Модуль 2. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДОСТИЖЕНИЙ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В ИНФОРМАЦИООННЫХ, КОММУНИКАЦИОННЫХ И МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ, А ТАКЖЕ В БИОТЕХНОЛОГИЯХ

Тема 6. Естественнонаучные представления, лежащие в основе перемещения информационных потоков и организации современных технологий управления, важнейших достижений химии и биотехнологии

Лабораторная работа № 8

Исследования возможностей и основных тенденций в области развития биотехнологий

1. Определение места биотехнологий в современной экономике.

Мы подходим к завершению изучения дисциплины «Концепции современного естествознания». Давайте вспомним «логику» нашего движения, чтобы понять, что нам осталось изучить в последнем занятии.

Великая наука диалектика, рожденная еще древними греками, говорит о том, что в основе всякого развития лежат противоречия, которые существуют в обществе, в экономической сфере. Изучение подобных противоречий современности – это большой пласт самых разнообразных проблем.

Изначально при отборе учебного материала мы исходили из того, что экономика (от др.-греч. οἶκος — дом и νόμος — правило, закон, то есть в целом буквально «правила ведения хозяйства»)  это прежде всего помогающая удовлетворить потребности человека хозяйственная деятельность общества, главная функция которой состоит в том, чтобы постоянно создавать такие блага, которые необходимы для жизнедеятельности людей и без которых общество не сможет развиваться.

Экономика представляет собой особым образом упорядоченную систему элементов и связей между производителями и потребителями материальных и нематериальных благ и услуг, сложный и всеохватывающий организм, который обеспечивает жизнедеятельность каждого человека и общества в целом. Подобный организм обычно называют экономической системой.

Важнейшими элементами экономической системы являются производительные силы, производственные возможности, экономические ресурсы, результаты хозяйственной деятельности, производственные отношения. Экономическая система (англ. economic system) это также совокупность всех экономических процессов, совершающихся в обществе на основе сложившихся в нём отношений собственности и хозяйственного механизма.

В любой экономической системе первичную роль играет производство. Производство — это процесс создания материальных и духовных благ, необходимых для существования и развития человека. Во всех экономических системах для производства требуются средства производства и экономические ресурсы, а результаты хозяйственной деятельности распределяются, обмениваются и потребляются. Поэтому диалектика общественного развития такова, что во все времен люди занимались совершенствованием производительных сил, совершенствовали технологию, занимались проблемами потребления.

Великий новатор и организатор автомобилестроения США Генри Форд в начале ХХ века писал: «Цель моя состояла в том, чтобы производить высококачественную продукцию с минимальной затратой материала и человеческой силы и продавать с минимальной прибылью, выделять максимум заработной платы, иначе говоря, сообщать максимальную покупательную способность».

В литературе вы можете прочитать, что экономическая наука (Дж. Гэлбрейт, Р. Арон и др.), по степени развития производительных сил и производства, используя критерий «степень индустриального развития общества», выделяет три стадии индустриальной цивилизации:

- доиндустриальное (аграрное) общество;

- индустриальное общество;

- постиндустриальное общество.

В доиндустриальном обществе преобладают использование мускульной энергии животных и человека, сельское хозяйство и ручной труд. Оно существовало до периода развертывания промышленной революции.

В индустриальном обществе ведущую роль играло крупное механизированное промышленное производство.

Новой, наиболее развитой стадией человеческой цивилизации, начало которой положила научно-техническая революция, развернувшаяся во второй половине XX в., является постиндустриальное общество. В постиндустриальном обществе доминируют наука, принципиально новые виды техники и технологий, информатика, компьютеризация, автоматизация и роботизация всех сфер экономики и управления. В общественном производстве на первый план выдвигаются «высокие технологии» (high-tech), интеллектуальный капитал, знания, сфера услуг (образование, здравоохранение, культура, производство духовных благ и т. п.).

Всему, что было важно, наш взгляд, для развития экономики, для развития производительных сил, мы уделяли внимание.

В настоящее время для того чтобы создавать так называемую «умную» экономику на основе опережающего развития науки и динамичной реализации её достижений, для оценки успешности выполнения стоящих задач, используют еще один особый интегрирующий показатель, на роль которого сегодня всё чаще претендует понятие «технологический уклад». Понятие «уклад» означает обустройство, установившийся порядок чего-либо. Технологический уклад характеризуется единым техническим уровнем составляющих его производств, связанных потоками качественно однородных ресурсов, опирающихся на общие ресурсы квалифицированной рабочей силы, общий научно-технический потенциал и др.

Появлением понятия «технологический уклад» мир обязан, учёному-экономисту Николаю Дмитриевичу Кондратьеву. Изучая историю капитализма, Кондратьев пришёл к идее существования больших — протяжённостью в 50—55 лет — экономических циклов, для которых характерен определённый уровень развития производительных сил («технологический уклад»). Как правило, такие циклы заканчиваются кризисами, за которыми следует этап перехода производительных сил на более высокий уровень развития.

Использование понятия «технологический уклад» позволяет получить целостное представление об историко-экономическом процессе развития человечества, адекватно отобразить те структурные сдвиги, которые совершаются в современной экономике, а также глубже познать суть осуществляющихся технологических преобразований, выявить специфические особенности на каждой ступени данного процесса, научно обосновать на этой основе конкретные рекомендации по выработке новой концепции стратегического развития страны с качественно иными технологическими укладами.

В современной экономической теории со сменой технологических укладов в общественном производстве связывается чередование деловых циклов. Жизненный цикл технологического уклада имеет три фазы развития и определяется периодом примерно в сто лет. Первая фаза приходится на его зарождение и становление в экономике предшествующего технологического уклада. Вторая фаза связана со структурной перестройкой экономики на базе новой технологии производства и соответствует периоду доминирования нового технологического уклада в течение пятидесяти лет. Третья фаза приходится на отмирание устаревающего технологического уклада. При этом период доминирования технологического уклада характеризуется наиболее крупным всплеском в его развитии.

Зарубежные аналитики — ученики и последователи Н. Д. Кондратьева — сходятся во мнении, что мировая экономика сегодня переживает завершение очередного «Кондратьевского» цикла, который характеризуется большими экономическими потрясениями и кардинальными изменениями в составе и структуре производительных сил.

Согласно теории длинных волн Кондратьева научно-техническая революция развивается волнообразно, с циклами протяженностью примерно в пятьдесят лет.

Известно пять технологических укладов (волн).

Первая волна (1785-1835 гг.) сформировала технологический уклад, основанный на новых технологиях в текстильной промышленности, использовании энергии воды.

Вторая волна (1830-1890 гг.) - ускоренное развитие транспорта (строительство железных дорог, паровое судоходство), возникновение механического производства во всех отраслях на основе парового двигателя.

Третья волна (1880-1940 гг.) базируется на использовании в промышленном производстве электрической энергии, развитии тяжелого машиностроения и электротехнической промышленности на основе использования стального проката, новых открытий в области химии. Были внедрены радиосвязь, телеграф, автомобили.

Четвертая волна (1930-1990 гг.) сформировала уклад, основанный на дальнейшем развитии энергетики с использованием нефти и нефтепродуктов, газа, электроники, средств связи, новых химических и синтетических материалов. Это время массового производства основе конвейерной технологии автомобилей, тракторов, самолетов, различных видов вооружения, товаров народного потребления. В это время вследствие развитии микроэлектроники появились и широко распространились «большие» компьютеры (электронно-вычислительные машины - ЭВМ) и программные продукты для них. В мирных целях стал использоваться атом (рис.1).

Пятая волна (1985-2035 гг.) опирается на достижения в области создания новых видов материалов, электронной промышленности, сильноточной полупроводниковой электроники, микроэлектроники, информатики, биотехнологии, генной инженерии микроорганизмов. К элементам пятого технологического уклада относят следующие отрасли: телекоммуникации, информационные услуги, персональную вычислительную технику малых размеров, программное обеспечение, авиационную промышленность, широкое производство и потребление газа.

Рис.1. Базовые направления технологических укладов.

Ядром формирования пятого уклада можно назвать малоэнергозатратную технику, которая соединяет в себе механику и электронику (говорят - мехатронику), тонкую химию (особо ценные продукты, предназначенные для питания человека, животных, а также для производства косметических и лекарственных средств), микроэлектронные компоненты, биотехнологии микроорганизмов. Основными преимуществами данного технологического уклада, по сравнению с предыдущим (четвертым) укладом, являются: индивидуализация производства и потребления, преобладание экологических ограничений на энерго- и материалопотребление, что достигается на основе автоматизации производства и использования экономичных технологий. На основе новых транспортных и телекоммуникационных технологий, соединения электронной сетью, на основе Интернета, происходит тесное взаимодействие в области технологий, контроля качества продукции, планирования инноваций.

Заметим, что в США, доля производительных сил пятого технологического уклада составляет примерно 60%, четвёртого — 20%. А около 5% уже приходятся на шестой технологический уклад.

Сегодня мир стоит на пороге шестого технологического уклада, связанного с переходом от ресурсоемкой к наукоемкой промышленности, с движением к информационному обществу. Шестой уклад базируется в первую очередь на таких направлениях, как нанонауки и нанотехнологии, глобальные информационные и коммуникационные сети, эффективное использование и сохранение энергии во всех сферах деятельности человека, как создание транспортной системы, не наносящей вред окружающей среде, как формирование биоэкономики, которая производит биологические ресурсы (рис.1). Его контуры только начинают складываться в развитых странах мира, в первую очередь в США, Японии и КНР, и характеризуются нацеленностью на развитие и применение наукоёмких, или, как теперь говорят, «высоких технологий». У всех на слуху такие, как говорят сейчас инновационные отрасли, как био- и нанотехнологии, генная инженерия, мембранные и квантовые технологии, фотоника, микромеханика, альтернативная энергетика, цифровое управление. Синтез достижений на этих направлениях должен привести к созданию, например, квантового компьютера, искусственного интеллекта и, в конечном счёте, обеспечить выход на принципиально новый уровень в системах управления государством, обществом, экономикой. Специалисты по прогнозам считают, что при сохранении нынешних темпов технико-экономического развития, шестой технологический уклад начнёт оформляться в 2014—2020 годах, а в фазу зрелости вступит в 2040-е годы. При этом в 2020—2025 годах произойдёт новая научно-техническая и технологическая революция, основой которой станут разработки, синтезирующие достижения названных выше базовых направлений. При этом «локомотивными» отраслями при движении на этом пути станут нанотехнологии, биотехнологии, робототехника, новая медицина и фармакология, полномасштабные технологии виртуальной реальности, новое природопользование. Для подобных прогнозов есть основания.

Мы, изучая концепции современного естествознания, рассматривая обустройство окружающего нас мира в координатах «вещество- поле - информация», неоднократно подчеркивали, что познание человека проникает во все более «тонкие» и сложные структуры материи, в так называемые микромир и наномир. В мир, где частицы и системы частиц, которые имеют размеры от 1 микрометра до нанометров. На протяжении последних лет многие современные технологии (прежде всего проводниковые и компьютерные технологии) оперируют частицами в микромасштабе (порядка 10^-6 метра и менее), а наиболее продвинутые уже совершили переход от микромира в наномир (1 нанометр – 10^-9 м).

Вам уже известно, что использование элементов наномира для так называемых нанотехнологий обусловлено тем, что человечество осознало, что идти по пути сегодняшних ресурсоемких и энергозатратных технологий расточительно и, скорее всего, гибельно для цивилизации. В предыдущие 200 лет развитие промышленности было достигнуто ценой задействования около 80% ресурсов Земли. Это было обусловлено тем, что человечество использовало технологии, которые ранее не ограничивались в используемых ресурсах. Большинство сегодняшних технологий работают, как «скульпторы», обтесывающие ненужное в камне – преимущественно удаляют все лишнее. Это, как несложно догадаться, очень материально - и энергозатратно. Вам известно, что, в частности в машиностроении, сначала, перерабатывая большое количество руды, делаются заготовки, потом они, к примеру, обтачиваются и с них удаляется «лишнее». Например, чтобы сделать изделие весом 100 граммов, необходимо при современном производстве затратить несколько килограммов исходного металла и других материалов. При этом значительная часть исходных материалов идет в отходы, которые надо куда-то девать. Есть оценки, по которым примерно 80 процентов ресурсов идет в отходы.

Ресурсов веществ на Земле становится все меньше, поэтому, как нетрудно догадаться, надо идти совершенно по иному пути – «собирания» изделия из молекул, например, напылять детали, конструируя форму из микрочастиц. Аналогично поступает Природа, которая нас не «обтесывает» из слона, а создает из белка, путем размножения органических наночастиц. Как мы уже отмечали, в этом плане многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются новыми аллотропными формами углерода, со структурами, которые можно назвать общим термином углеродные каркасные структуры. Вам известно, что углеродные каркасные структуры - это большие (а иногда и гигантские) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода.

Использование наномира для потребностей человечества позволяет экономить не только материалы, но и энергию. Это заставляет современных ученых задуматься об использовании наномира, об использовании нанотехнологий для решения проблем энергопотребления. Это весьма важно, поскольку энергоресурсы также исчерпаемы и не следует забывать о грядущих поколениях. Вам, к примеру, известно, что использование нанотехнологий для создания полупроводниковых источников искусственного дневного света, которые имеют КПД порядка 90%, их срок службы порядка 10 лет, позволяет сэкономить значительное количество вырабатываемой электроэнергии и не строить электростанции.

Имеются и другие перспективные направления индустрии наносистем (рис.2).

Рис.2. Индустрия наносистем

Шестой технологический уклад связывают также с использованием значительного количества различной информации. Мы уже говорили о том, что мир вступает в эру пентабайта. Один пентабайт, равный 1024 терабайта, скоро станет обычным числом для измерения компьютерной памяти и файлов. Общество, использующее такие объемы информации, получило название информационного общества.

При переходе к информационному обществу возникает новая индустрия переработки информации на базе компьютерных и телекоммуникационных информационных технологий, поэтому таком обществе информация легко и быстро достигает пользователя, выдается в привычной для него форме. В информационном обществе, как вам известно, есть все необходимые средства для хранения, распределения информации, а также для её использования. Информационное общество – это общество, в котором большая часть населения занята получением, переработкой, передачей и хранением информации, особенно высшей её формы – знаний.

Картина информационного общества, созданная теоретиками, уже в наши дни постепенно приобретает зримые очертания. В информационном обществе информация является главным ресурсом, поскольку именно на основе владения информацией о самых различных процессах и явлениях можно эффективно и оптимально строить любую деятельность. Можно обоснованно предполагать, что в информационном обществе деятельность людей будет сосредоточена главным образом на обработке информации, а не на материальном производстве. При этом производство необходимых материалов и энергии будет возложено на машины. Не случайно говорят, что мир вступает в эру информатизации и компьютеризации, что постиндустриальная эпоха в третьем тысячелетии сменяется информационной, имеет место переход от постиндустриального общества к информационному. Важнейшей чертой такого общества является информатизация – процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей общества на основе формирования и использования информационных ресурсов (рис.3). Цель информатизации - улучшение качества жизни людей за счет увеличения производительности и облегчения условий их труда.

Рис.3. Основные технологии информационно- коммуникационных систем

В информационном обществе информация становится важным производственным фактором: благодаря новым информационным технологиям и автоматизации, используя минимальное количество сырья, энергии и трудовых затрат, можно изготовить оптимальным образом различные товары с совершенно новыми потребительскими свойствами. Причем, впервые, в связи с массовым распространением компьютеров и успехами в создании программных средств, человек за всю историю развития цивилизации, получил возможности для эффективного усиления своей интеллектуальной деятельности, для использования информационных ресурсов.

Помимо отраслей, связанных с так называемой «неживой материей» среди производительных сил, определяющих развитие экономики пятого и шестого уклада, имеется также отрасль, занимающаяся «живой материей» и живыми организмами, которую называют биотехнологией.

Биотехнология пограничная между биологией и техникой наука и сфера практики, изучающая пути и методы изменения окружающей человека среды в соответствии с его потребностями. К биотехнологии относится любое производство, в котором используются живые организмы и продукты их жизнедеятельности.

Вам известно, что вещества, выделяемые из неживых объектов, принято называть неорганическими. Мы говорили, например, о металлических минеральных ресурсах, извлекаемых из Земли, из которых получают железо, алюминий, титан, магний и пр. Человек научился создавать вещество, не имеющее аналогов в живой природе, - бетон, стекло, синтетику. В настоящее время широко используются неорганические строительные материалы – цемент, песок, гравий, асбест и другие. В микроэлектронике, как мы отмечали, используется кремний. Как правило, перечисленные вещества, составляющие основу многих конструктивных материалов и изделий – стабильны, жаростойки и по большей части невоспламеняемые.

Вместе с тем, несмотря на то, что человечество широко использует созданный им вещественно-энергетический мир, не имеющий аналогов в природе, как и многие тысячелетия тому назад, человек удовлетворяет свои самые важные потребности, например, в пище, за счет продуктов живой природы. И большинство экономик мира находятся в существенной зависимости, от «живых» ресурсов биосферы.

Еще в 1807 году, элементы, выделяемые из живой (или из ранее живой) ткани, получили отдельное название – органические вещества, поскольку содержались изначально в организмах. Органическую химию выделяют как особую науку потому, что органические вещества являются основным материалом (кроме воды), из которого построены организмы растений, животных, человека.

Хотя чисто формально к органическим веществам относят, в первую очередь, соединения углерода с другими элементами, органические вещества, являясь основой всего живого, представляют собой особую ступень развития химических взаимодействий. Прежде всего, живые организмы резко отличаются от неорганических веществ, от неживых систем своей исключительной сложностью, высокой структурной и функциональной упорядоченностью. Именно эти отличия придают жизни качественно новые свойства.

Все животные, растения, бактерии и вирусы представляют собой состоящие из органических молекул организмы, представляющие «машины выживания». Разные типы организмов, по-видимому, сильно различаются как внешне, так и по внутреннему строению. Осьминог ничем не похож на мышь, а оба они сильно отличаются от дуба. Подсчитать общее число всех существующих на земном шаре машин выживания очень трудно; нам неизвестно даже общее число видов организмов. Согласно оценкам, число ныне живущих видов одних лишь насекомых достигает примерно трех миллионов, а число отдельных особей, возможно, составляет 10¹⁸.

Между тем, несмотря на такое обильное разнообразие живые организмы очень «похожи» друг на друга.

Во-первых, по основному химическому составу они довольно сходны, поскольку представлены органическими молекулами, которые в своей основе одинаковы у всех живых существ — от бактерий до слонов.

Во-вторых, практически все живые организмы, существующие на Земле, объединяет то, что они состоят из одних и тех же групп биологических полимеров, выполняющих определенные функции.

Наконец. В организме каждую секунду происходят тысячи химических реакций – сосчитать их просто невозможно. Однако последовательность биохимических превращений, обеспечивающих обменные процессы, у них сходна вплоть до деталей.

Уже в 1820 году считалось, что все органические вещества должны принадлежать к одной из трех групп: углеводов, жиров и белков (или, как их еще называют, протеинов). Если говорить о хорошо знакомых нам веществах, то сахар, виноградный сахар -глюкоза и крахмал – углеводы [группа с общей формулой (СН₂О)_n], оливковое и подсолнечное масло – жиры, а желатин и яичный белок – белки. Самыми сложными по структуре и важными по функциям являются белки. Само английское название «протеин» происходит от греческого слова, означающего «самое важное».

Белки - это стержень жизни, явления также хрупкого и уязвимого, как они сами. Другое название белков – протеины, от латинского слова protos- первый, что говорит о важнейшей роли белков. Вы должны понимать, что хрупкость и неустойчивость живой ткани по сравнению, скажем, с камнем является лишь отражением тонкости сложности строения белка. Любые изменения в окружающей среде, способные нарушить деятельность белков, могут нанести вред живому организму или даже привести к его смерти.

Надо иметь в виду, что все живое, как и вещества, выделяемые из живой ткани, легко разрушаются под воздействием высокой температуры. Все они в той или иной степени горючи, а если их нагревать в отсутствии кислорода, чтобы исключить вероятность возгорания, - все равно распадаются, выделяя газ и претерпевая необратимые изменения. Например, если раствор белка начать подогревать, то в нем происходят необратимые изменения, белок перестает выполнять свои функции и разрушается. Разрушить белок может контакт с кислотой или со щелочью, воздействие солевого раствора или ионизирующей радиации.

Человек давно понимал, что все необходимые для жизни человека сложные вещества, получаемые с пищей, в организме раскладываются на более мелкие составляющие, а эти составляющие усваиваются, и из них формируются новые вещества, в которых нуждается организм. Некоторые из поступающих с пищей веществ проходят расщепление, и при этом выделяется необходимая организму энергия, а неиспользуемые отходы выводятся вовсе. Поэтому с давних пор человека интересовала совокупность методов получения полезных для человека продуктов (пища, лекарства) с помощью биологических органических агентов (микроорганизмов, вирусов, растений и животных).

Отрасль, которая занимается живыми организмами и органическими веществами, химическими реакциями, происходящими в живой природе, а также получением необходимых человеку продуктов, веществ и процессов, используя микроорганизмы, и называется биотехнологией.

Согласно определению созданной в 1978 году Европейской биотехнологической федерации, биотехнология, основываясь на применении знаний и методов биохимии, микробиологии, генетики. Химической технологии, позволяет в ходе технологического процесса получать вещества и соединения, важные для жизни и благосостояния людей, с помощью легкодоступных и возобновляемых ресурсов.

Зарождение биотехнологии связано с производством вина и сыра в глубокой древности. Разумеется, тогда этот термин ещё не употреблялся. В наши дни биотехнология внедряется во многие жизненно важные для человека отрасли (рис. 4) и уже не так просто понять, где границы применимости биотехнологии, потому, что она комбинируется с другими областями науки и техники - молекулярной биологией, генетикой, генной инженерией, биохимией, химической технологией и т.д.

Биотехнология микроорганизмов, как вам уже известно, уже давно применяется для нужд самых различных отраслей:

1. В пищевой промышленности она используется для производства лимонной кислоты, аминокислот и других пищевых добавок;

2. В сельском хозяйстве с ее помощью получают средства защиты растений;

3. В медицине ее применяют для получения антибиотиков, интерферонов, витаминов, вакцин и другие препаратов;

4. В энергетике биотехнологии используют для получения биогаза, этанола и тепловой энергии;

5. Наконец, в химической промышленности с помощью биотехнологий получают этилен, ацетон, бутанол и другие вещества.

Рис.4. Применения биотехнологии

Надо отметить, что названное - это далеко не все применения современной биотехнологии. Дело в том, что в биологии последних десятилетий произошла целая цепь чрезвычайно важных открытий. Наиболее впечатляют работы, определившие роль ДНК как носителя наследственной информации, расшифровка генетического кода, разработка технологии рекомбинантных молекул ДНК (лежащая в основе генной инженерии), секвенирование геномов бактерий, дрожжей, и прочее. В целом в настоящее время биология, как наука о сложном, в значительной степени завершила «инвентаризацию» — изучение деталей, из которых состоит живая клетка, организм, и сейчас стремительно превращается из науки, изучающей детали (т.е. науки аналитической), в науку, занимающуюся синтезом целого из деталей. Это открыло новые перспективы к тому, что биотехнология, как прикладная биология, вышла на новый более зрелый этап. При этом развитые страны мира уже давно поняли, что будущее за биотехнологией, открывающей воистину фантастические возможности в сельскохозяйственном производстве, медицине и других сферах деятельности.

Итак, сказанное свидетельствует о том, что под воздействием научно-технической революции на основе технологических преобразований в рамках мирового сообщества в современной экономике происходит качественный скачок в развитии производительных сил, в результате чего происходят структурные сдвиги и формируется новая структура общественного производства.

В этом движении потенциал возможностей и спектр возможных применений превращает биотехнологию в один из ведущих факторов модернизации экономики и улучшения жизни граждан в нашей стране.

2. Изучение основных понятий, касающихся клетки организмов

2а. Строение живой клетки

Чтобы стало более понятным, что представляет собой современная биотехнология, начнем с того, что вспомним, как в биологии представляют клетку организма- основную структурную и функциональную основу живых существ. Понимание строения живой клетки важно и с точки зрения того, что тело человека состоит в среднем из 10¹⁵ клеток.

Вам из биологии известно, что есть живые организмы, не имеющие клеточного ядра - прокариоты и эукариоты – организмы, в чьих клетках есть ядро и окруженные двойной мембранной органеллы. Термины «прокариот» и «эукариот» возникли от древнегреческого карион – орех, ядро и обозначают прокариот –до ядра и эукариот – с ядром. Самые маленькие из живых организмов называют protozoa или простейшие. Некоторые из них едва видны невооруженным взглядом, но большинство имеют микроскопические размеры. Именно поэтому они изучаются под микроскопом.

Представитель простейших, например, амеба, состоит из крошечной капли желеобразной жидкости, называемой протоплазмой. Эта капля протоплазмы отделена от воды, в которой живет амеба, очень тонкой мембраной. Протоплазма, отделенная мембраной от внешней среды, называется клеткой. Хотя амеба и имеет микроскопические размеры, она выполняет все существенные жизненные функции. Она может захватывать частицы пищи, которые меньше ее по объему, переваривать их и выбрасывать «не переварившиеся» остатки (рис.4). Она может расти, и когда она дорастает до определенного размера, то может разделиться надвое так, что на месте одной амебы сформируются две. Причем новые дочерние клетки будут иметь все характеристики старой родительской клетки.

Рис.4. Выполнение простейших жизненных функций клеткой

Помимо простейших жизнь представлена живыми организмами, которые состоят из множества клеток, тесно прилегающих друг к другу. Многоклеточный организм представляет собой систему, сложный ансамбль из множества клеток, объединенных в системе тканей и органов, связанных друг с другом с помощью химических, гуморальных и нервных факторов. Так как каждая их этих клеток имеет приблизительно тот же размер, что и простейшая клетка, то для того, чтобы образовать, к примеру, крупное животное, их требуется достаточно много. Человек, например, состоит из триллионов и триллионов микроскопических клеток.

Тело многоклеточных организмов образовано из различных, высокоспециализированных клеток с оформленным ядром и цитоплазмой, разделенной внутренними мембранами на отдельные части (органоиды). В зависимости от выполняемых функций эти клетки могут иметь разное строение, размеры. Процесс деления человеческих клеток сходен с делением простейшей клетки и человеческие клетки также сохраняют свои характеристики после деления, как и protozoa.

Трудно себе представить живое существо в виде облака или раствора. Поэтому Вы должны понимать, что для того, чтобы зародится в водах древних водоемов и не растворится, рано или поздно, преджизнь должна была обзавестись собственной оболочкой. И идеальным материалом для этого являются липиды (жиры), молекулы которых способны образовывать на поверхности воды тончайшие пленки. Наружная оболочка из липидов это важная часть клетки, возникшая в процессе ее выживания.

Липиды (от греч. λίπος, lípos — жир) — жирные кислоты, а также их производные. При этом липиды могут быть разными. Молекулы простых липидов состоят из спирта и простых жирных кислот, а сложных — из спирта, высокомолекулярных жирных кислот.

В липидах также возможно наличие фосфорной кислоты, углеводов, азотистых оснований и др., в которые погружены белки

Белки (протеины, полипептиды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. Эти белки часто выступают из липидного слоя одной или обеих сторон мембраны. Двойной слой липидных молекул обращен друг к другу гидрофобными (гидрофобность -это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой) участками, а внешняя и внутренняя поверхности билипидного слоя образованы гидрофильными (гидрофильность - способность вещества (материала) смачиваться водой) участками молекул

Полупроницаемая оболочка, окружающая живую клетку, называется мембраной. Оболочка клетки, называемая клеточной мембраной, выполняет следующие функции:

а) разделение содержимого клетки и внешней среды;

б) регуляцию обмена веществ между клеткой и средой;

в) обеспечение протекания некоторых биохимических реакций;

г) объединение клеток в ткани.

Оболочки делятся на плазматические (клеточные мембраны) и наружные.

Важнейшее свойство плазматической мембраны – полупроницаемость, то есть способность пропускать только определённые вещества. Через неё медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и ионы, причём сами мембраны могут активно регулировать процесс диффузии.

Электронно-микроскопические исследования позволили установить, что любая клетка растительных и животных организмов, бактерий и простейших имеет очень тонкий внешний покров, называемый цитоплазматической мембраной, или плазмалеммой. Толщина ее около 7, 5 нм. Среди многочисленных моделей мембран наиболее универсальной оказалась так называемая жидкостно - мозаичная модель, согласно которой мембрана состоит из двух слоев молекул липидов (рис.5).

Наружная часть мембраны называется гликокаликсом. В его состав входят белки мембран, углеводные части гликолипидов и гликопротеидов. Гликокаликс играет важную в рецепторной функции, обеспечивает «индивидуализацию» клетки - в его составе сосредоточены рецепторы тканевой несовместимости.

Рис.5. Жидкостно - мозаичная модель мембраны растительных и животных организмов, бактерий и простейших

Наружная клеточная мембрана выполняет много важных биологических функций. Одна из них заключается в том, что мембрана регулирует постоянный обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Молекулы проходят через мембраны благодаря трем различным процессам: простой диффузии, облегченной диффузии и активному транспорту. Пропуская воду, клеточные мембраны в то же время не пропускают большинство растворенных в ней веществ. Такие мембраны называют полупроницаемыми или избирательно проницаемыми.

Диффузию воды через полупроницаемые мембраны называют осмосом. Неполярные (гидрофобные) вещества, растворимые в липидах, проникают через мембрану путем простой диффузии (в том числе и кислород). Это пример пассивного транспорта, направление которого определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны.

Большинство веществ, которые необходимы клетке, полярны и переносится через мембрану с помощью погруженных в нее транспортных белков-переносчиков. Различают две формы транспорта с помощью белков: облегченную диффузию и активный транспорт. Облегченная диффузия обусловлена градиентом концентрации (разностью концентраций), и молекулы движутся соответственно этому градиенту. Ни простая, ни облегченная диффузия не способны идти против градиента концентрации. Это две разновидности пассивного транспорта веществ.

Перенос растворенных веществ против градиента концентраций требует затрат энергии и называется активным транспортом. Одна из наиболее изученных систем активного транспорта – натрий - калиевый насос. Большинство клеток животных поддерживает разные градиенты концентрации, ионов натрия и калия: - внутри клетки сохраняется низкая концентрация и высокая ионов . Это необходимо для сохранения клеточного объема (осморегуляция), для поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках, а также для активного транспорта других веществ, например, аминокислот и сахаров. Высокие концентрации ионов калия требуются также для белкового синтеза, фотосинтеза и других важных процессов.

Захват плотных частиц, таких, как бактерии, называют фагоцитозом. Фагоцитоз (от греч. phagos – пожирающий, cytos – клетка) – активный захват и поглощение живых клеток или твердых частичек одноклеточными (простейшие) или специализированными клетками (лейкоциты) многоклеточных организмов. Процесс осуществляется путем впячивания клеточной мембраны и образованием пузырьков, сливающихся затем с плазматической мембраной и открывающихся внутрь клетки (рис.3). Вошедшие внутрь клеток частицы поступают в лизосомы, где с помощью клеточных (лизосомных) ферментов разрушаются и усваиваются затем клетками. Многие одноклеточные организмы питаются таким способом (амеба).

Поглощение растворенных веществ называют пиноцитозом. Пиноцитоз (от греч. pino – пить, cytos - клетка) – процесс поглощения жидкостей и растворенных в них высокомолекулярных веществ (белков, липидов, углеводов) путем впячиваний плазматической мембраны (ложноножек) и образования пузырьков (канальцев), куда поступает жидкость (рис.6). Канальцы после заполнения жидкостью отшнуровываются, поступают в цитоплазму и доходят до лизосом, где их стенки перевариваются, в результате чего содержимое (жидкость) канальцев освобождается и подвергается дальнейшей обработке лизосомными ферментами.

Пиноцитоз встречается как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Хотя фагоцитоз и пиноцитоз на первый взгляд отличаются от мембранных транспортных систем с участием молекул-переносчиков, они имеют ту же основу. Все эти механизмы зависят от способности мембраны «узнавать» определенные молекулы.

Различные материалы могут транспортироваться через мембрану посредством и других активных процессов - эндоцитоза (транспорт в клетку) и экзоцитоза (транспорт из клетки). При эндоцитозе вещества попадают в клетку, в результате впячивания плазматической мембраны, а затем образующийся при этом пузырьки с содержимым отщепляются от плазматической мембраны и переносятся в цитоплазму. Эндоцитоз обеспечивает перенос в клетки крупных частиц и молекул образованием пузырьков путем впячивания плазматической мембраны при поглощении твердых частиц (фагоцитоз) или растворенных веществ (пиноцитоз). Путем эндоцитоза осуществляется питание клеток, защитные и иммунные реакции и т.д.

Рис.6 Поглощение веществ поверхностной структурой клеток

Аналогично происходит и выделение веществ из клетки (экзоцитоз), только мембрана образует выпячивания. Экзоцитоз – процесс секретирования клетками различных веществ (противоположен эндоцитозу); с его помощью из клетки также удаляются частицы, оказавшиеся непереваренными путем фагоцитоза.

На поверхности клеток одноклеточных и многоклеточных организмов образуются разнообразные структуры, обеспечивающие соединение клеток друг с другом. Некоторые из этих структур формируются на поверхности эпителиальных клеток (эпителий кишечника, извитые канальцы почек и др.), это выросты цитоплазмы - микроворсинки. На свободной поверхности эпителиальной клетки насчитываются сотни и тысячи микроворсинок, увеличивающих во много раз клеточную поверхность и количество проходящих через мембрану веществ. Кроме того, микроворсинки содержат ряд ферментов, вероятно, участвующих в переваривании веществ, подлежащих всасыванию.

В тканях и органах многоклеточных организмов клетки прочно соединены друг с другом. Клетки многих тканей соединены между собой за счет тончайших прослоек «цементирующего» вещества, содержащего белки, углеводы. Цитоплазматическая мембрана некоторых клеток имеет складчатую поверхность, которая обусловливает вхождение выступов одной клетки в углубления другой.

Исследования оболочек растительных клеток показало наличие в них мостиков, соединяющих соседние клетки. Эти мостики называют плазмодесмами. Установлено, что наличие плазмодесм обеспечивает свободную циркуляцию жидкости, необходимой для поддержания осмотического дав­ления (тургора), а также проникновение из клетки в клетку растворов крупных молекул.

Клетка выполняет следующие простейшие жизненные функции.

Метаболизм (греч. metabole – перемена, превращение) – совокупность всех химических процессов в организме ассимиляции (усвоения питательных веществ и построения из них веществ организма – анаболизм) и диссимиляции (катаболизм) – расщепления сложных веществ, до более простых (обмен веществ и выведение из организма конечных продуктов). В более узком смысле метаболизм – промежуточный обмен веществ, то есть превращение определенных веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (например, метаболизм белков, глюкозы, лекарственных препаратов).

Анаболизм (от греч. anabole – подъем) (ассимиляция) – совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновление структурных частей клеток и тканей. Анаболизм составляет «сторону» обмена веществ, противоположную катаболизму, и заключается в синтезе сложных молекул из более простых с накоплением энергии. Наиболее важный процесс анаболизма, имеющий планетарное значение, – фотосинтез.

Катаболизм (от греч. katabole – сбрасывание, разрушение) (диссимиляция) – совокупность протекающих в живом организме ферментативных реакций расщепления сложных органических веществ, которые сопровождаются освобождением энергии, заключенной в химических связях крупных органических молекул, и запасанием ее в форме богатых энергией фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ).

Катаболические процессы – дыхание, гликолиз, брожение. Основные конечные продукты катаболизма – Н2О, CO2, NH3, мочевина, мочевая и молочная кислоты.

В живых организмах, состоящих из клеток, обнаружено около 80 химических элементов. Вещественный (химический) состав живых организмов представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Химическое вещество	Процентное содержание	Состав
Вода	70
Органические вещества	20	Низкомолекулярные: липиды, углеводы (сахара), и т. п. Высокомолекулярные : белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты
Неорганические вещества	10	Микроэлементы, макроэлементы, примесные элементы.

В составе клеток человека содержатся:

Органогены: О₂ – 65…75 %; С -15…18 %; Н – 8…10%; N- 1,5…3%;

Макроэлементы: Mg, Na, Ca, Fe, k, S, P, Cl (суммарно ~ 4…5%);

Микроэлементы: Zn, Cu, Co, I, F, Mn (суммарно ~ 0,1 %).

Итак, клетка, если применять научную терминологию, является наименьшей структурно-функциональной единицей, из которой состоит живой организм. Она обладает свойствами живой системы и осуществляет обмен веществ, энергии и информации с окружающей средой.

2в. Полезные сведения из химии

Чтобы понимать более строение более сложных клеток, полученное с помощью электронной микроскопии, сделаем небольшое отступление в химию, чтобы стало более понятно, о чем мы в дальнейшем будем вести речь.

Вам известно, что вещества состоят из атомов. Атомы, как правило, «связаны» в группы, причем эта группа может состоять как из атомов одного вида, так и из двух и более различных видов атомов. Такую группу атомов называют молекулой, а последовательность связей атомов в молекуле называют химическим строением вещества. Вещества состоят из молекул своего собственного вида, которые и определяют набор специфических свойств этого вещества.

Вы изучали в школе «правила химического правописания» и знаете, что молекулы можно обозначать черточками вокруг обозначения элемента (или более правильно - валентностями) или, если не утруждать себя рисованием структур (структурных формул), просто указывать обозначения имеющихся в молекуле атомов и количество тех атомов, которые в ней представлены. Записанные, например, обозначения метана -, воды называются эмпирическими формулами.

Вам известно, что если осуществляется последовательное соединение одинаковых молекул в более крупные молекулы, то говорят, что имеет место полимеризация. Полимеризацией называется процесс последовательного соединения одинаковых молекул в более крупные молекулы. В результате полимеризации получают молекулы полимера (высокомолекулярного соединения). Полимеры (высокомолекулярные вещества) – это вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся групп атомов (молекулярных звеньев), соединенных между собой химическими связями.

Примерами биополимеров, состоящих из соединенных в определенной последовательности молекул аминокислот, являются белки (протеины). Другими словами, белковые молекулы — это полимерные цепи, состоящие из множества последовательно соединенных аминокислот. Существует огромное число различных белков. При этом белковые молекулы чрезвычайно сложны. Элементарный анализ различных белков показал, что они состоят из углерода (50-55%), водорода (около 7 %), кислорода (21-24 %), азота (15-17%) и ряда других веществ. Например, эмпирическая формула гемоглобина – белка крови -

Уже отмечалось, что фактом существования в живой ткани мы обязаны уникальным свойствам углерода – вещества, присутствующего во всех живых организмах. Атомы углерода имеют замечательную способность соединяться в длинные и притом стабильные цепочки. При этом эти цепочки могут иметь разную структуру.

Поскольку валентность у углерода четыре, то цепочки могут быть, к примеру, разветвленными. В изооктане восемь атомов углерода объединены в разветвленную цепочку. Валентности атомов углерода, не заполненные другими атомами углерода, заполняются в молекуле изооктана атомами водорода. В молекуле изооктана – восемь атомов углерода и восемнадцать – водорода. Эмпирическая формула изооктана - .

Но восемь атомов углерода можно располагать не разветвлено, а просто в линию. В этом случае мы получим нормальный октан, свойства которого отличаются от свойств изооктана. Эмпирическая формула обоих будет.

Итак, мы видим, что в общем случае одну молекулу от другой отличает не только природа и количество составляющих ее атомов, но и структура. Как оказалось, для органических веществ характерно подобное явление изомерии. Изомерами называют вещества, имеющие одинаковый качественный состав и одинаковую молекулярную массу, но разное строение и вследствие чего разные физические и химические свойства. Именно по этой причине при работе со сложными составляющими живой ткани необходимо пользоваться структурными формулами.

По мере того, как структурные формулы становятся все длиннее и сложнее, становится все более удобно обращаться к определенным участкам молекулы, к сочетаниям атомов, часто встречающимся в молекуле. Эти сочетания называются функциональными группами или просто группами. Если провести аналогию со словами, где атомы это буквы, то использование понятия группы будет подобно разбивке длинного слова на слоги для удобства произношения.

Химические свойства органических соединений существенно зависят от присутствия в их молекулах различных функциональных групп и от характера имеющихся при этом связей.

Кислородно-водородная комбинация, имеющаяся в метиловом спирте, записывается так: . Это – гидроксильная группа.

Комбинация из атома азота и двух атомов водорода, имеющаяся в метиламине, записывается так: -. Эта группа называется аминогруппой.

Актом углерода и атом кислорода могут быть соединены двойной связью. Такое положение выражается записью:. Это карбоксильная группа.

В молекуле уксусной кислоты химическая связь трехсложная. В ней имеется метиловая группа, прикрепленная к карбониловой, которая в свою очередь прикреплена к карбоксильной. Сочетание карбониловой и гидроксильных групп встречается часто, поэтому принято ее помечать самостоятельным «слогом»- карбоксильная группа.

Атомы углерода также имеют склонность к образованию колец. Комбинации, основанные на этих кольцах чрезвычайно стабильны, особенно если кольца составлены из пяти- шести атомов. Вам известен пример – молекула бензола. В 1865 году немецкий химик А. Кекуле предложил структурную формулу бензола – шестичленный цикл, в котором чередуются простые и двойные связи. Современная структурная формула бензола – правильный шестиугольник с окружностью внутри, сплошной или пунктирной.

Спирты – это производные углеводородов (органических веществ, образованных двумя элементами – углеродом и водородом), к которых один или несколько атомов водорода замещены на функциональную гидроксильную группу.

Аминокислоты- это органические кислоты, содержащие в углеводородном радикале аминогруппу - . Различаются аминокислоты только боковыми группами –радикалами, присоединенными к углеродному атому.

Примерно в 1820 году французский химик Браконно нагрел в кислоте белок и выделил кристаллы сладковатого вещества. Оно получило название глицин (Gly Glycine) – от греческого слова, означающего сладкий. Строение молекулы глицина оказалось простым. В ней всего 10 атомов. К центральному атому углерода с одной стороны прикреплена аминогруппа, а с другой карбоксильная группа. Две оставшиеся валентности заняты атомами водорода.

Рис.7. Функциональная группа молекулы глицина

Сейчас любое вещество, содержащее одновременно аминогруппу и карбоксильную группу, принято называть аминокислотой. Таким образом, глицин – простой пример аминокислоты. Аминокислотами являются аланин, цистеин, глютамин, глицин, лезин и т. д.

Белковая молекула состоит из нескольких сотен аминокислот. Можно говорить, что аминокислоты являются «строительным материалом» для белка. В молекулах белка – 20 аминокислот.

Белки представляют собой цепи, состоящие из большого числа аминокислот. Не одна молекула - ни природная, ни искусственная - не строится из такого большого набора различных элементов, как органические молекулы. Если рассмотреть образ бус и представить, что перед вами 20 различных набора, и бусины отличаются от остальных размером, формой и цветом, то становится понятным, сколько различных «узоров» можно получить при создании белковых молекул.

Потенциально разнообразие белков безгранично. В организме имеется несколько тысяч видов белков, основная масса которых находится в мышечных тканях. Каждая клетка включает в себя около 1000 различных белков.

Немецкий ученый Эмиль Фишер продемонстрировал, что две аминокислоты объединяются путем соединения карбоксильной группы одной из них с аминогруппой второй и что в процессе такого соединения теряется одна молекула воды. Подобные соединения аминокислот называют пептидами, от греческого «pepto» - варить переваривать, потому, что они впервые были получены из частично переваренного белка.

Блок атомов (участок цепи), соединяющий аминокислоты (), в которых можно увидеть остатки первоначальных карбоксильной и аминогруппы, называют пептидной связью.

В настоящее время пептидами называют белки с короткими молекулами (состоящими из небольшого числа аминокислот). Когда цепь состоит из 80 и более аминокислот, используют понятие полипептида. Полипептиды – соединения, состоящие из аминокислот и аминокислотных остатков, связанных пептидными связями. Полипептид имеет химически регулярный остов, от которого отходят разнообразные боковые группы аминокислот – радикалы R.

Рис.8. Участок цепи полипептида

Примеры некоторых белков: инсулин, рибонуклеаза, гемоглобин и пр. Белковые молекулы чрезвычайно сложны (как формой, так и пространственным расположением) и их молекулярные массы имеют значения от 6000 до нескольких миллионов. Элементарный анализ различных белков показал, что они состоят из углерода (порядка 50-55%), водорода (около 7%) кислорода (22 %), азота (17 %), серы (2,5%). Кроме того, белки могут содержать небольшие количества фосфора, галогенов, металлов.

Заметим, что огромное число различных белков, содержащихся в органах и тканях животных, растений, микроорганизмов обусловлено бесконечным числом комбинаций из двадцати аминокислот. Эти комбинации отличаются набором аминокислот, порядком их чередования и пространственной структурой цепей.

Возьмем в качестве примера, трёхмерную молекулу гемоглобина и рассмотрим, сколько можно получить вариантов в линейной молекуле. Всего в живой материи встречается 20 различных аминокислоты. Из первых впечатлений следует, что количество возможных способов взаимосоединения 20 видов звеньев в цепь, к примеру, из 146 штук длиной - это немыслимо большое число. Однако, его легко вычислить. Первым звеном этой цепи из 146 звеньев могла быть любая из 20 возможных аминокислот. Вторая также могла быть любой из этих же 20, всего возможных вариантов двухзвенной цепи - 20 × 20 = 400. Количество возможных вариантов трёхзвенной цепи - 20 × 20 × 20 = 8000. Количество возможных вариантов 146-звенной цепи - 20 умноженное само на себя 146 раз. Это потрясающе большое число. Миллион - это единица с 6 нулями. Миллиард (1000 миллионов) - единица 9 нулями. Искомое нами число, это, округлённо – единица с 190 нулями!

Таким образом, белки (протеины, полипептиды) — сложные высокомолекулярные органические соединения, состоящие из сотен, соединённых в цепочку пептидной связью, 20 аминокислот.

Из школьной химии вам известно, что на ход реакций могут оказывать существенное влияние катализаторы - вещества, которые будучи добавленными в небольшом количестве ускоряют химическую реакцию. При этом сам катализатор в процессе реакции обычно необратимых изменений не претерпевает. В живой ткани эти вещества называют ферментами. Фермент предоставляет веществам возможность вступить в реакцию с меньшими энергозатратами и процесс протекает быстрее.

Каждому виду живых существ свойственны свои белки. Белки формируются в каждом организме путем длительной серии химических реакций. Так вот, почти каждая из тысяч реакций, происходящих в организме, катализируется своим особым ферментом. Не одним для всех, а отдельным для каждой реакции. А всякий фермент представляет собой белок – особый для каждого случая.

Не только в человеческом организме производятся тысячи различных ферментов – это происходит в организме любого живого существа. И каждый вид живых существ имеет тысячи свойственных ему ферментов. Даже если рассматривать одни лишь ферменты, то можно с уверенностью говорить о существовании миллиардов различных белков.

Еще в 1869 году молодой немецкий химик Фридрих Мишер выделил из живой ткани вещество, которое оказалось не углеводом, не жиром и не белком. Поскольку оно было обнаружено в клеточном ядре, то Мишер назвал его нуклеином (от латинского «nucleus» – ядро). Со временем у этого вещества обнаружились кислотные свойства и его стали называть нуклеиновой кислотой. Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные полимеры, макромолекулы которых состоят из чередующихся в определенном порядке мономерных звеньев нуклеотидов – производных азотистых оснований и сахаридов. Когда выяснилось, что посредством этой кислоты белок крепится к хромосоме, то ее стали называть нуклепротеином.

Нуклеиновые кислоты содержатся в клетках всех растительных и животных организмов в свободном состоянии или связаны с белками в нуклепротеиновые комплексы. Важнейшей биологической функцией нуклеиновых кислот является их участие в процессе биосинтеза белка, что, в свою очередь, лежит в основе механизмов роста и развития, передачи и воспроизводства наследственных признаков организма.

Практически с самого начала изучения нуклеиновой кислоты отмечалось, что в нее входят «сахарные» группы. Сахариды или углеводы – это сложные органические вещества, состоящие из трех элементов – углерода, водорода и кислорода. Многие представители их имеют состав, соответствующий общей формуле . Самый распространенный в природе простой сахар – это глюкоза. Молекула глюкозы представляет собой цепочку из шести атомов углерода, к пяти из которых прикреплены гидроксильные группы, а шестой входит в состав карбонильной группы. Именно наличие карбонильной группы и нескольких гидроксильных и является особенностью, характеризующей строение сахаров.

В 1910 году американский биохимик русского происхождения Фебюс Арон Теодор Левен установил, что в состав нуклеиновой кислоты входит рибоза. Рибоза отличается от распространенных сахаров глюкозы, фруктозы тем, что в ней не шесть, а пять атомов углерода. Эта пятизвенная углеродная цепочка стремится принять кольцевидную форму с помощью атома кислорода одной из гидроксильных групп. В результате получается кольцо из четырех атомов углерода и одного атома кислорода.

Несколько позже Левен обнаружил, что не все молекулы нуклеиновой кислоты содержат рибозу. В некоторых вместо нее имеется близкий к рибозе сахар, отличающийся лишь отсутствием одного из атомов кислорода. Соответственно химическое название этого сахара – дезоксирибоза.

Кроме рибозы и дезоксирибозы, никаких других сахаров в нуклеиновых кислотах больше не обнаружилось. Более того, не было обнаружено ни одной нуклеиновой кислоты, в состав которой бы одновременно и рибоза, и дезоксирибоза. То есть не одновременно, а либо – либо.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК)  состоят из веществ, названных нуклеотидами.

Молекулы нуклеотидов имеют по сравнению с большинством обычных молекул огромный размер и являются линейными. То есть они являются высокомолекулярными соединениями, которые состоят из большого числа повторяющихся групп атомов (молекулярных звеньев), соединенных между собой химическими связями. В настоящее время установлено, что нуклеотид, как кирпичик» более сложных молекул РНК состоит из трех частей. Первая из них – фосфорная кислота (фосфат) – неорганическое вещество, которого довольно много в земной коре и океанах. Вторая – сахар рибоза или дезоксирибоза. Третья – азотистое основание. В состав РНК входит четыре азотистых основания – А (аденин), У (урацил), Г (гуанин) и Ц (цитозин). Соответственно существует четыре вида рибонуклеидов – аденозин, уридин, гуанозин, цитидин.

Другими словами, молекулы РНК (рис. 9) состоят из сахара — рибозы, к которой присоединено одно из оснований: аденин, гуанин, цитозин или урацил, то есть РНК представляет собой полимер четырёх оснований (аденина (A), гуанина (G), урацила (U) и цитозина (C)). Фосфатная группа соединяет рибозы в цепочку, образуя связи с атомом углерода рибозы. Всего в РНК насчитывается около 100 разных видов модифицированных нуклеотидов. Для одноцепочечных РНК характерны разнообразные структуры, в которых часть нуклеотидов одной и той же цепи спарены между собой. Некоторые высокоструктурированные РНК принимают участие в синтезе белка клетки, например, транспортные РНК служат для узнавания кодонов (последовательности из трех нуклеатидов, кодирующих одну аминокислоту) и доставки соответствующих аминокислот к месту синтеза белка, а рибосомные РНК служат структурной и каталитической основой рибосом.

Рис. 9. Упрощенная схема строения рибонуклеииновой кислоты (РНК) 

В состав ДНК тоже входит 4 азотистых основания, однако вместо урацила используется тимин (Т). То есть, дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) вместо рибозы содержит дезоксирибозу. У ДНК и РНК разные и основания: в РНК – это урацил, а в составе ДНК имеется тимин.

Таким образом, первичная структура нуклеиновых кислот– это последовательность нуклеатидов с разными основаниями. Сотни тысяч и миллионы нуклеатидов, соединяясь в линейной молекуле друг с другом, образуют гигантский полимер. При этом сочетание нуклеатидов строго определено и постоянно для каждого рода ДНК и РНК данного организма. 

Обратим внимание еще на два важных факта.

ДНК, как РНК, формируются из строительных кирпичиков –нуклеотидов, только чуть-чуть других. Поэтому чтобы из РНК – кирпичика (рибонуклеотида) сделать ДНК- кирпичик (дезоксирибонуклеотид) достаточно одной простой реакции – отнять у рибозы один атом кислорода. Это придает молекуле стабильность, а заодно лишает ее способности совершать активные действия.

Молекулы ДНК (как и РНК) способны к самокопированию. Последовательность нуклеотидов ДНК может «переписываться» на РНК и обратно. При этом «автоматически» обеспечивается точность копирования благодаря особому свойству нуклеотидов, которое называют свойством комплементарности: против каждого нуклеотида исходной молекулы (матрицы) в синтезируемой копии (реплике) может встать только один, строго определенный нуклеотид из четырех возможных. Напротив гуанина (Г) всегда становится цитозин (Ц), напротив урацила (У) или замещающего его в молекуле ДНК тимина (Т) – только аденин (а). Когда на этой реплике синтезируется новая реплика, то она окажется точной копией исходной молекулы.

Нуклеиновая кислота того или другого вида встречается только в определенных участках клетки. ДНК находится исключительно в ядре, и как мы увидим, именно в хромосомах. РНК тоже можно найти в ядре, но, все же, большая часть ее сосредоточена вне ядра, в цитоплазме.

После этих замечаний, касающихся химии, вернемся к изучению того, как устроено ядро.

2в. Химический состав и строение клетки эукариотов

После рассмотрения основ химии, изучим теперь более подробно живую клетку, с точки зрения ее строения и химического состава живой ткани.

Все клетки эукариотов, в первом приближении, состоят из двух основных компонент. Где-то в пределах клетки, часто около ее центра, имеется маленькое «пятнышко», отделенное от основной части клетки мембранной, еще более тонкой и нежной, чем внешняя мембрана клетки (рис.7). Эту внутреннюю часть клетки называют ядром.

Рис.7. Строение клетки

Ядро - обязательный компонент абсолютного большинства клеток растений и животных. В разных клетках форма ядра значительно варьирует. Обычно ядра имеют шаровидную или эллипсовидную форму, но могут иметь и другую: бобовидную, палочковидную, даже ветвистую (в паутинных железах некоторых насекомых), подковообразную, кольцевидную и др.

В большинстве клеток содержится по одному ядру, но встречаются клетки и двуядерные (некоторые клетки печени), многоядерные (в волокнах поперечно-полосатой мышечной ткани, клетках некоторых водорослей).

Протоплазма, окружающая ядро, называется цитоплазмой.

Цитоплазма- место синтеза белка с помощью РНК. Цитоплазма – это сложная система, содержащая тысячи тысяч различных телец всех размеров и форм. Самое известное из этих телец называют митохондрией (от греч. «mitos» - нить, «chondrios» - зерно). Митохондрии имеют вытянутую форму длиной до 7 микрометров и диаметром в поперечнике от 0,5 до одного микрометра. В среднем в цитоплазме каждой клетки равномерно распределено около 2000 митохондрий.

Митохондрии это имеющие двухмембранное строение микроскопические органеллы клетки, ответственные за кислородное дыхание. Митохондрии — это химические заводы, поставляющие большую часть необходимой нам энергии. Они являются «электростанциями» в клетке. Практически все химические реакции, при которых производится энергия за счет распада молекул углеводов или жиров, происходят именно в митохондриях, в которых содержатся все необходимые ферменты. Утрата митохондрий повлекла бы за собой смерть в течение нескольких секунд.

Когда ученые использовали для изучения электронный микроскоп, то они обнаружили, что имеются также микросомы (от греч. «малые тела»), размером в 10 000 раз меньше митохондрий.

Митохондрии и микросомы имеют разный химический состав. В митохондриях содержатся белки и определенные фосфорсодержащие жирные вещества, именуемые фосфолипидами. Из веществ этих двух групп и строятся практически все митохондрии. В митохондрии содержится мало нуклеиновой кислоты – лишь примерно пол процента митохондрии составляет РНК. Это и понятно, поскольку для производства энергии, чем занимаются митохондрии, РНК не нужна.

Большая часть РНК, как оказалось, находится как раз в микросомах. Микросомы являются «белковыми фабриками» клеток. Причем оказалось, что основная часть РНК сосредоточена в крошечных телах, в 10 миллионов раз меньше метахондрий. Эти тельца состоят на 50 процентов из белков и на 50 процентов из РНК. Эти крошечные тельца получили название «рибосомы».

Поскольку в клетках, размножающихся путем деления, строение (морфология) ядер существенно изменяется, то еще с конца прошлого века различают два состояния ядра - интерфазное (в промежутке между делениями) и делящееся ядро.

Имеет смысл остановиться на интерфазе, когда обменные процессы в ядре, как и в клетке в целом, протекают наиболее интенсивно.

Интерфазное ядро состоит из одного или нескольких ядрышек нуклеоплазмы, хроматина. Оно отделено от цитоплазмы двойной ядерной мембраной.

Рис. 8. Схема строения животной клетки

Ядрышко - это постоянная часть интерфазного ядра. В состав ядрышка входит большое количество белка (80-85% сухого веса), РНК (3 - 5% от общего сухого веса ядрышка), а также липиды. При делении клетки ядрышко распадается, а по окончании его формируется заново.

Напомним также, что входящие в ядрышко белки (протеины) это тоже полимеры, состоящие из остатков разных аминокислот, соединенных пептидными связями в определенной последовательности. В каждом индивидуальном белке своя строгая последовательность чередования аминокислотных звеньев.

Ядро снаружи покрыто сложно устроенной ядерной оболочкой, которая при делении распадается на мелкие пузырьки, из которых в дочерних клетках строятся оболочки их ядер.

Ядерная оболочка (кариотека) – состоит из двух мембран (каждая толщиной 6-8 нм), разделенных околоядерным пространством (перинуклеарная зона). Наружная ядерная мембрана продолжается в эндоплазматическую сеть, является ее частью (после деления она восстанавливается из частей старой мембраны и цистерн ретикулума) и может содержать рибосомы. В отличие от других мембран ядерная оболочка имеет крупные ядерные поры, образованные слиянием наружной и внутренней мембраны. Они обеспечивают транспорт высокомолекулярных веществ (РНК, ферменты, субъединицы рибосом). Мелкие молекулы и ионы проходят диффузией сквозь мембрану. Число пор зависит от функциональной активности клетки (чем активнее, тем их больше).

Проницаемость ядерной оболочки имеет большое значение для процессов жизнедеятельности клетки. Установлено, что через ядерную оболочку проходят не только молекулы и РНК, но и крупные молекулы, и частицы рибосом. Это происходит благодаря изменению формы этих молекул, а также благодаря тому, что крупные молекулы могут проникать через ядерную оболочку путем активного транспор­та, то есть с помощью специальных веществ-переносчиков. На поверхности ядерной оболочки обнаружены рибосомы, следовательно, здесь осуществляется синтез белка.

Во многих местах ядерной оболочки образуются поры, окруженные нитчатым структурами, способными сокращаться. Сама пора заполнена плотным веществом. Это сложное образование называется комплексом поры. Оба слоя ядерной оболочки имеют такое же строение, как и остальные внутриклеточные мембраны. Комплекс поры представляет собой участок, в котором внешний и внутренний листки ядерной оболочки соединяются. На одно ядро приходится до 12000 пор, что составляет 45% поверхности ядерной оболочки, у крупных ядер яйцеклеток земноводных насчитывается до 10 млн. пор. Интересно, что количество пор в ядерной оболочке связано с интенсивностью обменных процессов в клетке; в активно синтезирующей белки клетке количество пор больше, чем в клетке, где синтез белка снижен.

Основная функция ядрышка, как важного компонента ядра, состоит в синтезе РНК (рибонуклеииновых кислот) и формировании рибосом.

Чтобы два рибонуклеида соединились вместе, образовав маленькую молекулу РНК, к одному из них должен быть присоединен дополнительный фосфат (или сразу два). Получившаяся молекула – рибонуклеид с лишним фосфатом – обладает большим количеством энергии, которая при наличии подходящих катализаторов может быть использована для выполнения разных полезных «работ» В том числе и для соединения двух рибонуклеотидов в одну молекулу – маленькую РНК. РНК-организмы в процессе эволюции «научились» синтезировать аминокислотные полимеры – сначала короткие пептиды, а затем длинные белки. Сложными молекулярными «машинками», при помощи которых синтезируют белки все современные живые клетки, являются рибосомы.

Рибосомы у всех живых существ – от бактерий до человека – устроены очень похоже. По-видимому, это означает, что рибосомы в из «современном» виде имелись у нашего общего предка всех форм жизни.

Рибосомы, входящие в состав клетки, немембранные клеточные органоиды сферической или грибовидной формы диаметром 15-30 нм (рис.9). Они встречаются во всех типах клеток. Число рибосом в клетке колеблется в зависимости от типа, физиологического состояния, возраста от десятков тысяч до миллионов (наибольшее число обнаружено в клетках зародышей, регенерирующих клетках).

Локализация рибосом в клетке следующая (рис.8):

а) свободно располагаются в цитоплазме (синтезируют белки для собственных нужд клетки);

б) объединяются посредством молекулы РНК в группы – полисомы (полирибосомы);

в) находятся в некоторых органоидах (митохондриях, хлоропластах, центросомах);

г) соединяются с мембранами эндоплазматической сети и ядра.

Рибосома состоит из 2-х частей или неравных субъединиц, большой (главной) и малой (вспомогательной). Основу обеих субъединиц составляют молекулы рибосомной РНК (рРНК). Снаружи к молекулам рРНК прилегают молекулы рибосомных белков. Обычно построение состоих из 3-4 молекул рибосомальной РНК и более 50 молекул белков. Эксперименты показали, что рибосомные белки играют в рибосоме вспомогательную роль: они делают ее более стабильной и повышают эффективность ее работы. Однако все гланые действия, необходимые для синтеза белка, осуществляются рибосомными рРНК. В рибосомах всегда есть ионы магния, поддерживающие их структуру. Субъединицы рибосомы синтезируются по отдельности в ядрышках под контролем ядрышкообразующей хромосомы и объединяются на РНК.

Рис. 9. Упрощенное представление рибосомы

Заполняет все внутреннее пространство ядра между его компонентами кариоплазма, или ядерный сок. В состав ядерного сока входят различные белки, в том числе нуклеопротеиды, гликопротеиды и большинство ферментов ядра. Ядерный сок (кариоплазма, нуклеоплазма) – составляет основную внутреннюю массу ядра. Ядерный сок обеспечивает взаимосвязи внутриядерных структур и участвует в функционировании наследственного материала.

2г. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) в ядре живой клетки и их функции

В кариоплазме после окраски были выявлены зоны плотного вещества, хорошо воспринимающего разные красители. Благодаря спо­собности хорошо окрашиваться этот компонент ядра получил название хроматин (рис.8).

Было установлено, что в состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками.

Молекула ДНК представляет собой длинную цепь из строительных блоков, которыми служат небольшие молекулы — нуклеотиды. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), как уже отмечалось, это очень длинная полимерная молекула (у человека в ее состав входит около 3 млрд. молекул, у бактерий – 3 млн.). Подобно тому, как белковые молекулы — это цепи из аминокислот, ДНК — это цепи из нуклеотидов.

Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Т)). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы.

В подавляющем большинстве случаев макромолекула ДНК состоит из двух закрученных вокруг общей оси полинуклеотидных цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Если быть более точным, то макромолекулы ДНК похожи на две спирали (рис. 10), закрученные вокруг друг друга, подобно пружине, поэтому эта структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В 1953 г. Ф. Криком и Д. Уотсоном была построена модель ДНК, которая состоит из двух полимерных цепочек, закрученных одна вокруг другой с образованием двойной спирали. Согласно этой модели каждая из цепочек молекулы ДНК состоит из четырех типов мономеров - нуклеотидов. В состав нуклеотидов входят три компонента, соединенные прочными химическими связями: азотистое основание; углевод (дезоксирибоза); остаток фосфорной кислоты. Каждая из этих цепей обращена друг к другу азотистыми основаниями, как бы дополняющими друг друга (принцип комплементарности). Эти основания взаимодействуют друг с другом с помощью водородных связей между аминогруппами. Образующиеся при этом пары геометрически одинаковы.

Молекулы ДНК имеют форму двойной спирали не случайно. Это обусловлено тем, что в клеточном ядре размером порядка микрона требуется поместить очень длинную полимерную молекулу большой физической протяженности. Количество звеньев по всей длине ДНК у человека порядка 3 млрд., а у бактерий – 3 млн. ДНК вирусов составляет десятки микрометров, бактерий – миллиметры, а человека – 2 метра. Оказывается, что в тесноте микромира спираль - самая выгодная форма.

Рис. 10. Упрощенная схема строения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)

Нуклеотидные строительные блоки бывают только четырех типов. Четыре нуклеотида можно обозначить своими инициалами: А – адениловая кислота, Ц – цитидиловая, У –уридиловая и Г- гуаниловая кислота. Они одинаковы у всех животных и растений. Различна лишь их последовательность. Блок Ц из ДНК человека ничем не отличается от блока Ц улитки. Но последовательность строительных блоков у данного человека отличается не только от их последовательности у улитки. Она отличается также, хотя и в меньшей степени, от последовательности блоков у любого другого человека (за исключением особого случая — однояйцовых близнецов).

Важно также иметь в виду, порядок расположения ее четырех нуклеотидов несет важную информацию: определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков, то есть их первичную структуру. Другими словами, первичная структура белковой молекулы «закодирована» в молекуле ДНК. Это очень важно, поскольку белки не только составляют большую часть физической структуры тела; они осуществляют также чуткий контроль за всеми химическими процессами, происходящими внутри клетки, избирательно включая и выключая их в строго определенные сроки и в строго определенных местах. Набор белков (ферментов, гормонов) определяет свойства клетки и в целом организма. Так вот молекулы ДНК хранят сведения об этих свойствах и передают их в поколениях потомков. Закодированная в ДНК информация, записанная с помощью четырехбуквенного нуклеотидного алфавита, переводится простым способом на другой, аминокислотный, алфавит, которым записывается состав белковых молекул.

После изучения информационных технологий, можно говорить, что ДНК выполняет информационную функцию. ДНК является носителем наследственной информации, который обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.

Если проводить некоторые аналогии, то поскольку ДНК косвенно контролирует изготовление молекул другого вещества — белка, то ДНК представляют собой некие записанные «чертежи», к примеру, на «дискете», для построения организма, Если быть более точным, то в нормальной клетке белковые молекулы собираются по спецификациям, записанным в РНК. Они играют роль рабочих чертежей, скопированных с драгоценного главного архива клетки – ДНК.

Представим, что за окном растёт большая ива, пылящая пушистыми семенами. Воздух тих и семена медленно отплывают от дерева во все стороны. Семена состоят главным образом целлюлозного пуха - он тормозит падение крошечной капсулы, содержащей генетическую информацию в молекуле ДНК. ДНК – это самое главное в семенах. Целлюлозного пуха в хлопьях хоть и много, но это лишь парашют, который будет просто выброшен. Вся деятельность по производству пуха, серёжек, самого дерева, и проч., затевается ради одного - распространения ДНК в окружающем ландшафте. Но не ДНК вообще, а только той, чьи закодированные знаки разъясняют специфические инструкции для постройки таких же ивовых деревьев, которые далее будут пылить новым поколением пушистых семян. Эти пушистые комочки в буквальном смысле слова распространяют инструкции по созданию самих себя. Они существуют потому, что их предки преуспели в той же самой деятельности. То есть условно можно говорить о том, что мы видим, что идёт дождь инструкций, дождь программ, дождь алгоритмов роста деревьев, распространяющих пух. Для наглядности представьте себе, что идёт дождь дискет. Это не метафора, это так и есть.

2г. Хромосомы живой клетки

Каждая макромолекула ДНК в клетке организована в хромосомы. Такое название хромосома, как важная составная часть ядра, состоящая из ДНК в соединении с молекулами белка, получили из-за способности окрашиваться (от греческого слова chroma (χρῶμα) - цвет, краска и soma (σῶμα) – тело).

Хромосомы в клетке меняют свою структуру и активность в соответствии со стадией клеточного цикла, поэтому они становятся легко заметными лишь в определённых фазах клеточного цикла (лишь в стадии метафазы при делении клеток, то есть во время митоза или мейоза).

Упрощенная схема строения хромосомы в поздней деления клетки - метафазе митоза показана на рис.11.

Протяженная структура ДНК, имеющая значительную длину, образует нечто, напоминающее петли. Основу хромосом  составляют хромонемы - это нитевидные структуры, которые во время деления клетки сильно закручены. Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей дезоксирибонуклеопротеида, соединенных друг с другом в области первичной перетяжки (в районе центромера). Центромера - особым образом организованный участок хромосомы, общий для обеих сестринских хроматид. Центромера делит тело хромосомы на два плеча.

Рис. 11. Упрощенная схема строения хромосомы в поздней профазе — метафазе митоза. 1—хроматида; 2—центромера; 3—короткое плечо; 4—длинное плечо.

Химическая организация хромосом клетки такова, что они состоят в основном из ДНК и белков. Белки составляют значительную часть вещества хромосом (около 65% массы этих структур). Причем нуклеиновые кислоты, содержащиеся в клетках всех растительных и животных организмов, связаны с белками. При этом молекула ДНК как бы накручивается на белковое основание (рис.12).

Рис. 12. Взаимное расположение фрагмента ДНК и одного звена белка

Можно говорить и по другому, что на всех этапах клеточного цикла молекулы ДНК упакованы в нуклеопротеиновые комплексы – хроматин. ДНК обматывает белковые частицы – гистоны, располагающиеся вдоль ДНК через определённые интервалы, образуя хроматин – волокна, из которых состоят хромосомы. Комплексы участков ДНК и гистонов называются нуклеосомами. Структурной единицей хроматина является нуклеосома – «шар» из 8 молекул белков-гистонов (рис.12), вокруг которого ДНК делает два оборота (длина такого участка ДНК составляет 146 пар нуклеотидов). Нуклеосомы упорядочены в пространстве, за счёт чего достигается плотная упаковка ДНК в хромосоме.

Рис. 13. Упаковка молекулы ДНК в нуклеопротеиновый комплекс

Нуклеосомы связаны друг с другом и образуют регулярные структуры, в которых ДНК уложена еще больше компактно. Если на нуклеосомном уровне организации хроматин – это «ниточка бус», то на хромосомном – это «ниточка бус», уложенная в спираль.

Для четкой передачи информации между дочерними клетками хроматиновые нити при формировании хромосом претерпевают еще ряд этапов компактизации (более плотной упаковки). Создаются также вытянутые «петли». Из петель, скрепленных у основания специальными белками, формируются участки хромосомы с «петельной» организацией. «Петельные» нити укладываются в пространственную спираль. Из таких максимально конденсированных комплексов ДНК с белками формируются хроматиды. Метафазные хромосомы клеток состоят из двух хроматид, соединенных в области первичной перетяжки, или центромеров.

Если последовательно уменьшать масштаб рассмотрения структуры, хромосомы как элементы клеточного ядра (рис13-рис16), то на конечном этапе получим расположение различных хромосом в центральной области (в ядрышке) клетки, показанное на рис.17.

Рис. 14а. Взаимное расположение фрагмента ДНК и нескольких звеньев белка

Рис. 14б. Более укрупненное представление химической организации хромосомы клетки, состоящей из ДНК и белков

Рис. 15. Укрупненное представление химической организации хромосомы клетки, состоящей из ДНК и белков

Рис. 16. Расположение одной хромосомы в центральной области (в ядрышке) клетки

Рис. 17. Расположение различных хромосом в центральной области (в ядрышке) клетки

   

Каждый вид растений и животных имеет определенное число хромосом. Тип хромосом является постоянным для каждой гомологичной хромосомы и может быть постоянным у всех представителей одного вида или рода. Например, у классического генетического объекта – плодовой мушки дрозофилы – их четыре пары. Число хромосом у разных видов неодинаково. У собаки 78 хромосом, у кошек - 38.

Хромосомы имеют свою пару.  У диплоидных организмов оно парное, две хромосомы каждой пары называются гомологичными. У собак 39 пар хромосом, из которых 38 пар по внешнему виду одинаковы, а одна несколько отличной величины. У некоторых видов хромосомные наборы состоят из сотен пар хромосом; однако количество хромосом в наборе не имеет прямой связи ни со сложностью строения организма, ни с его эволюционным положением.

Хромосомы делятся на аутосомные и определяющие пол.

Аутосомные хромосомы - это парные хромосомы, с 22 отцовскими хромосомами и 22 материнскими. Эти хромосомы соединены в пары, потому что содержат гены, которые отвечают за одни и те же функции. Любой живой организм имеет всегда строго определенное число хромосом. Человек имеет 46 хромосом: 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом; при этом одна из хромосом каждой пары приходит от матери, а другая – от отца.

Рис. 18. Хромосомы человека

Хромосома - это структура, в которой содержится информация, определяющая различные характерные черты личности

Определяющих пол хромосом, две - X и Y (рис.18 - рис.21). Следует обратить внимание на то, что мужские наборы хромосом могут содержать как Х, так и Y хромосомы, в то время как в женских гаметах будут находится только Х хромосомы. Клетки женщин имеют комбинацию из двух X хромосом (XX) , а мужчины - из одной X и одной Y хромосомы (XY). Таким образом, пол будущего ребёнка зависит от того какой тип мужской клетки (X или Y) соединится с женской (X).

Рис. 19. Мужской хромосомный набор диплоидной (обычной) клетки

Рис. 20. Женский хромосомный набор диплоидной (обычной) клетки

Рис. 21. Хромосомы X Y

Итак, как мы видим, в нашем теле обитает организованная в хромосомы ДНК. Эту ДНК можно рассматривать как набор инструкций, записанных с помощью нуклеотидного А, Т, Ц, Г — алфавита и указывающих, как должно строиться тело. Она не сконцентрирована в какой-то одной части тела, а распределена между всеми клетками. Тело человека состоит в среднем из 10¹⁵ клеток и, за известными исключениями, которыми мы можем пренебречь, каждая из этих клеток содержит полную копию ДНК, свойственной данному телу.

Воспользуемся опять аналогией. Представим себе громадное здание, где в каждой комнате стоит шкаф, содержащий созданные архитектором чертежи, по которым это здание строилось. В клетке таким «шкафом» служит ядро. «Чертежи» для человеческого тела, у которого 46 хромосом, составляют 46 томов; у других видов число томов иное. Эти «тома» называются хромосомами. Эти 46 хромосом состоят из 23 пар хромосом. Можно было бы сказать, что в ядре каждой клетки хранятся два альтернативных набора по 23 тома чертежей в каждом. Назовите их том 1а и том 16, том 2а и том 2б и т.д. до тома 23а и тома 23б. Конечно, используемые для обозначения томов, а затем листов, цифры, совершенно произвольны.

Важно понимать, что «чертежи» реплицируются, то есть создают копии самих себя. Такое самокопирование происходит непрерывно с тех пор как возникла жизнь. В момент зачатия человек представлял собой всего одну клетку, наделенную одной исходной копией «чертежей», а взрослый человек состоит из 10¹⁵ клеток. Сначала эта клетка разделилась на две, причем каждая из возникших двух клеток получила свою собственную копию чертежей. В результате последовательных делений число клеток увеличивается до 4, 8, 16, 32 и т.д. до миллиардов. При каждом делении содержащиеся в ДНК чертежи точно копируются, практически без ошибок.

Под микроскопом хромосомы имеют вид длинных нитей, в которых в определенном порядке расположены определенные участки – как мы отметим несколько позже - гены.

Мы получаем каждую хромосому в целости и сохранности от одного из наших двух родителей, в семеннике или яичнике которых она была собрана. Тома 1а, 2а, За, поступают, скажем, от отца. Тома 16, 26, 36, ... поступают от матери. 

 

2г. Гены

Многоклеточные организмы, как здания, сложены из миллионов кирпичиков – клеток. Основным «строительным» материалом клетки являются белки. Белки являются наиболее важными молекулами в каждом живом организме, химической основой живой материи. Белок в первом приближении – это линейная полимерная молекула, состоящая из мономеров (аминокислот). Каждая молекула белка представляет собой цепочку из многих десятков, даже сотен звеньев – аминокислот; такую цепь называют полипептидной.

Белки – это то, что работает в клетках: ферменты, строительные материалы. Белки осуществляют обмен веществ (перенос веществ в организме) и энергетические превращения, обеспечивают структурную основу тканей, служат катализаторами химических реакций, защищают организмы от «внешних врагов», переносят сообщения, регулирующие деятельность организма. У каждого типа белка своя функция: одни входят в состав клеточной оболочки, другие белки – создают защитный «чехол» для ДНК, третьи передают «инструкции» о том, как производить белки, четвертые регулируют работу клеток и органов, и т.д. Кроме того, в процессе жизнедеятельности белки расходуются, и потому регулярно воспроизводятся в клетке.

Химически белки представляют собой цепочку аминокислот, свёрнутую в пространстве особым образом. Полипептидные цепи белков строятся последовательно – звено за звеном, и эта последовательность определяется ДНК. Информация о последовательности аминокислот, которая должна быть в полипептидной цепи белка, содержится в ДНК в форме последовательности нуклеотидов. Эта последовательность определяет последовательность расположения соответствующих им аминокислот в молекуле белка.

В соответствии с потребностями клеток на разных стадиях их развития с отдельных участков единой молекулы ДНК, происходит считывание (транскрипция) так называемой генетической информации: из нитей ДНК строятся их копии в виде молекул информационных рибонуклеиновых кислот (РНК), которые затем поступают из ядра в цитоплазму, где происходит синтез необходимых белков.

Прежде, чем вызвать какое-то действие, символы кода ДНК должны быть переведены (перекодированы, транслированы) на другой носитель. Прежде всего, они перекодируются в точно соответствующие им символы РНК. У РНК тоже есть алфавит с четырьмя буквами. Далее символы РНК транслируются в полимер совершенно другого вида, называемый полипептидом или белком, который можно было бы назвать полиаминокислотой, потому что базовые элементы этого полимера - аминокислоты. В живых клетках используются 20 различных аминокислот. Все биологические белки – это цепочки, состоящие из этих 20 строительных кирпичиков. Белки – это цепочки аминокислот, однако большинство их не остаются длинным и прямыми нитями. Каждая цепочка свёрнута в сложный узел, точная форма которого детерминируется порядком аминокислот. Поэтому форма этого узла, для данной последовательности аминокислот, никогда не изменяется. Последовательность аминокислот, в свою очередь, точно определяется порядком следования символов кода по длине ДНК (при посредничестве РНК). Поэтому есть смысл говорить, что трёхмерная скрученная форма молекулы белка определяется одномерной последовательностью символов кода ДНК.

Чтобы понять, как на основе нуклеиновой кислоты синтезируются белки, надо разобраться в том, каким образом информации, закодированной всего четырьмя символами, оказывается достаточной, чтобы передать то, что закодировано двадцатью двумя.

Мы уже изучили некоторые способы перекодирования, при которых один символ строго соответствует другому. Вы знаете, что с помощью всего двух символов – 0 и 1 кодируются все числа и буквы на компьютерах. Единственное, что для этого потребовалось – договориться о правилах перекодирования используемых символов. Подобно тому, как переводятся английские буквы в двоичный код с помощью правил ASCII, так и при переводе нуклеотидов в аминокислоты, используются специальные правила кодирования, но уже созданные Природой.

Нуклеиновая кислота – это «предложение», составленное из четырех «слов» - нуклеотидов. Четыре нуклеотида можно обозначить: У –уридиловая кислота, Ц – цитидиловая, А – адениловая и Г- гуаниловая. Нуклеотидов в ДНК всего 4. Если четыре нуклеотида можно обозначить инициалами: У -Ц –А –Г, и использовать 4х4х4= 64 их тринуаклеотидные комбинации (триплеты), то можно определить, что нуклеотиды могут образовывать 64 разных триплета. Белковая молекула состоит из 20 «слов» - аминокислот. Если использовать 64 тринуаклеотидные комбинации (триплеты), то этого окажется достаточным, чтобы закодировать все 20 аминокислот. При этом мы видим, что поскольку , то подобное кодирование «избыточно». И действительно, многие аминокислоты кодируются не одним, несколькими взаимозаменяемыми последовательностями из трех нуклеотидов. Последовательность из трех нуклеотидов, кодирующую одну аминокислоту называют кодоном.

Оказалось, что подобное кодирование является универсальным для всех живых существ – от самого маленького вируса до огромной секвои.

Для поддержания жизнедеятельности организма путем производства разного рода белков в клетке, координации деления и взаимодействия клеток между собой служат специальные участки ДНК.

Мы говорили, что ДНК связаны в цепочки и хранится в ядре клетки в виде нескольких «упаковок» – хромосом. Цепочки - хромосомы можно наблюдать в микроскоп. Под микроскопом у хромосом видны беспорядочно чередующиеся светлые и темные участки: сотни, тысячи на каждой хромосоме – это гены. Вдоль всей длины молекулы ДНК гены располагаются линейно.

Участки ДНК, кодирующие белковые цепи или функциональную молекулу РНК назвали генами.

Общепринятого определения гена не существует. В этой связи приведем несколько определений.

В классической биологии гены определяли как часть хромосомы, определяющей какой-то наследственный признак. Хромосома - (chromosome) - нитевидная структура клеточного ядра, несущая генетическую информацию в виде генов. Каждый ген отвечает за какую-то особенность (или группу особенностей) в развитии организма. Многие гены взаимодействуют: одно свойство контролируется несколькими генами, поэтому выявить такие гены очень тяжело, и только немногие главные гены хорошо изучены.

В молекулярной биологии, предлагается такое определение:

ген – фрагмент генетического кода, который может синтезировать только один определённый полипептид или РНК. При этом материальным носителем свойств наследственности и изменчивости является ДНК, которая заключает в себе биологическую информацию - программу развития клетки, организма, записанную с помощью особого кода.

Ген — это репликатор с высокой точностью копирования.

Ген — любая порция хромосомного материала, сохраняющаяся на протяжении достаточного числа поколений, чтобы служить единицей естественного отбора.

Ген (от гр. «генос» рождение) - элементарная единица наследственности, представленная биополимером - отрезком молекулы ДНК. Этот отрезок молекулы ДНК является носителем наследственной информации о первичной структуре одного белка.

Геном называется участок молекулы ДНК, содержащий в последовательности своих нуклеотидов информацию о последовательности аминокислот в синтезируемом белке.

В гене закодирована вся генетическая информация, хранящаяся в хромосомах одного организма. Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, то существуют и десятки тысяч генов (в организме человека их примерно 20-25 тысяч).

Совокупность всех молекул ДНК, имеющихся в данной клетке и полученных ею по «наследству» от родительской клетки называют геномом.

Совокупность всех генов организма, его полный хромосомный набор называют геномом. Термин «геном» был предложен Гансом Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Генетическая информация в клетках содержится не только в хромосомах ядра, но и во внехромосомных молекулах ДНК. У бактерий к таким ДНК относятся плазмиды и некоторые умеренные вирусы, в клетках эукариот — это ДНК митохондрий, хлоропластов и других органоидов клеток.

Следовательно, под геномом организма понимают суммарную ДНК гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма.

В определении генома отдельного биологического вида необходимо учитывать, во-первых, генетические различия, связанные с полом организма, поскольку мужские и женские половые хромосомы различаются. Во-вторых, из-за громадного числа аллельных (конкурирующих) вариантов генов и сопутствующих последовательностей, которые присутствуют в генофонде больших популяций, можно говорить лишь о некоем усреднённом геноме, который сам по себе может обладать существенными отличиями от геномов отдельных особей. Размеры геномов организмов разных видов значительно отличаются друг от друга, и при этом часто не наблюдается корреляции между уровнем эволюционной сложности биологического вида и размером его генома.

Совокупность всех генов организма составляет его генотип. Генотип – совокупность наследственной информации, полученной организмом от родителей. Или, еще по другому, совокупность всей наследственной информации, содержащейся в геноме Обычно генотипом называют только информацию, записанную в форме последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Некоторая часть информации передается потомству другими способами (например, с молекулами РНК, с белками цитоплазмы), но все это в понятие генотип не включают.

При любом определении ген составляет часть какой-то хромосомы. Представим себе любую последовательность примыкающих друг к другу кодовых букв. Назовем эту последовательность генетической единицей. Это может быть, к примеру, последовательность всего из десяти букв. Она будет перекрываться с другими генетическими единицами. В нее будут входить более мелкие единицы, а сама она будет частью более крупных единиц. Независимо от того, будет ли она длинной или короткой, для наших целей она представляет собой то, что мы называем генетической единицей. Этот отрезок хромосомы, физически никак не отделенный от остальной хромосомы, содержащий генетическую единицу и представляет собой ген.

Ген среднего полипептида имеет длину в десятые доли микрометра. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Лишь те гены активны, которые необходимы для функционирования данной клетки, поэтому, например, нейроны и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени. Кроме того, надо иметь в виду. Что ген состоит из кодирующих и некодирующих участков. Некодирующие участки могут выполнять регуляторные функции.

При этом возникает вопрос: как в ДНК, состоящей примерно из 3 миллиардов генетических единиц, удаётся обеспечить доступ ко всем своим участкам. Чтобы лучше изучить функции двойной спирали и то, как она приобретает свою необыкновенно сжатую форму внутри ядра клетки, ученые нескольких университетов США создали объёмную модель. Они разбили сложную молекулу на множество кусков, создали пространственную карту, показывающую, насколько близко отдельные части находятся друг к другу. Затем с помощью компьютера собрали всё воедино. Благодаря этой технологии учёным удалось исследовать положение всех участков.

Учеными были получены изображения, на которых близкие участки ДНК окрашены одним цветом (рис.11). На основе изображений были сделали два основных вывода.

Во-первых, в пространстве ДНК «разбита» на два отсека: в первом хранятся активные гены, во втором более плотно изолированы «ненужные» части ДНК. Более того, между двумя частями происходит постоянный обмен включающимися и выключающимися генами. «Клетка поступает очень умно, выставляя активные гены в особую зону, где они легкодоступны для белков и прочих веществ», — говорит другой исследователь Джоб Деккер (Job Dekker).

Рис. 22. Изображения ДНК, на которых близкие участки ДНК окрашены одним цветом. Справа демонстрируется разумность природного подхода, как она проявляется ещё больше проредить картинку.

Второй вывод: геном представляет собой «фрактальную глобулу» (fractal globule), что позволяет:

1.Упаковать ДНК невероятно компактно: плотность информации в ядре примерно в триллионы раз выше, чем в среднестатистическом компьютерном чипе;

2. Избегать образования узлов или запутанных фрагментов, которые бы помешали нормальной работе ДНК;

3. Быстро складываться и раскладываться геному во время активации и репрессии генов, репликации клетки.

Часть генов «работает» только при определённых условиях. Так, ген, регулирующий синтез инсулина, способен выполнять свои функции только в специальных клетках поджелудочной железы, а гемоглобин вырабатывается только в том случае, если гены, отвечающие за его синтез, находятся в клетках молодых эритроцитов. В этой связи некоторые гены для своей работы могут активироваться. В частности, некоторые гены содержат фрагменты, притягивающие к себе определённые белки. Если такие белки содержатся в клетке, они присоединяются к этому участку гена и может разрешать или запрещать его копирование на РНК. Наличие или отсутствие в клетке подобных регулирующих белков определяет, какие гены активируются, а значит, какие новые белки синтезируются. Именно этот регулирующий механизм определяет, должна ли клетка функционировать как мышечная или как нервная клетка, и какая часть тела должна развиваться в этой части эмбриона. Каждая клетка руководствуется подобными простыми инструкциями («если имеется белок X и Y, синтезируй белки Z, W и U, но не синтезируй белок V»). Однако в целом процесс развития организма из одной клетки до 100 триллионов клеток (у человека) - это очень сложный процесс.

Некоторые гены повторяются в ДНК во множестве копий. Таковыми, например, являются гены, синтезирующие кератин перьев цыплят. Понятно, что для быстрого роста животного необходима большая скорость производства «строительного материала», и один ген с этой работой не справлялся бы. Клетки организма данного вида (даже принадлежащие разным тканям) содержат ДНК с одинаковым нуклеотидным составом, и этот состав не зависит ни от питания, ни от окружающей среды, ни от возраста организма. Нуклеотидный состав ДНК разных видов различен.

Каждый ген отвечает за развитие какой-то специфической черты организма. Число генов огромно и из-за этого, к сожалению, зависимость наследственных признаков от генов ДНК на сегодняшний день исследована весьма незначительно. Каждый ген отвечает за какой-то признак. Гены у разных индивидов даже одного вида могут различаться – в пределах, не нарушающих их функцию.

Гены – это участки ДНК, которые кодируют свои белки. Ген — участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген — один белок). Поскольку ДНК это длинная двухцепочечная молекула, состоящая из отдельных звеньев (нуклеотидов) и всего имеется четыре типа нуклеотидов, обозначаемых как А (аденин), Г (гуанин), Т (тимин), Ц (цитозин), то тройка нуклеотидов (триплет) кодирует одну аминокислоту согласно так называемому генетическому коду. Четыре различных аминокикислоты сгруппированные в группы по три, составляют 64-буквенный алфавит. Этот алфавит используется для составления кодовых слов различной длинны (одна специфическая буква обычно используется для обозначения начала гена).

Говоря о производстве белка, надо иметь в виду, что молекулы ДНК находятся в ядрышке клетки, а синтез белка осуществляется в цитоплазме на рибосомах. По этой причине информация от ДНК к рибосомам передается с помощью информационных РНК. Информационная РНК синтезируется из соответствующих нуклеотидов на участке гена одной из цепей ДНК и становится, таким образом, своеобразной копией гена. Затем она поступает к рибосомам, где на ней и синтезируется белковая молекула. Эта информация копируется на молекулы РНК, которые передают в рибосомы (которые тоже состоят из белков) инструкции для синтеза белков. Синтезируемые белки начинают выполнять свои функции, обеспечивая работу клетки и всего организма.

Таким образом, ДНК молекулы – это центр впечатляющей информационной технологии.

Во- первых, следует сказать, что информационная технология, используемая в клетке, является цифровой. Этот обнаружил Грегор Мендель в 19-м столетии, хотя он и не говорил таких слов. Цифровая природа – не побочный эффект, которым случайно обладает генетическая информационная технология. Видимо дискретность - это совершенно необходимое условие работоспособности всего живого.

Вам известно, что в электронике и компьютерах дискретные ячейки памяти могут находиться только в двух состояниях, традиционно представляемых как 0 и 1, хотя их можно трактовать как «высоко-низко», «включено-выключено», «верх и низ». В электронной технологии используются самые различные физические среды для хранения нулей и единиц – тут и магнитные носители (ленты и диски) электронные «чипы» типа флеш-накопителей с большим количеством маленьких полупроводниковых ключей внутри.

Главный носитель данных внутри всех других живых клеток - не электронный, а химический. В нём используется тот факт, что некоторые молекулы способны к «полимеризации», которая заключается в соединении молекул в длинные цепи неограниченной длины. Если в цепи имеются два вида маленьких молекул, одну из которых можно полагать нулём, а другую - единицей, так сразу же на ней оказывается возможно хранить любое количество информации любого вида, лишь бы цепь была достаточно длинна. Специфические полимеры, используемые живыми клетками, называются полинуклеотидами. В живых клетках существует два главных семейства полинуклеотидов, кратко - ДНК и РНК. Оба представляют собой цепи маленьких молекул, называемых нуклеотидами. Только вместо только двух состояний, «1» и «0», информационная технология живых клеток использует четыре состояния, которые традиционно представляются как A, T, C и G. В принципе, разница между бинарной информационной технологией двух состояний (как компьютерная), и технологией четырёх состояний (таковая для живой клетки), очень невелика.      Во вторых, живые клетки способны упаковывать огромное количество точной цифровой информации в очень маленькое информационное пространство, и хранить её с удивительно малым количеством ошибок, хотя, некоторые ошибки случаются - за очень долгое время, измеряемое миллионами лет.

Имеются расчеты, позволяющие утверждать, что единственная человеческая клетка располагает информационной ёмкостью, достаточной для хранения примерно трёх или четырёх комплектов энциклопедии, в каждом из которых 30 томов. При этом, как это ни удивительно, но только примерно 1 процент генетической информации, например в клетках человека, является фактически используемым.

 В - третьих. Интересно, что ДНК это хранилище информации из которого только ее можно считывать. Электронная память в компьютерах традиционно подразделяется на ROM и RAM. ROM расшифровывается как «только читаемая память». Строже говоря, это память, в которую пишут лишь однажды, а читают много раз. Комбинация нулей и единиц в них «прожжена» раз и навсегда при изготовлении. В таком виде они и остаются, не изменяясь, в течение всего срока службы памяти, а прочитана эта информация может любое количество раз. ROM используется для фиксированного репертуара стандартных программ, которые необходимы много раз, и которые вы не можете изменить, даже если бы захотели

В другой тип электронной памяти, называемой RAM, можно «записывать» и можно читать. Особенность RAM в том, что вы можете поместить любой набор нулей и единиц в его любую часть, какую хотите, и столько раз, сколько вам заблагорассудится. Большая часть памяти компьютера – RAM. Напечатанные на клавиатуре слова, по команде «сохранить», поступают прямо в RAM; программа обработки текстов, управляющая этим процессом, тоже находится в RAM, хотя теоретически её можно было бы прожечь в ROM, и впоследствии ни разу не менять.

ДНК представляет собой ROM. Её можно читать миллионы раз, но записывать лишь однажды - когда она изначально собирается при рождении клетки, в которой она находится. ДНК в клетках любого индивида «прожжена», и никогда не меняется в течение всей его жизни - кроме очень редких случаев поломок. При зачатии нового организма в его ДНК ROM «прожигается», новый и уникальный набор информации, с которым он затем и живёт всю свою оставшуюся жизнь. Этот набор копируется во все его клетки. Данные, содержащиеся в ДНК, дублируются всякий раз, когда клетка делится. Комбинации A, T, C и G нуклеотидов достоверно копируется в ДНК каждой из триллионов новых клеток, которые образуются при росте ребёнка.

В - четвертых. Вся компьютерная память, будь то «ROM» или «RAM» имеет свой адрес. Это означает, что позиция каждой ячейки памяти имеет уникальное обозначение – обычно номер, характеризующий местонахождение информации. У каждой ячейки памяти есть адрес и содержимое. Позиция ячейки и её содержимое в памяти это существенно разные вещи, как, например, обозначенная шифром полка на библиотечном стеллаже и книга на ней лежащая. Каждая позиция памяти называется адресом. Каждый адрес раз и навсегда связан с его содержимым.

ДНК собрана в длинные волокна хромосом, как длинные компьютерные ленты. Вся ДНК в каждой из наших клеток адресована в том же самом смысле, как и компьютерная ROM. Конкретные номера или названия, используемые нами для маркировки данного адреса, произвольны – как и для компьютерной памяти. Важно, что конкретный адрес моей ДНК точно соответствует такому же адресу в вашей ДНК. «Место» здесь означает позицию на длине данной хромосомы. Точное геометрическое положение хромосомы в клетке не имеет значения. Хромосома плавает в жидкости, и поэтому её геометрическое положение меняется, но каждый адрес на хромосоме точно определён в понятиях линейного порядкового номера по длине хромосомы – также, как на компьютерной ленте, даже если лента разбросана на полу, а не аккуратно смотана.

Все мы, все люди, обладаем одними и тем же набором адресов ДНК, но не обязательно тем же самым содержимым их. И это главная причина того, почему мы все отличаемся друг от друга. У других биологических видов другой набор адресов. Например, у шимпанзе 48 хромосом, а у нас - 46. Строго говоря, сравнивать так содержимое ячеек - адрес за адресом, бессмысленно, потому что у разных видов эти адреса интерпретируются совершенно различно. Однако близкородственные виды, такие, как шимпанзе и люди, имеют такие большие куски последовательно совпадающего содержимого, которые мы можем легко идентифицировать как в основном одинаковые, хотя мы не можем использовать одну и ту же систему адресования для этих двух видов.

Совокупность особей, имеющих одну и ту же систему адресования своей ДНК – это главный признак вида. За вычетом нескольких незначительных исключений, все члены вида имеют одинаковое число хромосом, и каждое место на длине каждой хромосомы расположено точно там же у всех других особей вида. У разных особей вида может отличаться содержимое этих адресов. Различия в содержимом адресов у различных особей возникают так. Наши спермии или яйцеклетки содержат по 23 хромосомы каждая. Каждый адрес в одном из спермиев одного человека в точности соответствует адресу в любом другом из спермиев другого человека, как и в каждой из яйцеклеток. Все другие клетки тела содержат 46, то есть двойной набор. В каждой из этих клеток одни и те же адреса используются дважды. Каждая клетка содержит две 9-х хромосомы, и две версии ячейки 7230 в хромосоме 9. Эти версии могут совпадать, а могут и не совпадать – причём как между собой, так и между версиями у других членов вида. 23-хромосомный сперматозоид рождается от соматической клетки с 46 хромосомами, получая при этом только одну из копий каждой адресованной ячейки. Какую именно копию он получает – это уже дело случая. То же самое справедливо и для яйцеклеток. В результате каждый спермий и каждая яйцеклетка оказываются уникальным с точки зрения содержимого ячеек, хотя система адресования остаётся идентичной у всех особей одного вида (с незначительными исключениями, которые нам нет нужды рассматривать). Когда спермий оплодотворяет яйцеклетку, то конечно получается полный набор 46 хромосом, и все эти 46 хромосом затем будут продублированы во всех клетках развивающегося эмбриона.      В - пятых. Уже отмечалось, что информацию в ROM нельзя записать (кроме как в момент изготовления), и это также справедливо в отношении ДНК в клетках - если бы не случающиеся иногда хаотичные ошибки в копировании. Но коллективный банк данных, состоящий из ДНК-ROM всего вида может быть, в некотором смысле, созидательно перезаписан. Неслучайное выживание и неслучайный репродуктивный успех особей всего вида эффективно «вписывают» улучшенные инструкции по выживанию в коллективную генетическую память вида - по мере смены поколений.

Эволюционное изменения вида в значительной степени состоят из изменений количеств копий каждого из возможных различных содержимых каждой адресованной ячейки ДНК – опять же - по мере смены поколений. Конечно, в данный конкретный момент, в данной особи, все копии ДНК должны быть одинаковы. Но для эволюции имеет значение частота возможных альтернатив содержимого по каждому адресу во всей популяции. Система адресования остаётся той же самой, но статистический профиль содержимого ячеек изменяется от столетия к столетию.

Тем не менее, очень-очень редко всё же изменяется и система самого адресования. У шимпанзе 24 пары хромосом, а у нас 23. У нас с ними общий предок, поэтому в какой-то момент, или у нашего предка, или у предка шимпанзе произошло изменение числа хромосом. Или мы потеряли хромосому (две слились), или шимпанзе добавили одну (одна разделилась). Должно быть, имелась, по крайней мере одна особь, у которой было другое число хромосом, чем у её родителей. Бывают и другие случайные изменения во всей генетической системе. Как мы увидим, большие куски генетического кода, могут иногда целиком копироваться в совершенно другие хромосомы. Мы знаем это, потому что около хромосом встречаются разбросанные длинные нити текста ДНК, им идентичные.

Считанная из какой-то ячейки компьютерной памяти информация может быть использована двояко. Или она может быть просто записана куда-нибудь ещё, или она может быть вовлечена в какое-то «действие». Записана куда-нибудь ещё - это означает скопирована. Мы уже знаем, что ДНК с готовностью копируется из одной клетки в другую, и что куски ДНК могут быть скопированы в другой индивидуум, а именно - в ребёнка.

С «действием» сложнее. В компьютерах одним из действий может быть выполнение инструкции программы. В ROM компьютера, по последовательным адресам, могут находится специфический набор нулей и единиц, который, если его интерпретировать как инструкцию, побуждает небольшой громкоговоритель компьютера издавать короткий звуковой сигнал. Вот, к примеру, этот набор – 101011010011000011000000. В нём нет ничего звучащего или шумящего. И ничто в нём не говорит вам, что он окажет этот эффект на громкоговоритель. Он имеет этот эффект только потому, что остальные части компьютера соединены соответствующим образом. Точно так же и наборы четырёхсимвольных кодов ДНК оказывают эффекты, например, на цвет глаз, или на поведение, но эти эффекты не присущи кодам ДНК самим по себе. Их эффекты получаются только ходе развития всего эмбриона, на который оказывает влияние наборы кодов и в других частях ДНК.

Прежде, чем вызвать какое-то действие, символы кода ДНК должны быть переведены (транслированы) на другой носитель. Прежде всего, они транскрибируются (перекодируются) в точно соответствующие им символы РНК. У РНК тоже есть алфавит с четырьмя буквами. Далее символы РНК транслируются в полимер совершенно другого вида, называемый полипептидом или белком, который можно было бы назвать полиаминокислотой, потому что базовые элементы этого полимера - аминокислоты.

Процедура трансляции обрабатывает знаменитый «генетический код». Это – словарь, в котором каждый из 64 (4 × 4 × 4) возможных символов-триплетов ДНК (или РНК) переводятся в одну из вышеупомянутых 22 аминокислот или трактуется как символ «остановки чтения». Таких «знаков пунктуации» типа «остановка чтения» три. Одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько триплетов (как легко предположить из того факта, что триплетов 64, а аминокислот только 22). Весь этот процесс трансляции, от строгой последовательности ДНК ROM до точно инвариантной трёхмерной белковой структуры, - это замечательный подвиг цифровой информационной технологии.

В - шестых. Сообщения, содержащиеся в молекулах ДНК практически вечны – в сравнении с временными масштабами сроков жизни индивидуумов. Сроки жизни ДНК-сообщений (плюс-минус несколько мутаций) измеряются миллионами и сотням миллионов лет; или, другими словами, от 10000 сроков жизни индивидуумов, до триллиона. Каждый индивидуальный организм должен рассматриваться как временное средство транспортирующее информацию, в котором ДНК-сообщения проводят крошечную долю своих геологических сроков жизни.

Скалы существуют благодаря твёрдости и долговечности. Если бы они не были таковыми, то они были бы не скалами, а песком.

С другой стороны, существуют росинки, но не потому, что они долговечны, а потому, что они только что появились, и не успели ещё испариться.

Молекулы ДНК, как физические объекты, похожи на росинки. При правильных условиях они появляются часто, но ни одна из них не существует долго – все они разрушаются за несколько месяцев. Они не долговечны, как скалы. Но информация, которую они несут в последовательности своих кодов, столь же долговечна, как самые твёрдые из скал. У них есть то, что требуется для их существования в течение миллионов лет. Принципиальное отличие от росинок состоит в том, что старые росинки не рождают новые. Росинки несомненно похожи одна на другую, но у них нет особенного сходства со своими «родительскими» росинками. В отличие от молекул ДНК, они не формируют наследственных линий, и, следовательно, - не могут передавать сообщения. Росинки появляются на свет самопроизвольным зарождением, в то время, как ДНК-сообщения – репликацией.

Гены являются верховными программистами, они составляют программу собственного существования. О них судят на основании того, сколь успешно они справляются со всеми опасностями, с которыми сталкиваются в жизни их машины выживания, а в роли бесстрастного судьи выступает само выживание.      

Тела не переходят в следующее поколение - только гены. Гены влияют на эмбриональное развитие тела, в котором они находятся. Значения генов никак не меняются от их участия в развитии тела, но вероятность того, что они будут переданы в следующее поколение, будет зависеть от успешности тела, которое они помогали создавать. Вероятность того, что гены они будут переданы в следующее поколение, будет зависеть от успешности тела, которое они помогали создавать.

Совершенно очевидно, однако, что самое важное для машины выживания и для мозга, принимающего за нее решения, это выживание индивидуума и его репродукция. Именно по этой причине животные затрачивают так много усилий на поиски пищи, на то, чтобы избежать болезней, защитить себя от неблагоприятных климатических условий, найти представителя противоположного пола и склонить его к спариванию, даровать своим потомкам те преимущества, которыми пользуются они сами.

Для выживания также важна коммуникация (или обмен информацией). Традиционная точка зрения этологов состоит в том, что коммуникационные сигналы возникают в процессе эволюции на взаимное благо как того, кто их посылает, так и того, кто их принимает. Например, цыплята оказывают воздействие на поведение своей матери, сообщая ей высоким пронзительным писком, что они заблудились или замерзли. Обычно мать, услышав писк, немедленно отправляется за цыпленком и приводит его назад к остальному выводку. Можно было бы сказать, что такое поведение развилось к взаимной выгоде в том смысле, что естественный отбор благоприятствовал сохранению как цыплят, которые пищат, отстав от выводка, так и матерей, должным образом реагирующих на писк.

При этом важно понять идею: в каких-то ситуациях ген одобряется, а в других - не одобряется. Сами гены не эволюционируют - они просто выживают (или нет) в генофонде. Эволюционирует ассоциация генов или как сейчас говорят «команда». Как только одна из команд, состоящая из генов, начинает доминировать в генофонде вида, то самим этим фактом получает автоматическое преимущество. Команде, находящейся в меньшинстве, трудно сохраниться в генофонде, даже если она делает данную работу более эффективно. Доминирующая команда является автоматически более устойчивой к вытеснению, просто в силу нахождения в большинстве.     

Рассмотрим группу генов, совместно, строящих различные части глаз, ушей, носов, конечностей – всех сотрудничающих части тела животного. Гены, строящие зубы, пригодные для пережёвывания мяса, скорее всего, будут одобряться в «климате» доминирующих генов, строящих пищеварительную систему, пригодную для переваривания мяса. И наоборот – гены, создающие зубы для перетирания растений, также будут одобрены в климате доминирующих генов, создающих пищеварительную систему, ориентированную на переваривание растительной пищи. Иные гены будут, соответственно, не одобрены в обоих случаях.

Есть смысл говорить, что большинство работающих генов в теле сотрудничает друг с другом как одна команда, потому что каждый из них (точнее - прародительская копия каждого из них) в ходе длительной эволюции были частью той окружающей среды, в которой естественный отбор работал над другими генами.       Вспомним, что ген – это только строчка закодированных символов, подобная файлу на компьютерном диске; стало быть гены могут быть скопированы в различные части хромосом – точно также, как файлы могут быть скопированы в различные части диска.

Наконец, следует сказать, что ДНК, которая в долгосрочной перспективе ведёт себя в чём-то подобно компьютеру с его дисковыми файлами, как некая операционная система вида очень и очень стара. В прошлом десятилетии было обнаружено, что любой отдельный ген - в смысле единого, читаемого слитно фрагмента ДНК-текста, хранится не в одном месте.

Компьютерные файлы только на бумаге предстают перед нами в виде одномерного массива алфавитно-цифровых символов и выглядят очень аккуратно упорядоченными. Но мы изучали, что запись производится на свободные места в разные участки (сектора) диска, поэтому расположение текста на диске по секторам совсем не аккуратно, и не упорядоченно. Фрагменты файлов прерывисты и чередуются - как друг с другом, так и с фрагментами старых, мёртвых файлов, которые ранее занимали место. Когда вы просите компьютер удалить файл, то вам кажется, что он слушается вас. Но фактически он не стирает текст этого файла. Он лишь стирает все указатели на него. Это подобно тому, что если бы библиотекарю приказали уничтожить книгу, то он бы мог просто разорвать карточку в картотеке, оставив саму книгу на полке. Для компьютера это совершенно экономичный способ действий, так как пространство, прежде занятое «удалённым» файлом после удаления указателей становится автоматически доступным для новых файлов. Фактическое заполнение этого места пробелами были бы напрасной тратой времени. Сам старый файл не будет окончательно потерян, пока всё пространство, им занимавшееся, не будет использовано для хранения новых файлов. Но это переиспользование пространства происходит постепенно. Размер новых файлов, как правило, не равен в точности размеру старого. Когда компьютер пытается записать новый файл на диск, то он ищет первый доступный фрагмент пространства, записывает туда максимально возможный фрагмент нового файла, затем, если нужно, ищет другой доступный фрагмент пространства, записывает ещё фрагмент файла, и так далее, пока весь файл не будет записан на диск. У человека возникает иллюзия, что файл является цельным, упорядоченным массивом – но это только потому, что компьютер так называемой файловой системой очень аккуратно поддерживает записи, «указывающие» на адреса всех этих разбросанных фрагментов. Сохраняться может совершенно тот же самый файл. Но как мы видели, фактически текст будет многократно раздроблен по всему доступному пространству на диске. Таким образом, множество копий данного фрагмента текста могут находиться на всей поверхности диска, и их тем больше, чем диск старее, и чаще использовался.

Если прочитать фактические символы кода, как они расположены на хромосоме, то окажется, что осмысленные фрагменты, называемые экзонами, разделены фрагментами «бессмыслицы», называемые интронами. В функциональном смысле любой «ген», фактически раздроблен на последовательность экзонов, разделённых бессмысленными интронами. При этом каждый экзон, заканчивается ссылочным указателем, говорящим, что «продолжение в секторе 94». А весь ген оказывается составленным из серии экзонов, которые оказываются объединёнными вместе только тогда, когда они в своё время будут прочитаны «официальной» операционной системой, транслирующей их в белки.

Ещё одним свидетельством является тот факт, что хромосомы замусорены старым генетическим текстом, который больше не используется, но который всё ещё имеет распознаваемый смысл. Эти разбросанные «генетические окаменелости» компьютерному программисту до жути напоминают схему распределения обрывков текста на поверхности старого диска, активно использовавшегося для редактирования текста. У некоторых животных большая доля от общего числа генов никогда не читается. Эти гены являются или полной бессмыслицей, или устаревшими «ископаемыми генами».