Біологія та проблеми спадковості

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

спадковість

Чи не сама дивна властивість живого організму – здатність повторювати себе в поколіннях, передавати потомству свої морфологічні та фізіологічні ознаки. З найдавніших часів це явище привертало до себе увагу допитливих розумів філософів та біологів. Вчені по-різному пояснювали здатність живих організмів передавати потомству ознаки батьківських особин. Їх суперечки з цього питання відомі в історії біології як боротьба ідей преформізму та епігенезу.

Представники однієї школи, так звані преформісти, стверджували, що вже в самих зародкових клітинах існують готові зачатки всіх частин тіла тварин. Цю теорію допомагає зрозуміти нескладна китайська іграшка: кинута у воду маленька безформна паперова грудочка розпускається в букетик різних пофарбованих квітів. Прихильники інших поглядів – епігенетики – допускали, що зародок у всій його складності розвивається з початково простих утворень шляхом послідовних перетворень.

Прірва між преформізмом і епігенезом здавалася нездоланною, а суперечки представників обох шкіл залізали в туман ідеалістичної схоластики або у вульгарний механіцизм. Однак сучасні знання про зародкові клітини змусили б найбільш затятих наукових супротивників зрозуміти і визнати один одного, так як стала очевидна, з одного боку, надзвичайна складність полінуклеотидів ядра клітини, з якою можна пов’язувати передачу спадкових властивостей, а з іншого – отримані факти про не менш складні перетворення в ході індивідуального розвитку організму.

Куточки завіси привідкриті

Цим знанням в першу чергу ми зобов’язані біологічній хімії наших днів, яка проникла в таємницю полімерів, нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнових (ДНК) і рибонуклеїнових (РНК). Перші зосереджені в ядрі клітини і є носіями спадкових властивостей. Другі – в особливих тільцях (мікросомах) протоплазми клітини і пов’язані з біосинтезом білків, властивих даному організму. Ці дві системи нуклеїнових кислот найтіснішим чином взаємопов’язані. І та і інша передають спадкові властивості, причому, як показали біохімічні дослідження, кожному виду рослин і тварин відповідають свої типи полінуклеотидів. Це явище носить назву видової специфічності нуклеотидів. Хоча всі полінуклеотіди мають загальний план будови, вони представляють собою нескінченну безліч різних біохімічних структур. Це пояснюється тим, що ДНК і РНК побудовані з тисяч нуклеотидів.

Щоб уявити собі, яка незчисленна кількість можливих комбінацій створюється з цих полімерів, досить згадати, що мільйони слів людської мови складаються всього лише з 30-35 звуків. Говорячи дещо фігурально, ми можемо вважати, що кількість біохімічних поєднань необмежена. Адже життя – це величезне поле незліченних можливих нових форм.

Перспективи подальшого дослідження

Чи не можна пояснити здатністю полінуклеотидів до безмежних варіацій поєднань механізмом мінливості в еволюційному розвитку живого населення нашої планети? Щоб спробувати зробити це, треба ще більш поглиблено вивчати полінуклеотідні ядра і цитоплазми (протоплазма клітини). І тут перед дослідниками стоять великі завдання. Ми знаємо, наприклад, що ДНК – хранителька спадкових властивостей, але нам не ясно ще, які її частини, деталі, властивості зберігають інформацію про конкретні особливості організму. Потрібно з’ясувати також, яким шляхом отримані у спадок зачатки втілюються в кінцевому підсумку в організм, тобто, як відбувається сам процес реалізації спадкової інформації, як формується організм, створюється його морфологічна і функціональна цілісність. Для вирішення цих задач необхідні спільні зусилля біохіміків, морфологів, біологів, фізіологів.

Теоретичні положення хотілося б пояснити прикладами, ілюструвати фактами великого наукового значення, здобутими спільними зусиллями вчених різних спеціальностей – ембріологами, зоологами, палеонтологами. Саме ці факти змусили біохіміків проникнути в глибину клітини. У свою чергу, завдяки досягненням біохімії в галузі вивчення полинуклеотидів самі вони можуть бути по-новому осмислені наукою.

Відомо, що в переважній більшості випадків розвиток тваринного організму починається з запліднення клітини, зі злиття чоловічої та жіночої зародкових клітин, їх ядер. Але відомо чимало випадків, коли розвиток жіночої зародкової клітини вчиняється партеногенетично, тобто без участі чоловічої. Якщо взяти для прикладу багатоклітинних тварин, то і у них форми ембріонального розвитку надзвичайно різноманітні. Чим далі стоять види один від одного, тим на більш ранніх етапах шляхи їх розвитку розходяться. Іноді весь розвиток організму, починаючи з запліднення, здійснюється у зовнішньому середовищі, а іноді дочірній організм покидає тіло матері вже майже повністю сформованим і пристосованим до самостійного існування.

В одних випадках організм проходить складний шлях личиночних перетворень, причому нерідко личинкові стадії зовсім не схожі на дорослу форму, а в інших – з яйця виходить організм, в основних рисах схожий з дорослим. Все це являє собою форми пристосувань до умов існування. Але поряд з цими особливостями, що здобуваються на різних стадіях розвитку організму, можуть також відповідати тим, якими були наділені віддалені предки тварин. Ці особливості іноді називають атавізмом.

