Клонирование животных.
Напомним, что клонирование в биологии – метод получения нескольких идентичных организмов путем бесполого (в том числе вегетативного) размножения. Эти копии должны обладать идентичной наследственной информацией, т.е. нести идентичный набор генов.
Однако сейчас термин «клонирование» обычно используется в более узком смысле и означает копирование клеток, генов, антител и даже многоклеточных организмов в лабораторных условиях. Появившиеся в результате бесполого размножения экземпляры по определению генетически одинаковы, однако и у них можно наблюдать наследственную изменчивость, обусловленную случайными мутациями или создаваемую искусственно лабораторными методами.
Наибольшее интерес представляет клонирование многоклеточных организмов, которое стало возможным благодаря успехам генной инженерии. Создавая особые условия и вмешиваясь в структуру ядра клетки специалисты заставляют развиваться её в нужную ткань или даже в целый заранее намеченный организм. Причём открыты не только методы воспроизведения того организма, из которого клетка была взята, но и другого организма — того, от которого был взят только генетический материал. Появилась принципиальная возможность воспроизведения даже умершего организма. И даже тогда, когда от него остались минимальные части — лишь бы из них можно было выделить генетический материал.
Клонирование животныхвозможно с помощью экспериментальных манипуляций с яйцеклетками (ооцитами) и ядрами соматических клетокживотныхin vitroиin vivoподобно тому, как в природе появляются однояйцевыеблизнецы.
В окончательном виде проблема клонирования животных была решена группой Вильмута в 1997, когда родилась овца по кличке Долли — первое млекопитающее, полученное из ядра взрослой соматической клетки: собственное ядро ооцита было заменено на ядро клетки из культуры эпителиальных клеток молочной железы взрослой лактирующейовцы (рис.6).
Рис.1. Получение овечки Долли
Однако отметим, что успех сопутствовал лишь в одном из 236 опытов (!).
В дальнейшем были проведены успешные эксперименты по клонированию различных млекопитающих с использованием ядер, взятых из взрослых соматических клеток животных (мышь, коза, свинья, корова).
Дальнейшие эксперименты доказали, что в некоторых случаях ядра соматических (не зародышевых) клеток способны обеспечить нормальное развитие млекопитающих (что было показано на мышах).
Однако получение клона еще не означает получения точной копии клонированного животного.Например, в случае использования приемных матерей при клонировании млекопитающих невозможно обеспечить одинаковые условия, а значит трудно говорить об абсолютной точности клонирования исходной особи. На сегодняшний день ясно, что структурно-функциональные изменения ядер в ходе индивидуального развития животных достаточно глубоки: одни гены активно работают, другие «молчат». И чем организм более специализирован, чем выше ступенька эволюционной лестницы, на которой он стоит, тем эти изменения глубже и труднее обратимы.
Недавно было показано, что в соматических клетках в ходе их развития хромосомы последовательно укорачиваются на своих концах, а в зародышевых клетках специальный белок - теломераза достраивает, восстанавливает их.
Поэтому естественен вопрос, способны ли ядра соматических клеток полностью и эквивалентно заменить ядра зародышевых клеток в их функции обеспечения нормального развития зародыша.
Различают полноеичастичноеклонирование организмов. При полном воссоздаётся весь организм целиком, при частичном — организм воссоздаётся — соответственно — не полностью. Например, лишь те или иные его ткани. Одно из перспективных применений клонирования тканей — клеточная терапия в медицине. Такие клетки могли бы компенсировать недостаток и дефекты собственных тканей организма и не отторгаться при трансплантации. Это так называемоерепродуктивноеитерапевтическоеклонирование.
Наверное, можно говорить, что в принципе техническая задача получения клонированных животных решена, однако насколько точно эти животные копируют прототип - этот вопрос остается открытым. И оправдают ли результаты работ по получению подобных клонов те затраты, которые они потребуют?
Мы с вами смогли разобраться еще в одной непростой теме, и заслуженная награда показана на рисунке.
Эволюция живого
Эволюция - процесс длительных, постепенных,
медленных изменений, которые в конечном итоге
приводят к изменениям коренным, качественным,
завершающимся возникновением новых
материальных систем, структур, форм и видов.
Первые эволюционные теории были созданы двумя великими учеными 19 века - Ж.Ламарком и Ч.Дарвином.
Ламарк впервые выделил два самых общих направления эволюции: восходящее развитие от простейших форм жизни ко все более сложным и совершенным и формирование у организмов приспособлений в зависимости от изменений внешней среды (развитие "по вертикали" и "по горизонтали").
В своих трудах Ламарк отмечал историческое развитие организмов, которое имеет не случайный, а закономерный характер и происходит в направлении постепенного и неуклонного совершенствования.
Движущей силой развития живого Ламарк считал "стремление природы к прогрессу", "стремление к совершенствованию", изначально присущее всем организмам и заложенное в них Творцом.
Дарвин в своем основном труде "Происхождение видов путем естественного отбора" (1859) раскрыл основные факторы эволюции органического мира. Гипотезу происхождения человека от обезьяноподобного предка Дарвин предложил в книге "Происхождение человека и половой отбор" (1871).
В основе теории эволюции Дарвина - понятие наследственности, которое понимается как свойство организмов повторять в ряду поколений сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом.
Наследственность вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы.
Дарвин называет главные причины эволюции – борьбу за существование и естественный отбор.
Понятие "борьба за существование" отражает те факты, что каждый вид производит больше особей, чем их доживает до взрослого состояния, и что каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает во множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды.
Дарвин выделял три вида борьбы за существование:
1. Внутривидовая
2. Межвидовая
З. Борьба с неблагоприятными условиями неживой природы.
Основной природный инструмент эволюции - изменчивость. При этом на первое место по значению для эволюции видов Дарвин поставил индивидуальную (неопределенную) изменчивость.
Неизбежным результатом борьбы за существование и наследственной изменчивости организмов, по Дарвину, является процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных - естественный отбор.
По иному Дарвин определял и цель эволюции: видообразование.
Слабым местом в учении Дарвина были представления о наследственности. Шотландский инженер Флеминг Дженкин вошел в историю биологии, выдвинув возражения против теории Дарвина: «Если отбор оставляет в живых те особи, которые лишь незначительно отличаются от других, то уже при следующем скрещивании наступает «поглощение» новых признаков, т.к. партнер по скрещиванию вероятнее всего не имеет этого нового свойства - произойдет растворение признаков в потомстве».
Это означает, что в результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями, которые ими не обладают, первые передадут эти признаки потомству в ослабленном виде, и полезный признак быстро растворится в потомстве.
Сам Ч.Дарвин вынужден был признать эти доводы весьма убедительными, и не мог дать ясного и четкого ответа. Эти возражения могут быть опровергнуты только в рамках современной теории эволюции.
Синтетическая теория эволюции (СТЭ)- современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма.
Синтетическая теория эволюции (СТЭ) отличается от дарвиновской по ряду важнейших пунктов:
СТЭ выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция.
Это - популяция (т.е. совокупность индивидов одного вида, способных скрещиваться между собой), а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций;
В качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции;
СТЭ шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них основные и неосновные. К ведущим факторам относят сейчас мутационные процессы, популяционные волны численности и изоляцию.
Материалом для эволюции являются мутационная и рекомбинационная изменчивость.
Естественный отбор рассматривается как главная причина развития адаптаций, видообразования и происхождения надвидовых таксонов.
Дрейф генов и принцип основателя выступают причинами формирования нейтральных признаков.
Таким образом, синтетическую теорию эволюции можно охарактеризовать как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически.
Напомним, что вид есть система популяций, репродуктивно изолированных от популяций других видов, и каждый вид экологически обособлен; видообразование заключается в возникновении генетических изолирующих механизмов и осуществляется преимущественно в условиях географической изоляции.
