После человека. Зоология будущего - Дугал Диксон

Генетика клетки

Животные, а также, разумеется, растения сложены из микроскопических кирпичиков, называемых клетками. Клетки, находящиеся в разных органах и тканях одного и того же существа, обладают отнюдь не одинаковыми размерами и формой – кости «сконструированы» из угловатых клеток, почки – из округлых, нервы – из длинных и тонких, но все они состоят из схожих компонентов. Снаружи каждую клетку окружает клеточная оболочка – мембрана, заключающая в себе студенистую цитоплазму, которая содержит множество маленьких структурных образований, называемых органеллами. Важнейшее из них – клеточное ядро, находящееся в центре клетки и несущее в себе информацию, на основе которой строится весь организм.

Информация хранится в виде кода, представляющего собой последовательность компонентов, содержащихся в длинной молекуле сложного соединения, известного как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекула ДНК немного похожа на лестницу, скрученную вдоль. Пролеты «лестницы» состоят из сахарофосфатных соединений, а каждая ступенька – из пары соединений, называемых азотистыми основаниями. Существует только четыре таких основания, и последовательность, в которой они располагаются вдоль скрученной «лестницы», дает кодированные инструкции – в соответствии с ними и формируется организм. Хотя код полностью повторяется в ядре любой клетки организма, для формирования каждого отдельного органа используются лишь немногие его участки.

Большинство клеток животных содержит одни и те же основные компоненты.

В центре находится ядро (1), в котором заключен генетический материал клетки. Митохондрии (2), отвечающие за выработку энергии, и лизосомы (3), секретирующие химические соединения, лежат ближе к поверхности цитоплазмы (4). Рибосомы (5), где происходит биосинтез белков, располагаются вдоль складчатых производных клеточной мембраны, известных как эндоплазматическая сеть (6).

Замечательным свойством молекулы ДНК является ее способность к самовоспроизведению. Молекула расщепляется вдоль и раскручивается таким образом, что каждая половина «лестницы» состоит из «перил» и половинок «ступенек». Недостающие половинки достраиваются из запаса сахарофосфатных основ, который пополняется за счет пищи живого существа и находится в ядре любой клетки. Каждый из четырех типов азотистых оснований в цепочке притягивает к себе строго специфичный тип «собрата», поэтому, когда две новые цепочки ДНК полностью сформируются, они будут абсолютно одинаковыми по последовательности компонентов. Это важнейший процесс, который лежит в основе размножения клеток и роста всех организмов.

Тем не менее, чтобы расти, организму также необходимы белки в форме тех или иных структурных элементов, таких как коллаген в случае соединительной ткани между органами или фермент, который поддерживает специфические биологические процессы. Хотя биосинтез белков происходит вне клеточного ядра, он контролируется ДНК и осуществляется путем, аналогичным ее репликации. Посредником, переносящим инструкции ДНК к центрам биосинтеза белка – рибосомам, является молекула, известная как РНК. Она формируется вдоль частично «расстегнутых» участков ДНК и лишь незначительно отличается от них. Информационная РНК двигается к рибосоме, где к ней присоединяется другая форма – транспортная РНК, которая переносит аминокислоты.

Сперматозоид проникает в яйцеклетку (А) и располагается рядом с ее ядром (Б). Хромосомы сперматозоида и яйцеклетки разделяются на отдельные цепочки, известные как хроматиды. Со-ответствующие друг другу хроматиды двигаются к противоположным полюсам яйцеклетки (В), где их окружает ядерная оболочка (Г). Затем это образование разделяется на две самостоятельные клетки (Д).

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ: (1) сперматозоид, (2) яйцеклетка, (3) ядро яйцеклетки, (4) хроматида

Именно из этих аминокислот формируются белки. Молекулы РНК являются единственными переносчиками кода и гарантируют, что аминокислоты соединяются в правильной последовательности, формируя белок. Таким способом ДНК контролирует работу всей клетки и всего организма.

Молекулы ДНК в клеточном ядре собраны в структуры, называемые хромосомами, и определенные группировки последовательностей оснований нуклеиновых кислот на ДНК дают начало тем или иным признакам организма. Эти группировки называются генами. Половина хромосом в клетках живого существа – и, следовательно, половина его генов – получена от его матери и половина от отца. Это отражается в расположении хромосом в процессе деления клетки. Затем хромосомы объединяются в пары, и те из них, что получены от матери, выстраиваются параллельно таким же, но полученным от отца, так, чтобы соответствующие гены находились рядом. Даже притом что каждый ген в паре вносит вклад в определение той или иной особенности, один ген часто маскирует эффект действия другого.

Во время деления, когда образуются две самостоятельные клетки, ДНК (А), содержащаяся внутри делящейся клетки, расщепляется надвое и формирует новые молекулы ДНК вдоль своих свободных концов (Б) из азотистых оснований и сахарофосфатов, содержащихся в клеточном ядре. Чтобы создать информационную РНК, цепочки ДНК частично расплетаются (В) и достраиваются очень похожим материалом; сахарофосфатный остов имеет незначительные химические отличия, а одно из азотистых оснований замещено другим (Г). Информационная РНК содержит код, гарантирующий присоединение транспортной РНК к верной последовательности для создания цепочки аминокислот, которая образует нужный белок.

Будучи частью процесса размножения, в половых органах формируются особые клетки, известные как гаметы – это сперматозоиды и яйцеклетки – и содержащие только половину набора хромосом, имеющегося в обычных клетках. Хотя в любой из гамет представлена одна хромосома из каждой пары, ни одна из них не идентична никакой из хромосом, полученных от отца или матери, поскольку содержит смесь генетического материала от обоих родителей. Эта особенность хромосом в гаметах как раз и отвечает за различия между разными индивидуумами одного вида, наблюдаемые в природе. Во время оплодотворения гаметы объединяются с гаметами другой особи, чтобы образовать полноценную клетку с полным набором хромосом, который, в свою очередь, делится и формирует совершенно новый организм с генетическими характеристиками, полученными от обоих родителей.

Таков – в общих чертах – тот замысловатый процесс, который позволяет растениям и животным самовоспроизводиться и передавать свои отличительные особенности от поколения к поколению. В генах, вовлеченных в этот процесс, совершаются небольшие изменения, или мутации, позволяющие происходить эволюции. Последствиями мутации являются изменения признаков взрослого организма, выросшего из клетки, содержащей ген. В большинстве случаев произошедшее изменение губительно и ведет к проигрышу организма в окружающем мире, полном конкуренции. Организм погибает, а вместе с ним гибнет и мутантный ген. Тем не менее иногда такой ген вызывает появление особенности, дающей организму заметное преимущество в борьбе за существование.

Разнообразие генетического материала, которое возможно благодаря половому размножению, образует определенный спектр характеристик, встречающихся у представителей одного вида. Естественный отбор, а он может считаться основной движущей силой эволюции, оказывает воздействие на это разнообразие, благоприятствуя отдельным характеристикам и отметая остальные в соответствии с их пользой для выживания.

Естественный отбор

Естественный отбор, являющийся результатом условий, в которых живет организм, способен оказывать один из трех видов воздействия на популяцию. Он может быть стабилизирующим, движущим или разрывающим (дизруптивным). Стабилизирующее воздействие наблюдается, когда условия среды обитания остаются неизменными в течение долгого времени, поэтому такая среда поддерживает хорошо сбалансированную популяцию животных и растений, в которой эволюционные изменения невыгодны. В силу данных обстоятельств любое изменение, происходящее у растения или животного, выведет его из четко определенной, эффективной и проверенной временем совокупности факторов, обеспечивающих выживание, и поставит в невыгодное положение, которое в итоге приведет к его вымиранию. С другой стороны, его более консервативные сородичи выживут. Животные, длительное время подвергавшиеся действию стабилизирующего отбора, могут выглядеть сравнительно неспециализированными и примитивными по сравнению с теми, у которых была более насыщенная событиями эволюционная история. Зачастую для них характерны пассивные механизмы выживания, такие как тяжелый панцирь или высокая плодовитость, компенсирующая потери от хищников.