Так, наприклад, личинки сучасних голкошкірих, організація яких заснована на п’ятилучевій симетрії, мають двобоку симетрію – так, як це було і у їхніх віддалених предків.

Іноді вже в яйці можна спостерігати зони, відповідні майбутній ектодермі, ентодермі і мезодермі організму, а іноді ці зародкові шари формуються значно пізніше.

Ембріональний розвиток різних груп тварин проходить по-різному. Однак при всій різноманітності, що має місце в ембріональному процесі, зберігаються і деякі єдині риси, що вказують на єдиний корінь тваринного світу. Вчення про зародкові листки до теперішнього часу не похитнуто.

Сучасна ембріологія володіє воістину величезним фактичним матеріалом. Однак причини, що рухають ембріональний процес в тому чи іншому напрямку, і по цей день майже зовсім не розкриті. Можливо, що і в даному випадку ключ до пошукових досліджень дасть біохімія полінуклеотидів.

Всі живі мешканці біосфери можуть зберігати свою організацію протягом мільйонів років. Ми знаємо серед молюсків, ракоподібних та інших тварин чимало таких форм, які існують в майже незмінному вигляді з палеозойського періоду, тобто протягом сотень мільйонів років. Причому, як правило, організми проходять крізь геологічні епохи незміненими, якщо умови їхнього існування також переживають століття. Можливо, що складність апарату передачі властивостей батьків вимагає стабільності і, так би мовити, «захищена» від швидких змін.

Так, в арктичних морях, в найхолодніших їх районах, у великій кількості зустрічається молюск портляндія (або іольдія). Він мешкає при негативній температурі, зберігаючи цю особливість з часів колишніх геологічних епох; його ім’ям названо навіть один з міжльодовикових періодів. Цей молюск не міг пристосуватися до існування при позитивній температурі і в післяльодовиковий час вимер на величезних просторах північної частини Атлантичного океану, зберігшись тільки у викопному стані. Наприклад, його знаходять в Балтійському морі, де 12 тисяч років тому назад він утворював великі поселення.

трилобіт

Ракоподібне – щитень, мешканець дрібних прісних водойм – існує майже в незмінному вигляді з тріасу, тобто понад 150 мільйонів років. Окремі форми, залишки вимерлих груп, «живі копалини» іноді зберігаються десятки і сотні мільйонів років і приводять дослідників в здивування примітивністю і старовиною рис організації. В середині минулого століття всю світову пресу обійшла сенсаційна звістка про те, що в Індійському океані знайшли живу кистепереву рибу латимерію, тоді як вся група палеозойських кістеперих риб вважалася вимерлою вже в крейдовий час. Не менший шум викликало в науковому світі і те, що на великих глибинах Тихого океану біля американського узбережжя були знайдені два види молюска неопилини, тоді як весь клас, до якого слід відносити неопилин (однокришечкові), вимер 300-400 мільйонів років тому. Там же виявлена подібна форма з групи голкошкірих (сомастероїд) з дуже давніми примітивними ознаками, а вся група вимерла кілька сот мільйонів років тому.

Латимерія

Латимерія.

Подібних прикладів ми знаємо чимало. До них відносяться і збережені чотири види жахливих за своїм виглядом мечехвостів, осколків давно вимерлої фауни. Таємниця вимирання великих груп тварин, що були у геологічному минулому господарями океану, а рівно і збереження до наших днів «живих копалин» не розгадана нами поки ні в якій мірі. В органічному світі яскраво проявляється здатність живих істот передавати свій морфофізіологічний вигляд через величезну кількість поколінь.

Однак не можна забувати, що відомі приклади не тільки видової стійкості, але і дуже швидких еволюційних змін. Якби ми могли зняти всю історію живого населення нашої планети прискореною кінозйомкою – мільйон років в секунду, – ми б абсолютно реально відчули колосальні масштаби пройденого шляху від нижчих форм, через одноклітинні істоти, до вищих – комах, молюсків, хребетних.

Про що говорять всі ці факти? Про те, що в живому організмі укладено єдність протилежних тенденцій. З одного боку, прагнення до стабільності, збереження своїх особливостей, з іншого – здатність до еволюційних змін.

Відкриття і вивчення полінуклеотидів ядра і цитоплазми у вигляді ДНК і РНК означає, що вчені знайшли в самій клітині готову систему, здатну передавати спадкові властивості, досить консервативну, щоб повторювати специфічний синтез, а в той же час здатну до нескінченних варіантів. Може бути, у взаємодії цих полінуклеотидів і криються конкретні механізми придбання нових ознак і успадкування їх потомством. Але, безумовно, й самі ДНК і РНК є тільки етапом еволюційного процесу.

Подальше поглиблене вивчення полінуклеотидів, очевидно, допоможе проникнути в сутність викладених явищ, в їх причинну взаємозалежності і взаємозв’язку.

Автор: Л. А. Зенкевич.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *