выделить среди общей массы решаемых вопросов наиболее важные.

Наиболее важные открытия, сделанные в области молекулярной биологии и молекулярной генетики:

1. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот.

2. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции

и биосинтеза белка.

3. Открытие молекулярно-генетических механизмов изменчивости.

4. Изучение молекулярных основ обмена веществ.

Законы генетики Менделя. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот

Сегодня любому школьнику известно, что наследственная информация организмов зашифрована в ДНК. Однако, чтобы доказать это ученым потребовалось несколько десятков лет, а чтобы расшифровать строение и свойства нуклеиновых кислот - более ста лет. В XVIII и XIX веках делалось немало попыток выяснить как передаются признаки из поколения в поколение. Но начало генетике как науке было положено чешским ученым Г. Менделем, который скрещивал между собой различные сорта гороха и наблюдал за изменениями их окраски, формы, вида и др. признаков. Мендель определил, что у получаемых гибридов в первом поколении одни признаки подавляют другие. Например, желтый цвет семян доминирует над зеленым цветом, гладкая поверхность семян над морщинистыми и т. д. Каждому из наcледуемых признаков Мендель поставил в соответствие материальную частичку живого, передаваемого из поколения в поколение, - элементарную носительницу информации и назвал ее фактором, но в дальнейшем привилось название, данное датским биологом В.Иогансоном – ген. . Изучая поведение и характер взаимодействия различных генов по их проявлению в потомстве, Мендель открыл свои знаменитые законы скрещивания генов и в 1865 г. сделал доклад на собрании Брюнского общества естествоиспытателей. Но в течение почти 35 лет в мире не было ни одного ученого, который мог бы по достоинству оценить работу ученого и продолжить его исследования. Они были " настолько хорошо забыты наукой", что в 1900 г. три исследователя - де Фриз в Голландии, Корренс в Германии и Чермак в Австрии, проводя свои исследования по делению клеток, вторично, независимо друг от друга, открыли законы Менделя. Честь и хвала им, что позже, обнаружив статью ученого, они уступили приоритет своего открытия законов наследственности их первооткрывателю - Менделю, высоко оценив его научный подвиг.

В начале XX в. было установлено, что описанные Менделем генетические факторы находятся в хромосомах клеточного ядра.

Параллельно с генетиками биохимики изучали химический состав ядер живых клеток. Впервые молекулы ДНК были выделены из ядер лейкоцитов швейцарским биохимиком Ф. Мишером во второй половине

XX в. Первоначально он назвал выделенное вещество нуклеином (от лат. nucleus -ядро). Затем работавший в той же лаборатории А. Коссель обнаружил, что в состав нуклеиновых кислот входят пуриновые и пиримидиновые основания и простейшие углеводы. В начале 1900 годов в лаборатории П. Левина в США был расшифрован углеводный компонент этих нуклеиновых кислот.

В установлении роли ДНК в клетках также было несколько этапов. Особенно усиленно разработкой этого вопроса занимались американские ученые. В 1944 г. именно в США группе ученых-микробиологов О. Эвери, К. Мак-Леоду и М. Мак-Карти удалось установить, что свободная молекула ДНК обладает трансформирующей активностью, т.е. способностью переносить свойства от одного организма к другому. Это было революционное открытие, родившее новую науку, изучавшую вопросы наследственности на молекулярном уровне. Центральное место в этой науке отводилось исследованию роли ДНК. ДНК, являясь " хранительницей" материальной основы генетической информации, контролирует биосинтез белка в клетках и отвечает за изменчивость клеток. Именно молекула ДНК отвечает за передачу наследственной информации от одной клетки к другой.

Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка

И все же рождение новой науки - молекулярной генетики связывают с опытами двух американцев Дж. Бидла и Э.Тэйтума. В 1941 г. они установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Появилась знаменитая фраза: " Один ген - один белок".

Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка, В 1952 году Дж. Бидл, Э.Тэйтум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии за эти исследования.

А в 1962 г. Нобелевская премия была присуждена Ф. Крику и Дж. Уотсону за установление молекулярной структуры ДНК. Молекулярная биология стремительно развивалась. На повестку дня был вынесен новый вопрос: каким образом записана генетическая программа и как она реализуется в клетке.

Напомним, что согласно модели Уотсона - Крика генетическую информацию в ДНК несет последовательность расположения четырех оснований: А, Т, Г и Ц. Необходимо было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот? Решил эту казалось бы неразрешимую проблему русский по происхождению американский физик-теоретик Г. Гамов. Он предложил для кодирования одной аминокислоты использовать сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодон. В 1961 г. гипотеза Г.Гамова была подтверждена американскими исследователями Ф. Криком и др. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при создании белков.

А вот расшифровка механизма репликации ДНК, т. е. самоудвоения молекулы ДНК. Матричная ДНК., состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек или нитей раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к ней. Термин комплементарность означает, что синтез новой цепи происходит таким образом, что последовательность нуклеиновых оснований в одной цепи ДНК однозначно определяет их последовательность в другой цепи.

Открытие молекулярно-генетических механизмов изменчивости

На молекулярно-генетическом уровне существует несколько механизмов изменчивости. Среди них - мутация генов - механизм непосредственного преобразования самих генов, находящихся в конкретной хромосоме при сильном внешнем воздействии. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не изменяется. Мутации (изменения) генов являются основными " поставщиками" материала для прямого действия отбора.

К другому типу механизмов можно отнести рекомбинацию генов, т. е. создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сами гены не изменяются, а происходит их перемещение генов с одного участка хромосомы на другой или же обмен генами между двумя хромосомами. Это так называемая классическая рекомбинация генов, которая имеет место, главным образом, у высших организмов при половом процессе. При этом не происходит уменьшения или увеличения общего объема генетической информации, он остается неизменным.

Однако, существует еще один тип изменчивости генов - нереципрокная рекомбинация или неклассическая рекомбинация генов, при котором происходит увеличение общего объема генетической информации. Этот тип изменчивости возникает за счет включения в геном клетки новых, привнесенных извне генетических элементов, которые носят название трансмиссивные (англ. - переносимые) генетические элементы. Начало изучения этого механизма изменчивости было положено в 1952г., когда П. Ледерберг и Н.Циндер открыли явление трансдукции (лат. - перемещения) генов. Суть этого явления состоит в возможности переноса молекул ДНК не в " голом виде", как при трансформации, а в составе вирусов бактерий.

В последнее время этот вид рекомбинации был тщательно изучен. Было обнаружено несколько типов трансмиссивных генов, различающихся структурой генома и способом связывания с хромосомой клетки-хозяина. Среди них - плазмиды - сложные генетические элементы в виде двухцепочной кольцевой ДНК, широко распространенные в клетках живых организмов, в том числе и высших. Это самые активные переносчики генетической информации. Именно им мы " обязаны" тем, что после длительного использования каких-либо лекарств, наступает " привыкание" к этим лекарствам. Патогенные бактерии, с которыми мы боремся медикаментозным путем, связываются с плазмидами, придающими этим бактериям устойчивость и новое лекарство перестает действовать на бактерии, они его как бы не замечают.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возникла новая наука - генная инженерия, целью которой стало создание новых форм организмов, в том числе и высших, наделенных свойствами ранее у них отсутствующих. Теоретическую основу этой науки составляет создание рекомбинантных (гибридных) молекул с новыми (нужными) свойствами. Наука вторглась в самое святое - создание новых живых организмов и научилась управлять этим процессом.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78