Теория генов: история развития и краткая характеристика

Генетическая память в науке

Представьте себе щенка, который привык к домашнему уюту и заботе, но вдруг оказывается на улице и его забрасывают камнями. Должен же где-то остаться отпечаток этого болезненного опыта? По крайней мере, именно после него щенок вздрагивает, когда человек бросает камень или поднимает что-то с земли.

Так рассуждал в начале ХХ века немецкий зоолог Рихард Земон. Он предположил, что, когда некий раздражитель действует на организм, в нем остается «след памяти» — энграмма. Совокупность энграмм — это «мнема» (в честь богини памяти Мнемозины). Эта концепция стала называться мнемизмом. Земон полагал, что с помощью энграмм информация о воздействии среды на живое существо передается из поколения в поколение.

В 1914 году Фрейд писал: «Все наши предварительные психологические положения придется когда-нибудь перенести на почву их органической основы». Генетика находилась тогда в зачаточном состоянии. Спустя век, в 2012 году, группа ученых под руководством нобелевского лауреата Сусуму Тонегава провела опыт на мышах.

Теория генов: история развития и краткая характеристика

Грызунов помещали в незнакомую им клетку и били током, фиксируя, какие группы нейронов реагировали на страх. После этого животных пересаживали в другую клетку, подсвечивали с помощью оптоволокна те же нейроны — и мыши начинали бояться! Так ученые обнаружили «хранилище воспоминаний» — систему нейронов и генов, запоминающую конкретный травматичный эпизод.

Найденные паттерны страха назвали энграммами. Сегодня ученые умеют подсвечивать энграммные клетки гиппокампа — то, что мечтал увидеть Земон. Так его понятие получило второе рождение через сто лет и стало всё чаще мелькать в научной литературе. Например, в статье, опубликованной в январе 2021 года, нейрохирурги из Стэнфордского университета суммировали всё, что известно про энграммы гиппокампа на сегодняшний день.

Этические проблемы развития медицинской генетики

Этические проблемы развития медицинской генетики появились с начала 1900-х годов, когда зародилась наука евгеника (от греч. –«хороший род»). Смысл науки евгеники во влиянии на репродуктивные качества для определенных господствующих рас людей. Наука евгеника — особенно темная глава, которая свидетельствует об отсутствии понимания относительно нового открытие в то время. Термин «евгеника» был впервые использован около 1883 ссылаться на «науку» наследственность и воспитанность.

В 1900 году были переоткрыты теории Менделя, которые нашли регулярной статистической шаблон для характеристики человека как рост и цвет. В угаре исследования, которые последовали, одна мысль ответвляется в социальную теорию науки евгеники. Это было огромное народное движение в первой четверти 20-го века и была представлена как математическая наука, которая может предсказать черты характера и особенности человеческого существа.

Этические проблемы развития медицинской генетики возникли, когда исследователи заинтересовались контролем размножения человеческих существ, так что только люди с лучшими генами могли воспроизвести и улучшить вид. Сейчас это используется в качестве своего рода «научного» расизма, чтобы убедить людей, что некоторые расовые виды были выше других в плане чистоты, интеллекта и т. д. Это свидетельствует об опасностях, которые приходят с практикующей наукой евгеникой без истинного уважения к человечеству в целом.

Многие люди могли видеть, что дисциплина была пронизана неточностями, допущениями и противоречиями, а также поощрение дискриминации и расовой ненависти. Однако, в 1924 году движение получило политическую поддержку, когда Закон об иммиграции был принят большинством в Палате представителей и Сенате США. Закон ввел жесткие квоты на иммиграцию из стран для «низших» рас, таких как Южная Европа и Азия. Когда политический выигрыш и удобная наука евгеника объединили усилия появились этические проблемы развития медицинской генетики.

При продолжении научных исследований и внедрение бихевиоризма (наука о поведении) в 1913 году, популярность евгеники, наконец, начала падать. Ужасы институциональной евгеники в нацистской Германии, которые появились на свет во время 2-й мировой войны полностью уничтожили то, что осталось от движения.