Важнейшим фактором эволюции является мутационный процесс, который исходит из признания неоспоримого факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций - изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами. Исходя из этого, нетрудно опровергнуть нападки Дженкина: ясно, что аппарат наследственности сформирован отдельными структурными и функциональными единицами – генами и передается по наследству без изменения.
Предложим следующие основные вехи эволюционного развития организмов:
1. Появление простейших клеток - прокариотов.
Около 3,9 млрд лет назад появились одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели, как современные бактерии, и архебактерии. Как древние, так и современные прокариотные клетки устроены относительно просто: они не имеют оформленного ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК – носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.
2. Появление клеток - эукариотов.
Почти 2 млрд лет понадобилось природе, чтобы появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили свое строение за счет поглощения других прокариотных клеток. Одни из них – аэробные бактерии – превратились в митохондрии – энергетические станции кислородного дыхания. Другие – фотосинтетические бактерии – начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие эти органеллы и четко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни – от плесневых грибов до человека.
3. Объединение клеток эукариотов с образованием многоклеточных организмов; функциональная дифференциация клеток в организмах.
1,2 млрд лет назад произошел взрыв эволюции, обусловленный появлением полового размножения и ознаменовавшийся появлением высокоорганизованных форм жизни – растений и животных. Образование новых вариаций в смешанном генотипе, возникающем при половом размножении, проявилось в виде биоразнообразия новых форм жизни.
4. Появление организмов с твердыми скелетами.
Примерно 400 млн лет назад появились органические беспозвоночные формы с твердым скелетом (моллюсков, членистоногих).
Затем появляются земноводные, примитивные рептилии, спиралевидные моллюски, и наконец, динозавры.
5. Возникновение у высших животных развитой нервной системы.
6. Формирование мозга.
7. Формирование разума - высшей формы деятельности мозга.
8. Образование социальной общности людей.
Не имея возможности останавливаться на всех этапах эволюции живого, обсудим вопрос о возникновении человека.
В современной антропологии наиболее распространенной является точка зрения, по которой "эволюция человеческой линии заняла не свыше 10 млн. лет, а обезьяний предок гоминид имел черты сходства с шимпанзе, был по существу "шимпанзеподобен"...
(Так, недавно на основе известных сведений об ископаемых приматах была высказана гипотеза о том, что разделение ветвей человек - шимпанзе произошло около 4 млн лет тому назад.)
Основные этапы развития человека на Земле показаны на рис.1.
Рис.1. Генеалогическое древо человека.
1 - плезиадацис, 2 - дриопитек африканский, 3 - рамапитек, 4 - австралопитек, 5 - австралопитек войсен, 6-7 - Homo erectus, 8 - неандерталец, 9 - Homo sapiens, 10 - современный человек.
1970-х годах в Восточной Африке были открыты остатки необычайно древних человеческих видов Ното habilius иНото erectus, костные остатки из Эфиопии, принадлежащие так называемой «Люси» и ее австралопитековым сородичам (рис.2).
Рис.2. Австралопитеки
Долгое время ученые считали, что эволюция человека была более-менее линейной: одна форма сменяла другую, и каждая новая была прогрессивнее, ближе к современному человеку, чем предыдущая. Сейчас ясно, что все было гораздо сложнее. Эволюционное древо гоминид оказалось весьма разветвленным. Временные интервалы существования многих видов сильно перекрываются. Иногда несколько разных видов гоминид, находящихся на разных "уровнях" близости к человеку, сосуществовали одновременно. Например, еще в сравнительно недавнем прошлом - всего-навсего 50 тысяч лет назад - на Земле существовало как минимум целых 4 вида гоминид: Homosapiens,H.neandertalensis,H.erectusиH.floresiensis.
На рис.3 показана реконструкция черепа «Пекинского человека» («синантропа»).
Рис.3. Реконструкция черепа «Пекинского человека» (в современной антропологии классифицируется как Homo erectus.)
Возникновение современных людей, вида Ното sapiens.