Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции - Лев Кривицкий

Космос же Вселенной представляет собой триединство микро-, макро– и мегакосмоса, в котором микроуровень за пределами молекул и атомов не обладает свойствами макроскопической вещественности, а на мегауровне происходит существенная трансформация пространственно-временных форм. Неживой Космос не обладает специфическими устройствами для воспроизведения каких-либо форм жизнедеятельности. Но и он буквально «кипит» эволюцией, пронизан ею, создаёт и отбраковывает неисчислимое множество самых разнообразных порядков, создавая тем самым предпосылки для направленного развития и прогресса. К числу таких предпосылок относятся структурность, целостность, системность, организованность космических образований. Однако действие таких предпосылок может реализовать потенцию к направленной эволюции и прогрессивному развитию лишь в тех случаях, когда хаотическая самоорганизация и самоструктурирование приводят к возникновению структур, способных воспроизводить и распространять обретённый ими порядок, используя материально-энергетические ресурсы окружающей среды и преобразуя эту среду по своему «образу и подобию». Можно предположить, что такие структуры возникают в Космосе постоянно в самых различных вариантах, но перешагнуть чрезвычайно высокий порог от эволюционной «инженерии» неживого Космоса к эволюционной «инженерии» космоса жизни могут помочь лишь чрезвычайно специфические условия, способствующие массовому «производству» упорядочивающих структур, их «перепроизводству» и конкуренции между ними в особой космической системе, именуемой биосферой.

Основой воспроизводства всего живого на Земле является порядок синтеза белков в соответствии с программой, заложенной в ДНК и реализуемой через РНК в клетках каждого организма. Каждый ген содержит информацию для синтеза одной белковой молекулы и обусловливает предпосылки развития одного элементарного наследственного признака, Представляя собой участок двойной спирали ДНК, ген содержит в себе порядок строения молекулы определённого белка в виде последовательности нуклеотидов, число пар которых варьируется от нескольких сотен до миллиона. Предварительно в гене образуется его копия в виде молекулы РНК, которая, будучи определённым образом упакована, вытекает из ядра клетки через поры его оболочки в цитоплазму, где и происходит синтез.

Структуры РНК, синтезирующиеся на ДНК, точно копируют структуру последней путём точного повторения последовательности нуклеотидов в одной из цепей гена. Этот процесс копирования назван транскрипцией. Слово это, буквально означающее «переписывание», употребляется также в языкознании для обозначения передачи звучания чужого языка людям, для которых предназначена транскрипция.

Процесс транскрипции необходим для того, чтобы сохранить в структурах ДНК, не принимающих участия в синтезе белков, информацию, необходимую для их построения, подобно тому, как информация продолжает храниться в шкафах учреждения или в памяти компьютера, тогда как её практическое использование обеспечивается копированием, выведением на диск или распечатыванием копии на принтере. Эта информация содержит инструкции по синтезу белковых структур. Как и репликация, транскрипция обеспечивается на основе комплементарности азотистых оснований, но уже не между расплетёнными из двойной спирали одинарных цепочек ДНК, а между цепочками РНК. Три азотистых основания – аденин, гуанин и цитозин в структурах РНК идентичны тем, что содержатся в структурах ДНК. Лишь одно основание – урацил отличается от тимина, содержащегося в структурах ДНК, но близко к тимину по своему строению, что обеспечивает как распознавание отличий РНК от ДНК, так и сцепление близких по строению оснований по принципу комплементарности. При этом, как и в структурах ДНК, в структурах РНК нуклеотиды последней сцепляются друг с другом ковалентными связями между сахаром рибозой одного нуклеотида и фосфорной кислотой другого.

Материальным сырьём для синтеза белка выступают аминокислоты. Они переносятся в рибосомы цитоплазмы уже информационными (матричными) структурами РНК. При переносе аминокислоты активируются за счёт энергии, вырабатываемой клеточными энергетическими устройствами – митохондриями. Третий вид структур РНК содержится в рибосомах цитоплазмы клеток.

На основе процесса транскрипции происходит процесс трансляции, т. е. передачи информации от структур ДНК через структуры информационной РНК на «фабрику» химического синтеза белка. Работа на «фабрике» в рибосомах не затихает ни днём, ни ночью. Транспортные молекулы РНК «перегружают» определённые аминокислоты с информационных РНК, отцепляют их от последних и «перевозят» в рибосомы. Подобно грузовикам, они непрерывным потоком «въезжают» в каждую рибосому и подвозят положенные по порядку аминокислоты. После этого порожние транспортные средства выталкиваются наружу, а в рибосомах происходит сборка белков путём соединения вновь доставленной аминокислотой с предшествующей аминокислотой в той последовательности, которая определяется структурами ДНК. Сборка осуществляется при участии молекул РНК, находящихся в состоянии готовности в рибосомах. Одна молекула белка, состоящая из 200–300 аминокислот, собирается как на конвейере за 1–2 минуты, что требует значительных затрат энергии. В месте сборки присутствует уже готовый белок – фермент, ранее синтезированный на той же «фабрике». Он способствует образованию молекулярных связей между кислотами, стимулируя происходящие реакции, и осуществляет обратную связь между готовыми, функционирующими в организме белковыми структурами и «технической» системой производства белков.

Ферменты, белки и даже небелковые, негенетические вещества регулируют и процессы передачи генами определённых закодированных признаков. Этот процесс называется экспрессией. Огромное большинство генов, входящих в геном, находятся в неактивном, «молчащем» состоянии. Только 5-10 % генов копируются молекулами РНК, т. е. участвуют в транскрипции. Это обстоятельство не находит пока однозначного объяснения. Одни исследователи считают, что такое значительное количество «резервных» генов представляет остаточное явление, своеобразный «информационный шум», другие – что «молчащие» гены принимают на себя основную часть мутаций и тем снижают риск ошибок в активированных генах.

Активизация генов на стадии репликации происходит под воздействием фермента ДНК – полимеразы. Это воздействие образует разрыв водородных связей и расплетение двойной спирали ДНК на две одинарные спирали, после чего и происходит их самоудвоение, т. е. репликация. Этот же фермент способствует скреплению водородными связями комплементарных азотистых оснований.

На стадии транскрипции эту активизацию и регулирование транскрибирования генов обеспечивает родственный ему фермент – РНК – полимераза, который в случае копирования инструкций для синтеза белков общего назначения, из которых, например, строятся конструкции «фабрик» белка, рибосом, подаётся беспрепятственно к участвующим в этом процессе генам. Поскольку не обнаружено никаких веществ, которые воздействовали бы на подачу этого фермента, считается, что процесс копирования этих генов фрагментами рибонуклеиновой кислоты является нерегулируемым, а сами гены названы нерегулируемыми.

Другие гены, осуществляющие кодирование инструкций для синтеза специфических белков, называются регулируемыми, поскольку в процессе участвуют белки – регуляторы, способные тормозить и блокировать подачу РНК-полимеразы, без которой невозможна транскрипция, либо, наоборот, способствовать контакту этого фермента к генами и усиливать его действие. Белки, которые заслоняют гены от действия фермента, называются репрессорами, а те, которые способствуют активизации гена, именуются активаторами.

Наряду с белками-регуляторами процесс экспрессии генами определённых признаков регулируют также небелковые вещества, получившие название эффекторов. Эффекторы воздействуют на белки-регуляторы и повышают либо снижают их способность подаваться к генам и регулировать их активность в копировании структур, обеспечивающих формирование признаков организма.

Определённые регуляторные механизмы работают и на стадии трансляции, и в процессе синтеза белков. Все эти регуляторные механизмы, обеспечивающие формирование признаков, очень сложны и во многом ещё не изучены. Множество обратных связей, воздействий, образуемых белками на своих «создателей» – генов нуклеиновых кислот, позволяет утверждать, что тезис о невозможности влияния соматических клеток на наследственные является поспешным заключением.

Белки-регуляторы, способные ускорять, замедлять и даже подавлять транскрипцию, получили название гистонов. Гистоны, которых некоторых время исследователи считали всего лишь упаковочной «тарой» для структур ДНК, являются на самом деле многофункциональными. Они в соединении с цепями ДНК образуют хроматин – материал, из которого сформированы хромосомы. Из гистонов формируются своеобразные стержни с положительным электрическим зарядом. На них туго наматывается спираль ДНК, чтобы быть упакованной в микроскопическом пространстве хромосом.