Сейчас возникла наука эпигенетика, изучающая процесс старения организма.

Технологии генной инженерии

Генная инженерия за короткий срок оказала огромное влияние на развитие различных молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться на пути познания генетического аппарата.

Так, появилась технология CRISPR — инструмент редактирования генома. В 2014 году MIT Technology Review назвал его «самым большим биотехнологическим открытием века». Он основан на защитной системе бактерий, которые производят специальные ферменты, позволяющие им защищаться от вирусов.

«Каждый раз, когда бактерия убивает вирус, она разрезает остатки его генома, будь то ДНК или РНК, и сохраняет их внутри последовательности CRISPR, как в архив. Как только вирус атакует снова, бактерия использует информацию из «архива» и быстро производит защитные белки Cas9, в которых заключены фрагменты генома вируса. Если вдруг эти фрагменты совпадают с генетическим материалом нынешнего атакующего вируса, Cas9 как ножницами разрезает захватчика, и бактерия снова в безопасности», — поясняет Алевтина Федина, медицинский директор Checkme.

Уникальное открытие состоялось в 2011 году, когда биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье обнаружили, что белок Cas9 можно обмануть. Если дать ему искусственную РНК, синтезированную в лаборатории, то он, найдя в «архиве» соответствие, нападет на нее. Таким образом, с помощью этого белка можно резать геном в нужном месте — и не просто резать, а еще и заменять другими генами.

Экономика инноваций

Черные дыры и генетические «ножницы»: итоги Нобелевской премии-2020

Теоретически, технология CRISPR может позволить редактировать любую генетическую мутацию и излечивать заболевание, которое она вызывает. Но практические разработки CRISPR в качестве терапии еще только в начальной стадии, и многое еще непонятно.

Есть и другие методы генной инженерии, например, ZFN и TALEN.

  • ZFN разрезает ДНК и вставляет туда заготовленный заранее новый фрагмент с помощью белков с ионами цинка (отсюда название — Zinc Finger Nuclease).
  • TALEN делает то же самое, только используя TAL-белки. Для обеих технологий приходится создавать отдельные белки, а это очень долгая работа, поэтому пока два этих метода особого применения не нашли.
Популярные статьи  Ctenidae

Эволюционная теория Чарльза Дарвина

Предпосылкой для создания теории эволюции стало пятилетнее кругосветное путешествие английского натуралиста Чарльза Дарвина на корабле «Бигль». Поскольку Дарвин закончил богословский факультет Кембриджского университета, до путешествия его представления о сотворении мира были основаны на буквальном понимании текста Библии. Однако кругосветное плаванье на «Бигле» полностью перевернуло мировоззрение ученого.

Задуматься о формировании живых организмов путем естественных причин Дарвину помогли следующие наблюдения:

  • Сходство флоры и фауны у географически близких территорий.
  • Зависимость формы и размера органов животных от пищи, которую они употребляют. Дарвин заметил, что на Галапагосских островах обитает несколько разновидностей вьюрков, которые отличаются друг от друга массивностью и длинной клюва, поскольку питаются разной пищей.
  • На каждой географической территории существует определенное биологическое разнообразие, которое развивается там с течением времени. Сделать этот вывод Дарвину помогла палеонтология. В Южной Америке ученый обнаружил останки ископаемых ленивцев, которые были похожи на их современных собратьев. Однако останки ленивцев никогда не находили на территории Англии. Все потому, что ореолом обитания этого вида являлась Америка, а не Англия.
  • Дикари архипелага Огненная Земля способны выживать в тяжелых условиях, не имея при этом телесных приспособлений, типа огромных клыков, шерсти или когтей.

