Генетика и генетическая информция.
Вероятно ещё в глубокой дрвности человек стал подмечать, что потомство обычно бывает похоже на родителей. Уже тогда люди старались получать, например, телят от самой удойной коровы, сеять семена растений, давших самый высокий урожай.
Люди понимали, что в потомстве сочетаются признаки предков. Но закономерности, по которым те или иные признаки передаются потомству оставалось тайной.
Среди учёных XIX века прочно утвердилось мнение: "Закон наследственности заключается только в том, что никокого закона наследственности нет". Поколебать устоявшеесе убеждение первым решился Грегор Иоан Мендаль, монах и ботаник-любитель из Брюнна (Брно). После ряда опытов, кропотливых, но гениально точных, Мендель сформулировал в 1865 году свои знаминитые законы. Увы, они были настолько просты, чтобы кто-нибудь из биологов принял их всерьёз. Они остались непонятными и непринятыми.
Мендель опередил своё время более чем на 30 лет. Только в 1900 году одновременно трое учёных в разных странах (Де Фриз в Голандии, Коренс вГермании, Чермак в Австрии) открыли заново законы наследственности, сформулированые Менделем. Этот год и считается годом рождения генетики как науки.
В чём же заключалось сущство мендельского открытия? Во времена Менделя в биологической науке считалось самоочевидным, что у потомства признаки родителей "разбовляются", "разжижается" вдвое. Учёрной и белой кошки родятся скорей всего серые котята. Растения с краснымии и белыми дадут потомство с розовыми цветками.
Одна из заслуг Менделя заключалась в том, что он четко покозал: ничего подобного не проиходит. Признаки никогда не сольются воедино. Что же произойдёт? Один из признаков окажеться более сильным (доминантным), другой - более слабым (рецессивным).
Если скрещины породы или сорта (например, растения, много поколений давшие только красные или только белые цветки), один из признаков в первом поколении сотрётся, исчезнет, как будто его и небыло. Скажем, все до единого цветки будут только красные.
Предположим теперь, что мы скрестили два таких красных цветка. Каким будут цветки их потомков? Казалось бы, ответ очевиден: только краснвми. Но ничуть не бывало. Примерно у четвертииз них они внезапновновь окрестятся в белый цвет.
Мендель предположил, что каждый признак живого существа - у растений, например, окраска цветков, форма плодов и семян, высота стебля-определяется наследственными, как он их назвал, зачатками. Позднее, в 1909 году, эти зачатки он назвал генами (от греческого "генос" - род, происхождение). Если от признаковрастений перейти к признакам людей, то можносказать, что есть ген цвета волос и ген цвета глаз, ген, определяющий рост человека и т.д.
Как, исходя из предположения о существовании генов,обьяснитьнаблюдаемые факты? Мендель счёл, что в организмах существует пара "зачатков" (генов) для каждой пары признаков. Ген красной окраски цветков и ген белой окраски цветков. Ген высокого стебля и ген низкого стебля. И так далее. Причём, когды гены в паре различные, проявляется только один, доминантный, а второй "маскируется". Ген не может "расствориться" или"слиться"с другим. Он всегда остаётся самим собой. Потому - чтоу чёрной кошки могут иногда родиться белые котята. Это значит, что кто - тоиз предков чёрной кошки имел белую окраску.
Вернёмся к опыту по скрещиванию растений с красными и белыми цветками. Из поколения в поколение гены "тасуются" совершенно случайно, подчиняясь только закону вероятности. Но если в этой "лотерее" растению даётся только пара генов - "красный и красный" или "красный и белый", очевидно, что цветки его будут красными. Только если выпадает "булое и белое", у растения образуются белые цветки. Ген определяющий доминантный признак, обазначают заглавной буквой алфавита (А, В), ген, обозначающий рецессивный признак, - строчечной (а, в).
Бессознательно применяя законы генетики, человек с помощью искусственного отбора вывел множество пород домашних животных. Например, все многочисленные породы домашнейсобаки являются потомками обыкновенного волка.
Что такое ген?
Долгое время генетики не знали ответа на вопрос, что же собой представляет ген в действительности. Биолог Вильгельм Иогансен, первым предложивший этот термин, писал о нём так: "Ген - просто короткое и удобное слово, которое легко сочетается с другими". Долгое время ген был окутан покровом таинственности, и в СССР долгое время (с конца 30-х начало 60-х гг. ХХ в.) служил поводом для бесчисленных обвинений генетиков в "реакционных мистических воззрениях", "идеализме" и тому подобных грехах.
Первым учёным, приблизившим отвлечённое понятие гена к реальности, стал американец Томас Морган. Он решил выяснить: существует ли в клетках живых организмов что-то, похожее по своим свойствамна предпологаемыеменделевские "зачатки".Вскоре его внимание остановилась на хромосомах. Хромосомы - это особые тельца в ядрах клеток. Во время деления клеток (митоза) они исполняют сложный "танец", сходятся и расходятся, в результате чего новые образовавшиеся клетки получаютв точности такой же набор хромосом, как и материнские.
Морган изучал хромосомы дрозофилы - маленькой мушки, легко разводимой в лаборатории. В скоре он заметил удивительную вещ. Размер и форма хромосом в клетках мушек были достаточно постоянны, и если они внезапно резко изменялись - облик самой мушки также обычно становился уродливым.
(Заметим, что такое скачкообразное и наследственное изменение облика (мутация), иногда не значительное, иногда более более существенное,как раз и создаёт почву для эволюции. Большинство мутаций вредно и даже смертельно для организмов. Немногие организмы, у котрорых произошли полезные мутации, биологи их называют "счастливыми уродцами".)
Морган пришёл к выводу.,что гены находятся в хромосомах. Множество опытныхданных подтверждало эту гипотизу. Новопрос о том, что же представляет собой ген, по - прежнему оставался не открытым.
В 1944 г. вышла в свет книга выдающегося физика Эрвина Шрёдингера "Что такое жизнь с точки зрения физика?". В ней он высказал любопытные идеи о вероятном строении гена, назвав его "апериодическим кристалом". По его мнению ген должен состоять из нескольких повторяющихся элементов, которыми, как азбукой Морзе, записана наследственность организма.
Долгое время, исходя из ключевой роли белков и живых организмов, биологии считали, что гены тоже, видимо, должны представлять собой особые белки. Но истина окпзалась на много сложнее.
В1953 году в международном научном журнале была напечатана статья биологов Джеймса Уотсона и Френсиса крика о строениидезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) - одного из веществ, постоянно присутствующих в хромосомах. Структура ДНК оказалась совершенно необычной!
Её молекулы имеют огромную по молекулярным масштабам длинну и состоят из двух нитей, сплетённых между собой в двойную спираль. Каждую из нитей можно сравнить с длинной нити бус. С нитками бус мы сравнивали и белки. У белков "бусинами" являются аминокислоты 20 различных типов. У ДНК - всего 4 типа "бусин", и зовуться они нуклиотидами. "Бусины" двух нитей двойной спирали ДНК связаны между собой и строго друг другу соотвецтвуют. Чтобы наглядно представить себе это, вообразим две рядом лежащие нитки бус. Напротив каждой красной бусины в одной цепи лежит, допустим, синяя бусина в другой. Напротив каждой зелёной - жёлтая. Точно также в ДНК напротив нуклеотида аденина находится тимин, напротив цитозина - гуанин.
Зачем это нужно? Просто напросто при таком правилепостроения двойной спирали каждая из цепей содержит свединия о строении другой. зная строение одной цепи, всегда можно восстановить другую. Получается две двойные спирали - точные копии их предшествинници. В технике часто встречаются процессы изготовления готовых изделий по шаблону, называемому матрицей, например отливка монет или медалей, типографского шрифта. По аналогии происходящее в живой клетке восстановление двойной спиралипо одной её цепи, как по матрице, также називают матричным синтезом.
Это свойство точно копировать себя с исходной матрицы имеет ключевое значение для жизни на Земле. Реакции матричного синтеза не известны в неживой природе. Без этих реакций живое утратило бы своё главное свойство - способность воспроизводить себя.
В нитях ДНК четырёх буквенной азбукой из "бусин" - нуклиотидовзаписяно строение всех белков живых организмов. Вся информация, касающаяся строения однго белка, занимает в ДНК небольшой участок. Этот участок и является геном. Из четырёх букв "алфавита ДНК" можно составить 64 трёхбуквенных "слова"- триплета. Словаря из 64 слов вполне хватает, чтобы записать названия 20 аминокислот, входящих в состав белков.