Проблемы Эволюции |
2003 (отрывок из книги)
Мы многократно упоминали вполне очевидные для каждого человека понятия «жизнь», «разум», «цивилизация». Однако, что такое жизнь? Каковы основные свойства живого вещества? Каковы признаки разумной жизни? Что такое цивилизация? Все эти понятия столь сложны, что строгого определения им дать невозможно.
На примере земной жизни мы опишем важнейшие признаки живой материи с точки зрения современной молекулярной биологии. Сразу оговоримся, что поскольку мы намерены в нашей книге описать современный реалистичный подход к проблеме поиска внеземной жизни, мы не будем фантазировать о различных небелковых формах жизни, космическом разуме и т. п. — оставим эти красивые фантазии для Станислава Лема. Действительно, что конструктивного мы можем сказать о космическом разуме, если даже не знаем, существуют ли хотя бы примитивные формы жизни вне Земли?
В старых школьных учебниках по биологии жизнь определялась, как способ существования белковых тел, основанный на обмене веществ. Это явно неполное определение, поскольку обмен веществом и энергией может происходить при химических реакциях и в неживых системах, состоящих из сложных органических молекул.
С точки зрения современной биологии главные качества жизни — это самовоспроизводимость и гомеостаз. Самовоспроизводимость — это способность живого организма к размножению, рождению и выращиванию себе подобных.
Гомеостаз — это стремление живых организмов к состоянию устойчивого равновесия и обособлению от внешней среды при наличии обмена энергией и веществом с нею. Именно благодаря гомеостазу живой организм существует во внешней среде, свойства которой могут значительно изменяться.
Реакция организма на стрессы — сильные внешние воздействия, может быть двоякой — резистентной (сопротивляющейся) и толерантной (подчиняющейся). Если внешние воздействия относительно невелики, резистентная реакция организма стремится поддержать гомеостаз путем выработки реакций сопротивления изменениям окружающей среды. Например, в жаркую погоду человек потеет, что позволяет ему поддерживать постоянную температуру тела.
Если внешние воздействия очень сильны, организм жертвует гомеостазом ради сохранения главного — жизненных процессов, и переходит в состояние анабиоза, когда все процессы в организме сильно замедляются. Например, медведь зимой впадает в спячку. Очевидно, что если внешние воздействия предельно сильны, то ни резистентная, ни толерантная реакции организма не помогут, и организм погибнет.
Молекулярные механизмы
Рассмотрим кратко основные молекулярные механизмы функционирования живой материи. Прежде всего, подчеркнем, что попытки обнаружить в живых организмах, например в клетках, особое биологическое вещество и поле оказались безуспешными: все живые организмы состоят из атомов, молекул и связанных с ними полей ядерных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Никакой особой «биологической субстанции», никакого специального «биополя» не существует. Жизненный процесс функционирует благодаря огромному количеству обычных химических реакций.
Среди огромного разнообразия химических веществ, входящих в состав живых существ, особое значение имеют два типа биологических полимеров — белки и нуклеиновые кислоты. Структура белков очень сложна. Важнейшим химическим элементом, обеспечивающим функционирование белков, является углерод.
Поэтому, как говорят, земная жизнь является органической, то есть, построена на углеродной основе. Обсуждаются другие, не углеродные формы жизни, например, на основе кремния (напомним, что современные достижения в области компьютерных и информационных технологий основаны на использовании сверхчистого кремния). Однако научного обоснования возможности существования кремниевых форм жизни пока не существует.
Главные составляющие белков — это более простые органические молекулы, называемые аминокислотами. Из курса химии мы знаем, что кислоты — это вещества, способные в химических реакциях отдавать протон (Н+), а основания — вещества, присоединяющие протон.
Всего известно около 100 типов аминокислот, однако в живых организмах синтезируются белки, основанные лишь на 20. Возможности синтеза белков на основе такого количества аминокислот практически безграничны: комбинируя аминокислоты разных типов, можно получать различные белки, число которых превосходит полное число атомов во Вселенной (~1080). В организме взрослого человека содержится около одного миллиона типов белков.
Белки являются теми рабочими телами, которые обеспечивают структуру и функционирование живого организма. Однако для обеспечения роста организма, поддержания гомеостаза и, главное, для реализации самовоспроизводимости организма, необходимо непрерывное воспроизводство, синтез белков на основе некоторых строгих и упорядоченных правил. Эти правила синтеза белков записаны в химической структуре одного из типов нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).
Другой тип нуклеиновых кислот — рибонуклеиновая кислота (РНК) служит для переноса информации и синтеза белков. Синтез белков является центральным событием в жизни клетки любого организма.
Как иногда говорят биологи, в сущности, жизнь есть способ существования аппарата белкового синтеза.
Как известно, генетическая (наследственная) информация записана в цепи молекулы ДНК в виде последовательности более простых молекул — нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех оснований: аденин (А), гуанин (G) — пуриновые основания, цитозин (С) и тимин (Т) — пиримидиновые основания.
Как уже отмечалось, основания отличаются от кислот тем, что при химических реакциях они присоединяют протон (Н+).
Открытие Уотсона и Крика
В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик, впоследствии нобелевские лауреаты, предложили модель строения молекулы ДНК в форме двойной спирали (рис. 2.2).
В молекуле ДНК две спиральные полинуклеотидные цепи закручены вправо вокруг общей оси. Полимерный остов спиральной цепи ДНК состоит из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы.
Пуриновые основания (А и G) и пиримидиновые основания (Т и С) прикреплены с боков спиралей к полимерному остову на одинаковом расстоянии друг от друга.
При этом против каждого остатка пуринового основания одной спиральной полинуклеотидной цепи находится остаток пиримидинового основания другой спиральной цепи. Информационное содержание обеих спиральных цепей ДНК идентично, так как каждая из них содержит последовательность нуклеотидов, строго соответствующую последовательности нуклеотидов другой цепи, благодаря образованию так называемых уотсон-криковских пар G—С и А—Т.
Все реакции обмена веществ в клетках организма осуществляются под контролем особых белков — биокатализаторов (ферментов), структура которых записана в ДНК в виде генов (ген — это единица наследственной информации, определяющая данный признак живого организма, иными словами, ген — это участок цепи ДНК, используемый для кодирования белков определенного типа). Эта запись передается по схеме: ДНК ? РНК ? Белок.
Сначала информация, записанная в виде чередования нуклеотидов на одной из двух спиральных цепей ДНК, переписывается на молекулу так называемой информационной РНК (иРНК) — происходит процесс транскрипции (переписывания информации). На следующем этапе в рибосоме иРНК взаимодействует с так называемой транспортной РНК (тРНК) и происходит трансляция — синтезируется белок.
Большой вклад в исследование структуры и функционирования рибосомы как молекулярной машины, осуществляющей упорядоченный синтез белка, был сделан российским ученым академиком А. С. Спириным.
Генетический код
Информация, записанная на спиральных цепях ДНК, должна быть определенным образом закодирована. Мы знаем, что математический код может быть двоичным (чередование нулей и единиц, используемое в процессорах современных компьютеров), троичным и т. п.
Впервые расшифровка генетического кода была выполнена выдающимся физиком Г. А. Гамовым (российским ученым, эмигрировавшим в США) в 1954 году.
В общей форме вопрос о генетическом коде был решен Криком с коллегами в 1961 году.
Оказалось, что генетический код триплетен, то есть каждая кодирующая единица — кодон, состоит из трех нуклеотидов. Последовательность кодонов определяет последовательность аминокислотных остатков в белках.
Как уже отмечалось, оснований, по которым различаются нуклеотиды, всего четыре. Число же аминокислот, входящих в белки, равно 20. Таким образом, необходимо четырьмя основаниями записать двадцать аминокислот. Отсюда следует, что генетический код должен быть триплетным, поскольку по одному основанию и даже по двум (4х4=16) вариантов записи недостаточно, а по трем (4x4x4=64) — достаточно, с большим запасом.
К 1965 году генетический код был полностью расшифрован. Стало ясно, что каждой аминокислоте соответствует от одного до шести кодонов, то есть генетический код обладает свойством избыточности. Следует подчеркнуть, что в то время как одной аминокислоте может соответствовать от одного до шести кодонов, каждому кодону соответствует единственная аминокислота. Поразительно, что за небольшими исключениями, все живые организмы на Земле, от простейших и древнейших сине-зеленых водорослей до человека имеют одинаковый генетический код.
Репликация ДНК
Способность клеток живого организма поддерживать высокую упорядоченность своей организации определяется генетической информацией, записанной в ДНК, и непрерывным синтезом соответствующих белков. Но этого еще не достаточно для полноценного функционирования живого организма. Помимо целенаправленного синтеза белков необходимо, чтобы сама ДНК была способна к самовоспроизводству. На языке молекулярной биологии процесс самовоспризводства ДНК называется репликацией.
Именно благодаря репликации ДНК возможно размножение живых организмов, передача наследственных свойств от поколения к поколению и развитие многоклеточного организма из оплодотворенной яйцеклетки. Для репликации ДНК требуется участие многих видов белков. Эти белки, как и все другие, закодированы в нуклеотидной последовательности ДНК. Таким образом, в живом организме реализуется важнейшая для жизни обратная связь: ДНК организует биосинтез белков, которые в свою очередь синтезируют ДНК.
Модель строения ДНК в форме двойной спирали, предложенная Уотсоном и Криком, позволила понять принцип удвоения ДНК. Удвоение происходит потому, что две спиральные цепи расходятся, а потом каждая цепь служит матрицей, на которой с помощью особых ферментов собирается подобная ей новая спиральная цепь ДНК. В результате вместо одной ДНК образуются две, неотличимые по строению от родительской молекулы ДНК.
Точность синтеза (репликации) новой ДНК на базе родительской ДНК-матрицы очень велика, что обеспечивается наличием специальных механизмов, осуществляющих коррекцию, то есть устраняющих ошибки репликации.
Суть механизма коррекции заключается в том, что при синтезе дважды проверяется соответствие каждого присоединяемого нуклеотида: один раз перед включением его в состав растущей цепи, а второй раз перед тем, как включить следующий нуклеотид. В итоге достигается поистине фантастическая точность: в процессе воспроизведения генома млекопитающего, состоящего из ДНК длиной в 3 миллиарда пар нуклеотидов, возникает в среднем не более трех ошибок (!).
Открытие рибозимов
В 1977 году была открыта прерывистость генов у сложных одноклеточных и многоклеточных организмов, в клетках которых имеются ядра (эукариот). Выяснилось, что последовательность генов, кодирующая данную последовательность аминокислот в белке или нуклеотидов в РНК, не всегда является непрерывной. Она может содержать вставки, которые были названы нитронами и которые не кодируют белок.
Оказалось, что РНК, содержащая интроны, может сама осуществлять селективную реакцию по удалению интронов и сшивке соответствующих концов.
Таким образом, биологическими катализаторами могут быть не только белки, но и рибонуклеиновые кислоты. Такие катализаторы получили название рибозимов.
Открытие рибозимов позволило по-новому рассмотреть эволюцию жизни на Земле и ответить на вопрос: с чего началась жизнь на Земле — с белков или с нуклеиновых кислот.
Как известно, белки, в отличие от нуклеиновых кислот, не могут самовоспроизводиться, а нуклеиновые кислоты до открытия рибозимов считались неспособными катализировать химические реакции, необходимые для самовоспроизводства.
После открытия рибозимов была высказана гипотеза, что первоначально на Земле все же появились нуклеиновые кислоты, которые одновременно могли служить и ферментами (правда, не очень эффективными). По мере эволюции с помощью рибозимов был выработан новый класс биополимеров — белков, что и привело к развитию современных форм жизни.
Вот что пишет академик Спирин о роли РНК: «Современная жизнь — это РНК, передавшая часть своих генетических функций рожденному ею же родственному полимеру — ДНК, и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих ее компонентов — клеток и многоклеточных организмов».
Восстановление генетических повреждений
Эволюция жизни на Земле шла под действием двух факторов: мутаций (изменения структуры) генов и дарвиновского естественного отбора. В данном случае мы имеем яркий пример того, как огромная совокупность случайных процессов привела к формированию в высшей степени регулярных и совершенных существ (стохастический детерминизм, как говорят биологи).
Причиной мутаций могут служить как ошибки при репликации, так и воздействия внешних факторов — разные виды облучения, химические воздействия и т. п.
Важнейшим фактором, обеспечивающим изменчивость ДНК, является также так называемая генетическая рекомбинация, то есть перераспределение генетического материала, приводящее к возникновению новых комбинаций генов.
Живые организмы обладают свойством восстанавливать повреждения, возникшие в ДНК в результате воздействия различных мутагенных факторов. Они, как говорят биологи, осуществляют репарацию генетических повреждений.
Большой вклад в решение проблемы репарации внес проф. В. Н. Сойфер. Реакции репарации весьма разнообразны — от быстрого устранения результатов мутагенного воздействия (до того, как клетки организма вступят в новую фазу деления) до растянутого во времени процесса, который создает новые специальные ферменты, помогающие устранить возникшие повреждения ДНК.
В последнем случае реакция репарации может реализовываться уже после того, как клетки закончили деление.
Вполне вероятно, что процессы репарации генетических повреждений играли решающую роль в эволюции жизни на Земле. Как показали лабораторные эксперименты по искусственному синтезу ДНК, выполненные американским ученым Кронбергом в середине 70-х годов, только после введения в реакционную смесь ферментов репарации удалось получить нормальные двунитевые молекулы ДНК, без ветвящихся сахарофосфатных нитей.
Это и позволило предположить, что на ранних стадиях эволюции жизни на Земле роль ферментов репарации была очень велика.
О механизмах зарождения жизни
Мы очень кратко описали основы функционирования живых организмов на Земле. Вопрос об эволюции и в особенности, зарождении жизни на Земле — это отдельная большая проблема, все еще далекая от окончательного решения.
По-видимому, на самых ранних стадиях эволюции Земли, когда ее возраст составлял всего несколько сотен миллионов лет, вначале в водных бассейнах при оптимальной температуре формировались сложные молекулярные соединения.
Серьезным основанием для такой гипотезы является то, что к настоящему времени радиоастрономическими методами в космической межзвездной среде, состоящей из пыли и газа, открыто множество типов сложных 9—13 атомных органических молекул, включая молекулы этилового спирта и даже молекулы аминокислоты (глицин), которые являются компонентами белков.
Таким образом, даже в жесточайших экстремальных условиях межзвездной среды при средней концентрации вещества порядка 1 атома водорода в кубическом сантиметре (концентрация вещества в атмосфере у поверхности земли ~1019 атомов в кубическом сантиметре) и температуре, близкой к абсолютному нулю, при облучении жесткой космической радиацией, по-видимому, на поверхностях пылинок осуществляется синтез сложных органических молекул.
Это, а также результаты прямых лабораторных экспериментов по моделированию физико-химических условий на поверхности ранней Земли, дает основания предположить, что на ранних стадиях эволюции Земли на ее поверхности вполне могли идти химические реакции синтеза сложных органических молекул.
Однако понять, как совершился скачок от неживой органической материи к живой форме, обладающей свойствами самовоспроизводства и гомеостаза, пока не удается. Выше уже отмечалось, что новейшие данные молекулярной биологии позволяют предполагать, что вначале на Земле сформировались не белки, а молекулы РНК, которые, обладая свойствами ферментов, привели к синтезу молекул белков, ДНК и далее — современных форм жизни.
Химическая структура молекулы РНК гораздо проще, чем белков и ДНК. Однако даже переход от неживой материи к простейшим молекулам РНК — это гигантский качественный скачок в эволюции материи, и как он произошел пока неясно. Решение этой фундаментальной проблемы — дело будущих лабораторных химико-биологических экспериментов.
Гипотеза панспермии
Как отмечает академик Пармон, принципиальный вопрос в проблеме зарождения жизни — это поиск химических систем, более простых, чем РНК и ДНК, но которые могли бы хранить свою химическую предысторию и обеспечивать поступательную эволюцию своих свойств за счет химических изменений в носителях информации.
В последние годы было выяснено, что способностью к однонаправленной химической эволюции должны обладать не только биологические организмы, но и достаточно простые химические системы, не имеющие специальных носителей биологической информации. Иными словами, естественный отбор может происходить не только в случае эволюции живых организмов, но и в неживых, но специфических химических системах.
Пармоном было показано, что в системе, содержащей химически невзаимодействующие автокатализаторы, которые конкурируют за один и тот же вид «пищи», при уменьшении объема пищи возникает феномен «естественного отбора», приводящий к «прогрессивной эволюции» автокатализаторов.
Таким образом, первичный естественный отбор на ранней стадии эволюции Земли мог происходить без РНК и ДНК. Поэтому можно предполагать, что пребиотическая фаза естественного отбора до появления первых молекул РНК занимала не миллиарды, а лишь десятки миллионов лет после охлаждения поверхности ранней Земли и появления в ней природных вод, в которых шли химические реакции и появлялись и исчезали прототипы живых организмов.
Крик и Оргелл в 1973 году, вслед за Аррениусом и Циолковским, для объяснения зарождения жизни на Земле предложили гипотезу направленной панспермии (занесении спор жизни на Землю из космического пространства).
Предполагается, что где-то в глубинах Вселенной в результате одного или нескольких чрезвычайно маловероятных процессов зародились примитивные формы жизни, которые в дальнейшем были занесены на Землю каким-либо способом (падающими кометами, метеоритами и т. п.).
Поскольку в данном случае в процессе естественного отбора участвует не одна Земля, а вся Вселенная, шансы зарождения живой материи значительно выше. Легко видеть, однако, что в гипотезе направленной панспермии проблема зарождения жизни не решается, она лишь переносится с Земли в другую точку Вселенной.
В последние годы гипотезе о происхождении зародышей жизни в Космическом пространстве уделяется серьезное внимание. Например, академик Заварзин утверждает: «происхождение жизни окончательно вытеснено в Космос». А академик Соколов подчеркивает, что предбактериальные организмы нам вовсе неизвестны.
Некоторые философы даже предполагают, что зародыши жизни существуют вечно в эволюционирующей вселенной.
С этим нельзя согласиться. Действительно, современная космология учит, что Вселенная нестационарна и 15 миллиардов лет тому назад она находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии, при котором не могли существовать даже элементарные частицы.
Более того, даже после Большого взрыва и начала расширения Вселенной был период (порядка нескольких сотен миллионов лет), когда Вселенная состояла в основном лишь из водорода и гелия с небольшой примесью дейтерия и лития. На этой стадии развития Вселенной жизнь также не могла зародиться, поскольку во Вселенной не было тяжелых элементов и, главное, углерода — основного компонента органической жизни. Тяжелые элементы появились во Вселенной, когда ее возраст был близок к 1 миллиарду лет. В этот период из первичной водородно-гелиевой плазмы формировались звезды первого поколения. Термоядерный синтез химических элементов в недрах этих звезд и последующие взрывы сверхновых привели к обогащению Вселенной тяжелыми элементами, что создало условия для зарождения жизни.
Таким образом, гипотеза о существовании вечных зародышей жизни во Вселенной является неприемлемой с точки зрения современной космологии.
О происхождении генетического кода
Выше уже упоминалось, что генетический код земных живых организмов почти универсален в том смысле, что его основная часть одинакова для всех форм жизни на Земле. Лишь для некоторых экзотических систем трансляции (синтеза белка) найдены слабые отклонения в генетическом коде.
По мнению большинства биологов, генетический код явился продуктом добиологической молекулярной эволюции и продолжал частично эволюционировать в дальнейшем.
Гипотезы возникновения генетического кода как стохастического процесса молекулярной эволюции, учитывают следующие возможности:
а) свойства генетического кода могли быть предзаданы физико-химическими параметрами взаимодействующих компонент и условий их взаимодействия;
б) они могли быть отобраны, как адаптивные, среди многих альтернативных вариантов;
в) свойства генетического кода были фиксированы случайно. Например, в 1968 году Крик предложил гипотезу «замороженного случая». Он предположил, что в процессе эволюции была зафиксирована первая случайная, но достаточно удовлетворительная система кодирования. Эта система в дальнейшем была размножена и подверглась эволюционному усложнению и оптимизации.
Как путем случайных блужданий в пространстве и времени сформировался генетический код в современном виде, пока остается загадкой. Ясно лишь то, что генетический код представляет собой не случайный набор, а высокоорганизованную систему соответствий, поддерживаемую сложными молекулярными механизмами.
Как отметил Крик, «генетический код — это ключ к молекулярной биологии, поскольку он показывает, как два великих языка полимеров — язык полинуклеотидов и язык полипептидов (белков) связаны между собой».
Естественный отбор
После возникновения первых простейших живых организмов, типа сине-зеленых водорослей, которые функционировали, когда атмосфера Земли была насыщена углекислым газом, и в ней практически отсутствовал молекулярный кислород (так называемая, анаэробная жизнь — жизнь в отсутствие кислорода), начал работать дарвиновский механизм естественного отбора.
Этот механизм в простейшем случае включает три этапа: случайное появление мутаций в гене; изменение той биологической функции, которая определяется этим геном; закрепление изменения, если оно дает преимущества в борьбе за существование (выживают наиболее приспособленные).
Однако, как подчеркивает академик Скулачев, такая простейшая схема пригодна лишь в том случае, когда мутация приносит немедленную выгоду эволюционирующей особи. Она не работает, если появление полезных свойств происходит лишь после последующих мутаций в данном или других генах.
В ряде случаев естественный отбор в его простейшем варианте может не способствовать, а препятствовать прогрессу эволюции. Все это замедляет биологическую эволюцию.
В последние годы биологами были предложены механизмы переключения режимов существования биологической популяции, которые позволяют ускорить ее эволюцию. Речь идет о так называемых r- и k-стратегиях в жизни биологической популяции. Стратегия типа r предполагает бурное размножение и короткую продолжительность жизни особей, а стратегия типа k соответствует низкому темпу размножения и продолжительной жизни.
В случае r-стратегии смена поколений происходит чаще, поэтому вероятность формирования новых свойств у особей выше, чем в случае k-стратегии. Переключение r- и k-стратегий может происходить случайно, при этом выживают те особи, которые выбрали стратегию, более соответствующую условиям конкретной среды обитания. Такое переключение стратегий может осуществляться специальным геном или группой генов.
По мнению Скулачева, центральную роль в реализации переключения стратегий играют активные формы кислорода в организмах. Механизм переключения r- и k-стратегий позволяет ускорить биологическую эволюцию. Вполне возможно, что в природе существуют и другие механизмы, приводящие к ускорению эволюции.
Как подчеркивает академик Алтухов, классическая дарвинская схема эволюции, трактующая образование биологических видов как вероятностный процесс, в последние годы пересматривается. С развитием генетики накапливается все больше фактов в пользу того, что образование биологических видов должно быть скачкообразным, связанным с коренной перестройкой генома организма, а не происходить в виде длительного адаптивного процесса постепенных замещений отдельных генов.
Родословные деревья живых организмов
В 1977—79 годах благодаря успехам экспериментальной и теоретической молекулярной биологии началась массовая расшифровка последовательностей аминокислот в белках и последовательностей нуклеотидов в ДНК и РНК.
К настоящему времени накоплены огромные международные банки данных о миллионах генов и сотнях тысяч белков.
Расшифровка нуклеотидных последовательностей генов позволяет изучить процесс эволюции жизни на Земле с точки зрения молекулярного уровня организации живого вещества.
Известно, что многие мутации генов состоят в замене лишь одного или нескольких нуклеотидов, при этом большая часть гена остается неизменной. Чем раньше появились мутационные различия двух генов, тем больше различий они накопят. Поэтому анализ сходства последовательностей макромолекул (ДНК, РНК и белков) позволяет построить их филогенетическое (т. е. родословное) дерево или, как говорят биологи, осуществить филогенетический анализ.
Результаты такого анализа позволили американскому ученому Гудмену построить филогенетические деревья для некоторых генов и белков от высших приматов и человека.
Из этих данных следует, что наиболее близким к человеку в эволюционном смысле является шимпанзе. Оценки показывают, что свыше 99% нуклеотидов у геномов человека и шимпанзе одинаковы. Геномы шимпанзе и человека существенно «разошлись» примерно 5—10 миллионов лет тому назад.
Программа «Геном человека»
В течение последнего десятилетия достигнуты огромные успехи в международной программе «Геном человека», посвященной решению проблемы картирования генов человека. Как уже отмечалось, ген — это участок молекулы ДНК, кодирующий определенный белок. Число генов в составе ДНК человека около 50—60 тысяч, что составляет только 3% общей длины ДНК; роль остальных 97% пока неясна.
В каждой клетке человека содержится 46 молекул ДНК, которые распределены в 23 парах хромосом. Хромосомы — это структуры, по которым распределена полная молекула ДНК. Число хромосом зависит от природы живого организма. В пределах каждой хромосомы ДНК представлена одной линейной двойной спиралью гигантского размера — каждая из нитей спирали содержит сотни миллионов нуклеотидов.
Суммарная длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке человека равна около 2 метров. Полная же длина всех молекул ДНК в теле взрослого человека, состоящего из 5х1013 клеток, составляет 1011 км, что в тысячу раз превышает расстояние от Солнца до Земли.
В геноме человека с помощью четырех оснований записана кодировка состава синтезируемых белков, а также инструкции о том, как клеткам выживать, как реагировать на внешние воздействия, как будет происходить развитие тела человека и много других сведений о функционировании организма.
Поломка генных инструкций ведет к мутациям. Если мутации происходят в генеративных клетках — сперматозоидах или яйцеклетках человека, то мутации передаются следующим поколениям.
Цель проекта «Геном человека» состоит в выяснении последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека. Кроме того, должна быть установлена локализация всех генов, что должно помочь выяснить причины наследственных заболеваний и открыть пути к их лечению.
В выполнении проекта «Геном человека» задействовано несколько тысяч ученых: биологов, химиков, математиков и физиков, а также ученых в области технических наук. Это один из самых дорогостоящих научных проектов — его суммарная стоимость составляет многие миллиарды долларов. К настоящему времени практически полностью расшифрована полная последовательность ДНК человека.
Главная задача исследований — изучить вариации ДНК в разных органах и клетках отдельных индивидуумов и выявить генетические различия между ними. Анализ таких различий позволит построить индивидуальные генные портреты людей, что даст возможность лучше лечить болезни. Кроме того, такой анализ позволит выявить различия между популяциями и выявить географические районы повышенного риска поражения генома людей.
Исследования генома человека и геномов других организмов, например, мышей и т. п. позволят лучше понять эволюцию органического мира.
В частности, исследования генома археобактерий (древних бактерий, принадлежащих к типу так называемых прокариот, в клетках которых нет ядер, но есть одиночные двунитевые молекулы ДНК) показали, что эти бактерии представляют собой отдельную ветвь на эволюционном (филогенетическом) дереве живых существ на Земле.
Таким образом, благодаря геномным исследованиям стало ясно, что в ходе эволюции жизни на Земле сначала выделились представители архей, имеющих клетки без ядер, а позже — эукариот (состоящих из клеток с ядрами), включая человека.
Геномными исследованиями было выявлено также совпадение нуклеотидных последовательностей у неродственных видов. Это дает основания предположить, что в процессе эволюции происходил перенос генов от одного вида к другому. Например, оказалось, что геномы человека и мыши весьма близки — их нуклеотидные последовательности совпадают более чем на 90%.
Система органического мира на Земле
Рассмотрим теперь общую систему органического мира на Земле, которая образовалась в результате длительной (~3,8 миллиарда лет) эволюции.
Принципиальное сходство генетического кода, организации макромолекул, а также биохимического аппарата синтеза белка свидетельствует о единстве происхождения всех живых организмов на Земле. Биологи предполагают, что у живых организмов был один общий предок — «прогенот». Что он собой представлял, пока окончательно неизвестно.
Как считает А. С. Спирин, универсальным предшественником живых организмов («прогенотом») могло быть своеобразное «коммунальное» сообщество колоний — ансамблей РНК, существующих и размножающихся на твердых и гелеобразных поверхностях первобытной Земли.
Во второй половине XX века удалось установить, что все живые организмы, имеющие клеточное строение, могут быть отнесены к одной из двух групп: прокариотам и эукариотам. Как уже отмечалось, у прокариот клетки устроены проще, чем в случае эукариот: они не имеют ядра. Клетки эукариот не только имеют ядро, но и обладают элементами, которые они не могли получить от предков современных прокариот.
Биологи считают, что современная эукариотная клетка возникла в результате длительных и многократных слияний более простых организмов. Процесс возникновения более сложных организмов за счет слияния нескольких простых называется симбиогенезом.
На рис. 2.3 приведена схема эволюции органического мира Земли согласно теории симбиогенеза.
Предполагается, что общий предок земных живых организмов «прогенот» дал начало трем самостоятельным ветвям эволюционного дерева, называемым доменами. Выделяют три домена: бактерии, археи и эукариоты.
К настоящему времени в системе органического мира Земли, с учетом современного и ископаемого материала, выделяют от 4 до 26 так называемых царств (например, царство бактерии, царство животные и т. п.), от 33 до 132 типов, от 100 до 200 классов, а общее число видов оценивается в несколько миллионов. Теория и практика классификации органических объектов получила название таксономии.
На рис. 2.4 приведена система классификации живых организмов на Земле, включающая Империю (Жизнь), два надцарства (доядерные организмы — прокариоты и ядерные организмы — эукариоты) и пять царств (царства бактерий, цианобионт, растений, грибов и животных). Надцарство прокариот (доядернных организмов) появилось на Земле 3,8—3,1 млрд. лет тому назад. Это одноклеточные и многоклеточные (колониальные формы) организмы, не имеющие обособленного ядра.
Клетки прокариот имеют стенку, а генетическая информация сосредоточена в единственной хромосоме. Размеры прокариот составляют от 0,015 мкм (микрон) до 20 см (колониальные формы). Бактерии появились на Земле 3,5—3,8 миллиарда лет тому назад, а цианобионты — 3,5 миллиарда лет тому назад.
Благодаря наличию хлорофилла, цианобионты являлись первыми фотосинтезирующими организмами, производящими биогенный молекулярный кислород в атмосфере Земли (которая вначале состояла в основном из углекислого газа).
Надцарство эукариот появилось на Земле 1,5—1,7 миллиардов лет тому назад, то есть значительно позднее надцарства прокариот. Надцарство эукариот — это одноклеточные и многоклеточные организмы, разделяющиеся на три царства: царство растений, царство грибов и царство животных. Размеры эукариот составляют от 10 мкм (одноклеточные) до 33 м (китообразные) и даже 100 м (высота некоторых деревьев).
Растения — это разнообразные, главным образом, неподвижные организмы, имеющие верхушечный рост. Для растений характерен фотосинтез — поглощение энергии света и выделение молекулярного кислорода. Кроме того, растения из неорганических соединений создают органические.
Грибы сочетают свойства как растений, так и животных. Их сходство с растениями: неподвижность, верхушечный рост размножение с помощью спор. В то же время, у грибов, как и у животных, отсутствует фотосинтез.
Животные — это одноклеточные и многоклеточные организмы, обладающие следующими признаками:
1) питание осуществляется готовыми органическими продуктами путем их заглатывания;
2) клетки животных не имеют целлюлозной оболочки и различных пигментов, свойственных растениям;
3) животные подвижны либо на протяжении всей жизни, либо на отдельных возрастных стадиях.
Размножение животных происходит двумя способами: половым и бесполым (путем деления или почкования).
Разум и человек
На высшей ступени развития животных находится человек, который обладает разумом. Разум и интеллект являются самыми совершенными из известных форм существования материи. Разумная деятельность выражается в том, что человек с помощью системы высшей нервной деятельности может строить модели окружающего мира, накапливать и запоминать информацию о внешнем мире.
Сравнение модели внешнего мира с накопленной информацией позволяет человеку вырабатывать стратегию поведения, самообучаться и, в конечном счете, осуществлять систему поведенческих актов, направленных на удовлетворение своих потребностей.
В книге Шкловского «Вселенная, жизнь, разум» проанализированы также функциональные определения жизни и разума, не зависящие от конкретного носителя жизненных процессов и основанные на идеях кибернетики и теории управления сложных систем. С функциональной точки зрения, главные особенности жизни и разумной деятельности — это накопление, переработка информации и управление при наличии обратной связи.
