Законы  генетики Менделя. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот

 

    Сегодня любому школьнику известно, что наследственная информация организмов зашифрована  в ДНК.  Однако, чтобы доказать ученым это потребовалось несколько  десятков лет, а чтобы расшифровать строение и свойства нуклеиновых  кислот – более сто лет. B 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 над морщинистыми и т.д. Каждому из наследуемых признаков Мендель поставил в соответствие материальную частичку живого, передаваемого из поколения в поколение, - элементарную носительницу информации, и назвал ее геном. Изучая поведение и характер взаимодействия различных генов по их проявлению в потомстве, Мендель открыл свои знаменитые законы скрещивания генов и сделал доклад на собрании Брюнского общества естествоиспытателей. Но в течение почти 35 лет в мире не было ни одного ученного, 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 закон Менделя. Честь и хвала им, что позже, обнаружив статью ученого, они уступили приоритет своего открытия законов наследственности их первооткрывателю – Менделю, высоко оценив его подвиг. В начале ХХ века было установлено, что описанные Менделем генетические факторы находятся в хромосомах клеточного ядра.

    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 науке – молекулярной генетики связывают с опытом двух американцев Дж. Бидла и Э. Тейтума. В 1941 г. они установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферменов (белков). Появилась знаменитая фраза: «Один ген – один белок».

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

    А в 1962г. Нобелевская премия была присуждена Ф. Крику и Дж. Уотсону за установление молекулярного строения 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 4-ех оснований: А, Т, Г и Ц. Необходимо было выяснить, как всего 4 основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых 20 аминокислот? Решил эту казалось бы неразрешимую проблему русский по происхождению американский физик – теоретик Г. Гамов. Он предложил для кодирования одной аминокислоты использовать сочетание 3-х нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодон. В 1961 г. гипотеза Г. Гамова была подтверждена американскими экспериментальными  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, раскручиваются. Образуются 2 молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплиментарной к ней. Термин комплиментарность 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 на другой или же обмен генами между 2 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.

    Мигрирующие генетические элементы могут вызывать 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. 

    Открытие  клетки английским натуралистом Гуком. Изучение строения клетки Шванном 

    Когда Янсенс в 1590 г. и Галилей в 1610 г. сконструировали микроскоп, появилась возможность для изучения многих биологических проблем нового типа. Одним из первых использовал микроскоп Роберт Гук (1635 – 1707 гг.), который исследовал строение животных и растительных тканей. При помощи микроскопа с увеличением примерно в 30 раз Гук обнаружил клетки на срезе пробки. Позже Левенгук, пользуясь линзами, дававшими увеличение в270 раз, описал сперматозоиды человека, бактерии простейших и ядра в клетках крови. Эти наблюдения за клетками не сопровождались какими-либо существенными  успехами в теоретическом отношении до тех пор, пока в начале Х1Х века не была сформулирована клеточная теория.

    В Х1Х веке биология клетки быстро развивалась, Этому способствовали крупные достижения в создании линз для микроскопов. Броун в 1833 г. описал ядро растительной клетки, а Шлейден и Шванн в 1839 г. – ядрышко, Новой ступенью развития теории клетки явилась знаменитое положение их Вирхова (1855 г.) «Все клетки возникают только в результате деления существовавших ранее клеток»

    В 1880 г. Флеминг описал хромосомы и последовательность событий при митозе, а в 90-х годах прошлого века были выяснены и более сложные явления, происходящие в клеточном ядре во время мейоза. 

    Деление всего живого мира на прокариоты и эукариоты 

    В 60-ые годы микробиологи Р. Стэниэр и К. Ван – Нил предложили «поделить» весь живой мир по уровню клеточной организации на прокариоты и эукариоты. Проведя детальный анализ структур и функций множества бактерий, ученые обнаружили сходство между некоторыми их них, связанное со строением их клеток. Критериями для них являлись организация генетического аппарата, структура мембран и цитоплазмы, строение органов передвижения и строение клеточной стенки, и, наконец, степень организации самой клетки. Оказалось, что по всем этим критериям, прокариоты отличаются от эукариотов. После 1962 г. целый комплекс наук занимался изучением этой концепции, и было найдено множество подтверждений существования различий между ними, в том числе и на генетическом уровне. Вместе с тем в клетках обоего типа было и много общего, поэтому ученые выдвинули гипотезу, согласно которой прокариоты и эукариоты имеют одного эволюционного предка – архебактерии. Однако при дальнейшем исследовании оказалось, что эти клетки, совмещавщие признаки, как прокариотов, так и уэкариотов настолько не похожи на них, что ученым пришлось выделить их в отдельную ветвь – архебактерии. До сих пор между учеными  ведутся дискуссии по поводу того, являются ли архебактерии более древними по своему происхождению, чем прокариоты и эукариоты?

          

    Популяционно  – биоценотический  уровень 

    В настоящее время в рамках популяционной  биологии сформировались 2 тесно связанных  между собой направления –  биологическое и эволюционное. Главное  содержание биологического направления составляет изучение популяции и биоценозов, которые, будучи тесно связанные между собой и с окружающей природой, олицетворяют живые механизмы  круговорота веществ в природе. Биологическая популяционная биология исследует границы популяций или пространственную структуру популяций, а также изучает поведение животных в популяциях, их взаимодействия друг с другом (этологическую структуру популяций).

    Структура популяционного –  биоценотического уровня

 
 

      

      

      

      

    

    

    ПОПУЛЯЦИИ 

    Связи внутри популяций и между популяциями  служат основным механизмом сохранения их целостности. Было выяснено, что  популяция является метаболически  незамкнутой системой, в то время  как биоценоз – метаболически  замкнут на себя, т.е. внутри биоценоза круговорот веществ может совершаться без участия соседних биоценозов. В тоже время устойчивость биоценозов зависит как от взаимодействия с соседними биоценозами, так и от внутренней структуры.

    На  популяционно – биоценотическом  уровне решающую роль играет взаимодействие составляющих его сочленов. Это взаимодействие носит трофический характер, т.е. происходит обмен веществами и энергией между популяциями или биоценозами.

    Эволюционное  направление в популяционной  биологии связано с развитием учения о микроэволюции, т.е. об эволюционных процессах, происходящих за относительно короткие промежутки времени на ограниченных территориях, включающих в себя явления, протекающие в   популяциях и завершающиеся видообразованием.

       

    Контрольные вопросы 

    

1. Основные  открытия молекулярной биологии и молекулярной генетики.
2. Охарактеризуйте вклад Менделя в формирование генетики как науки.
3. Что является основной функцией генов?
4. Опишите историю открытия и изучения клетки.

 

     Лекция №14

    Тема: Биосферный уровень. Ноосфера

    (с. 74-78, с. 237 /1/; с. 365-373 /2/; с. 108-116 /3/) 

    

• Биосферный  уровень.
• Учение Вернадского о биосфере.
• Понятие ноосферы.

    Биосферный  уровень

 

    Сегодня общепризнанной является та система  взглядов на биосферу, которую создал В. И. Вернадский (1863-1945).

    Сам Вернадский ссылается на Ж.-Б. Ламарка, заметив, что «он дал нам представление  о роли биосферы в истории нашей  планеты». Однако Ламарк не пользовался  термином биосфера и в своем труде «Гидробиология» (1802г.) говорил лишь о том, что «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов».