Биология и проблемы наследственности

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Едва ли не самое удивительное свойство живого организма — способность повторять себя в поколениях, передавать потомству свои морфологические и физиологические признаки. С древнейших времен это явление привлекало к себе внимание пытливых умов философов и биологов. Ученые по-разному объясняли способность живых организмов передавать потомству признаки родительских особей. Их споры по этому вопросу известны в истории биологии как борьба идей преформизма и эпигенеза.

Представители одной школы, так называемые преформисты, утверждали, что уже в самих зародышевых клетках существуют готовые зачатки всех частей тела животных. Эту теорию помогает понять несложная китайская игрушка: брошенный в воду маленький бесформенный бумажный комочек распускается в букетик различно окрашенных цветов. Сторонники других взглядов — эпигенетики — допускали, что зародыш во всей его сложности развивается из исходно простых образований путем последовательных превращений.

Пропасть между преформизмом и эпигенезом казалась непреодолимой, а споры представителей обеих школ уводили в туман идеалистической схоластики или в вульгарный механицизм. Однако современные знания о зародышевых клетках заставили бы самых ярых научных противников понять и признать друг друга, так как стала очевидна, с одной стороны, чрезвычайная сложность полинуклеотидов ядра клетки, с которой можно связывать передачу наследственных свойств, а с другой — получены факты о не менее сложных преобразованиях в ходе индивидуального развития организма.

Уголок завесы приоткрыт

Этими знаниями в первую очередь мы обязаны биологической химии наших дней, проникшей в тайну полимеров, нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновых (ДНК) и рибонуклеиновых (РНК). Первые сосредоточены в ядре клетки и являются носителями наследственных свойств. Вторые — в особых тельцах (микросомах) протоплазмы клетки и связаны с биосинтезом белков, свойственных данному организму. Эти две системы нуклеиновых кислот теснейшим образом взаимосвязаны. И та и другая передают наследственные свойства, причем, как показали биохимические исследования, каждому виду растений и животных соответствуют свои типы полинуклеотидов. Это явление носит название видовой специфичности нуклеотидов. Хотя все полинуклеотиды имеют общий план строения, они представляют собой бесконечное множество различных биохимических структур. Это объясняется тем, что ДНК и РНК построены из тысяч нуклеотидов.

Чтобы представить себе, какое несметное количество возможных комбинаций создается из этих полимеров, достаточно вспомнить, что миллионы слов человеческой речи складываются всего лишь из 30—35 звуков. Говоря несколько фигурально, мы можем считать, что количество биохимических сочетаний неограниченно. Ведь жизнь — это огромное поле бесчисленных возможных новых форм.

Перспективы дальнейших исследований

Нельзя ли объяснить способностью полинуклеотидов к безграничным вариациям сочетаний механизм изменчивости в эволюционном развитии живого населения нашей планеты? Чтобы попытаться сделать это, надо еще более углубленно изучать полинуклеотиды ядра и цитоплазмы (протоплазма клетки). И здесь перед исследователями стоят большие задачи. Мы знаем, например, что ДНК — хранительница наследственных свойств, но нам не ясно еще, какие ее части, детали, свойства сохраняют информацию о конкретных особенностях организма. Нужно выяснить также, каким путем полученные по наследству зачатки воплощаются в конечном итоге в организм, то есть, как происходит сам процесс реализации наследственной информации, как формируется организм, создается его морфологическая и функциональная целостность. Для решения этих задач необходимы совместные усилия биохимиков, морфологов, биологов, физиологов.

Теоретические положения хотелось бы объяснить примерами, иллюстрировать фактами большого научного значения, добытыми совместными усилиями ученых различных специальностей — эмбриологами, зоологами, палеонтологами. Именно эти факты заставили биохимиков проникнуть в глубину клетки. В свою очередь, благодаря достижениям биохимии в области изучения полинуклеотидов сами они могут быть по-новому осмыслены наукой.

Известно, что в подавляющем большинстве случаев развитие животного организма начинается с оплодотворения клетки, со слияния мужской и женской зародышевых клеток, их ядер. Но известно немало случаев, когда развитие женской зародышевой клетки совершается партеногенетически, то есть без участия мужской. Если взять для примера многоклеточных животных, то и у них формы эмбрионального развития чрезвычайно разнообразны. Чем дальше стоят виды друг от друга, тем на более ранних этапах пути их развития расходятся. Иногда все развитие организма, начиная с оплодотворения, совершается во внешней среде, а иногда дочерний организм покидает тело матери уже почти полностью сформированным и приспособленным к самостоятельному существованию.

В одних случаях развивающийся организм проходит сложный путь личиночных превращений, причем нередко личиночные стадии совершенно не похожи на взрослую форму, а в других — из яйца выходит организм, в основных чертах схожий с взрослым. Все это представляет собой формы приспособлений к условиям существования. Но наряду с этим особенности, приобретаемые на разных стадиях развития организма, могут также соответствовать тем, которыми были наделены отдаленные предки животных. Эти особенности иногда называют атавизмом.

Так, например, личинки современных иглокожих, организация которых основана на пятилучевой симметрии, имеют двубокую симметрию — так, как это было и у их отдаленных предков.

Иногда уже в яйце можно наблюдать зоны, соответствующие будущим эктодерме, энтодерме и мезодерме организма, а иногда эти зародышевые слои формируются значительно позднее.

Эмбриональное развитие разных групп животных проходит по-разному. Однако при всем разнообразии, имеющем место в эмбриональном процессе, сохраняются и некоторые единые черты, указывающие на единый корень животного мира. Учение о зародышевых листках до настоящего времени не поколеблено.

Современная эмбриология располагает поистине огромным фактическим материалом. Однако причины, движущие эмбриональный процесс в том или ином направлении, и по сей день почти совсем не раскрыты. Возможно, что и в данном случае ключ к поисковым исследованиям даст биохимия полинуклеотидов.

Все живые обитатели биосферы могут сохранять свою организацию в течение миллионов лет. Мы знаем среди моллюсков, ракообразных и других животных немало таких форм, которые существуют в почти неизменном виде с палеозойского периода, то есть в течение сотен миллионов лет. Причем, как правило, организмы проходят сквозь геологические эпохи неизмененными, если условия их существования также переживают века. Возможно, что сложность аппарата передачи свойств родителей требует стабильности и, так сказать, «защищена» от быстрых изменений.

Так, в арктических морях, в самых холодных их районах, в большом количестве встречается моллюск портландия (или иольдия). Он обитает при отрицательной температуре, сохраняя эту особенность со времен прежних геологических эпох; его именем назван даже один из межледниковых периодов. Этот моллюск не мог приспособиться к существованию при положительной температуре и в послеледниковое время вымер на огромных пространствах северной части Атлантического океана, сохранившись только в ископаемом состоянии. Например, его находят в Балтийском море, где 12 тысяч лет тому назад он образовывал обширные поселения.

Ракообразное — щитень, обитатель мелких пресных водоемов — существует почти в неизменном виде с триаса, то есть свыше 150 миллионов лет. Отдельные формы, осколки вымерших групп, «живые ископаемые» иногда сохраняются десятки и сотни миллионов лет и приводят исследователей в изумление примитивностью и древностью черт организации. В середине прошлого века всю мировую печать обошло сенсационное известие о том, что в Индийском океане нашли живую кистеперую рыбу латимерию, тогда как вся группа палеозойских кистеперых рыб считалась вымершей уже в меловое время. Не меньший шум вызвало в научном мире и то, что на больших глубинах Тихого океана у американских побережий были найдены два вида моллюска неопилины, тогда как весь класс, к которому следует относить неопилину (однокрышечковые), вымер 300—400 миллионов лет тому назад. Там же обнаружена подобная форма из группы иглокожих (сомастероид) с очень древними примитивными признаками, а вся группа вымерла несколько сот миллионов лет тому назад.

Латимерия.

Подобных примеров мы знаем немало. К ним относятся и сохранившиеся четыре вида чудовищных по своему облику мечехвостов, осколков давно вымершей фауны. Тайна вымирания больших групп животных, бывших в геологическом прошлом хозяевами океана, а равно и сохранения до наших дней «живых ископаемых» не разгадана нами пока ни в какой степени. В органическом мире ярко проявляется способность живых существ передавать свой морфофизиологический облик через огромное количество поколений.

Однако нельзя забывать, что известны примеры не только видовой устойчивости, но и очень быстрых эволюционных изменений. Если бы мы могли снять всю историю живого населения нашей планеты ускоренной киносъемкой — миллион лет в секунду, — мы бы совершенно реально ощутили колоссальные масштабы пройденного пути от низших форм, через одноклеточные существа, к высшим — насекомым, моллюскам, позвоночным.

О чем говорят все эти факты? О том, что в живом организме заключено единство противоположных тенденций. С одной стороны, стремление к стабильности, сохранению своих особенностей, с другой — способность к эволюционным изменениям.

Открытие и изучение полинуклеотидов ядра и цитоплазмы в виде ДНК и РНК означает, что ученые нашли в самой клетке готовую систему, способную передавать наследственные свойства, достаточно консервативную, чтобы повторять специфический синтез, а в то же время способную к бесконечным вариантам. Может быть, во взаимодействии этих полинуклеотидов и кроются конкретные механизмы приобретения новых признаков и наследования их потомством. Но, безусловно, и сами ДНК и РНК являются только этапом эволюционного процесса.

Дальнейшее углубленное изучение полинуклеотидов, очевидно, поможет проникнуть в сущность изложенных явлений, в их причинные взаимозависимости и взаимосвязи.

Автор: Л. А. Зенкевич.