Как у человека появился разум, то есть способность к пониманию и осмыслению, пока не совсем ясно. Несомненно, что появление разума означало качественно новый этап в развитии материи во Вселенной по схеме «неживая материя — жизнь — разумная жизнь». Выше уже отмечалось, что, согласно данным филогенетического анализа, эволюционные пути человека и наиболее близкого к нему высшего примата — шимпанзе, разошлись 5—10 миллионов лет тому назад. Что послужило толчком к появлению разума у древнего человека?
Эволюционный характер разума
Современная биология, изучая нейробиологические основы высшей нервной деятельности человека, подчеркивает, что существует много сведений, свидетельствующих о наличии у животных свойств высшей нервной деятельности, которые ранее считались присущими лишь человеку.
Оказалось, что многое из того, что ранее считалось специфичным для человека и связывалось с его особым социальным развитием, в той или иной степени присуще и животным, то есть имеет общие нейробиологические основы. Это, разумеется, не отрицает наличия у человека качественно новых свойств по сравнению с другими высшими животными, но ставит вопрос о правомерности существующих ныне критериев специфичности для человека. Кроме того, это подчеркивает эволюционный характер формирования разума человека.
До последнего времени бесспорным проявлением специфичности мозга человека считалась структурная и функциональная асимметрия коры больших полушарий. Правое полушарие связывается с пространственно-синтетической деятельностью, левое — с речевой и аналитической. Однако в последнее время накоплены убедительные доказательства функциональной асимметрии мозга и у животных. Более того, как и у людей, у животных степень асимметрии мозга разная для мужских и женских особей.
Пожалуй, наиболее специфической особенностью человека является его речевая способность. Биологи считают, что сегодня нет оснований для безоговорочного признания существования языка у животных. Как правило, акустические сигналы животных отражают не события внешнего мира, а являются проявлениями их внутреннего состояния. Лишь в редких случаях акустические сигналы животных означают те или иные события внешнего мира. К их числу можно отнести сигналы опасности обезьян, специфичные по звучанию при появлении трех хищников: змеи, леопарда и орла. Считается, что знаковые системы, которыми в состоянии пользоваться обезьяны (несколько сот знаков), можно сопоставить с уровнем развития 2—3 летнего ребенка.
Описанные сходства в проявлениях высшей нервной деятельности человека и животных свидетельствуют о том, что разум человека есть результат длительной эволюции под жестоким прессом естественного отбора. По-видимому, решающую роль в формировании разума сыграл труд, однако не исключено и влияние других факторов (изменение внешних условий, накопившиеся внутренние причины и т. п.).
Определенный уровень, ступень общественного развития материальной и духовной культуры сообщества людей называется цивилизацией. Астрономы часто под цивилизацией понимают не эти качества развитого сообщества людей, а само развитое сообщество, обладающее этими качествами. К настоящему времени человеческая цивилизация достигла весьма высокого уровня развития, и деятельность человека уже стала космическим фактором. Темпы развития человеческой цивилизации столь велики, что мы не можем предсказать ее состояние даже на 100 лет вперед.
Мы кратко описали современное состояние проблемы земной жизни. Мы убедились в том, что земная жизнь насквозь пронизана эволюцией. Подавляющее большинство биологов, опираясь на новейшие достижения молекулярной биологии и генетики, считают, что жизнь на Земле возникла около 3,8 миллиардов лет тому назад естественным путем, в результате развития и самоорганизации материи с одной стороны и, с другой стороны, сложного, возможно нелинейного статистического механизма естественного отбора — современной модифицированной версии дарвиновского естественного отбора. По мере развития науки все меньше остается места идее креационизма в биологии, то есть идеи разового, божественного творения жизни на Земле.
Приведем, в заключение этого параграфа, высказывание академика Галимова об эволюции жизни на Земле: «В истории развития жизни на Земле время от времени наступали периоды стремительных качественных изменений, связанных с проявлением принципиально новых эволюционных возможностей. Самый первоначальный период — переход от молекулярной формы ее организации к клеточной. За этим последовали возникновение клеточного ядра, первое обобществление разных геномов и превращение первично независимых «особей» в органеллы одной клетки (пластиды и митохондрии), объединение клеток в многоклеточный организм, возникновение биомеханизмов (глаза, крылья, конечности), появление организмов с осмысленным поведением, наконец, появление человеческого разума.
Между отдельными эволюционными «открытиями» проходили иногда сотни миллионов лет. Эти гигантские промежутки времени были заполнены относительно медленным видоизменением биологических систем, видообразованием».
Но если жизнь на Земле возникла естественным путем, при наличии подходящих условий для ее зарождения, то можно ожидать существования жизни и на других планетах.