Вернувшись из путешествия, Чарльз Дарвин начал работу над книгой «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятных пород в борьбе за жизнь». Основные постулаты эволюционной теории Дарвина, описанные в книге:

  1. Каждый вид растений и животных изменчив. Изменчивость наблюдается как в дикой природе, так и среди одомашненных представителей флоры и фауны.
  2. Имеет место наследственная изменчивость по приспособленности, то есть по тому, насколько хорошо животное или растение выполняет те функции, ради которых существуют различные органы.
  3. В природе присутствует геометрическая прогрессия размножения. Это значит, что у каждой пары организмов рождается гораздо больше потомков, чем способно прокормиться в среде обитания. Учитывая ограниченность ресурсов, Дарвин сделал вывод о наличии борьбы за существование.
  4. Если есть наследственная изменчивость по приспособленности и фактор борьбы за существование, то напрашивается заключение о наличии в природе естественного отбора. То есть выживают лучшие особи, которые передают по наследству потомкам преимущественные характеристики, что приводит к формированию новых пород.
  5. Видообразование является дивергентным. Это значит, что исходный вид делится на два или более новых.

Приведем пример того, как Чарльз Дарвин объяснял работу естественного отбора на примере жирафа. Изначально жирафы отличались по длине шеи. Особи, которые имели более длинную шею, тратили меньше энергии на срывание высокорастущих листьев. Жирафы с короткими шеями были вынуждены искать низкорослые деревья, расходуя на это много энергии и испытывая недостаток пищи.

Таким образом, потомство длинношеих жирафов получило преимущество в борьбе за выживание и постепенно вытеснило жирафов с более короткими шеями.

Человек, по мнению Дарвина, произошел от низкоорганизованного предка. Ученый доказал, что человек не является актом творения Высших сил, а появился благодаря естественному отбору, дополненному в процессе антропогенеза результатом упражнения-неупражнения органов.

Теория креационизма

Теория креационизма или божественного творения имеет очень длинную и богатую историю. Все религиозные учения мира по-своему объясняют происхождение жизни, но все они говорят о неком божественном замысле и о божественном происхождении Вселенной в целом и жизни на Земле в частности. Христианский креационизм является наиболее развитым, в его основу положены библейские тексты. Согласно этой теории, зарождение жизни произошло в результате разумного акта творения высшим существом. В зависимости от метода трактовки Библии, сторонники теории делятся на разные течения.
Например, буквалистские креационисты утверждают, что мир был создан за 6 дней около 6 000 лет назад, как это и описано в Библии. Сторонники метафорического креационизма считают, что написанное в Библии не стоит понимать буквально. По этой версии, один “день творения” мог длиться тысячи лет.Также в рамках концепции креационизма существует теистический эволюционизм, признающий эволюционную теорию. Однако его сторонники считают, что эволюция — ни что иное, как орудие в руках творца.

Различия гипотез

Расхождения двух моделей незначительны . Например, в гипотезе Мирного количество колец не уточняется. В версии Либермана Айдена же — это два соединенных кольца. Хотя различие выглядит довольно механическим, специалисты называют его крайне важным для определения роли этого комплекса.

Другое различие гипотез — по мнению Мирного, у когезина есть моторная функция, не имеющая отношения к кольцевой форме когезина-карабина. Либерман Айден, в целом, эту идею отвергает. Однако оба предположения возможны, и существуют данные, поддерживающие каждую из сторон. В частности, то, что когезин работает как мотор, подтверждает эксперимент под руководством Дэвида Руднера (David Rudner) — биолога, изучающего бактериальные клетки на медицинском факультете Гарварда (штат Массачусетс, США). Его группа сделала карту разных моментов складывания хромосомы бактерии Bacillus subtilis при использовании метода Hi-C. На ней исследователи увидели работу комплексов структурного поддержания хромосом (SMC) — бактериальных родственников когезина и конденсина — и то, что при этом создаются петли со скоростью более 50 000 пар нуклеотидов в минуту. По мнению ученых, этот темп примерно совпадает с тем, который должен бы быть в модели Мирного, примененной к клеткам человека. Пока что затрата АТФ в этом процессе не доказана, но Руднер считает, что он близок к этому. Более того, по его словам, он был бы шокирован, если бы когезин в клетках человека работал иначе.

Гипотезу Либермана Айдена поддерживают данные о малом потреблении энергии комплексом при захвате и высвобождении ДНК, что затрудняет его работу на тех скоростях, которые предполагаются в модели Мирного. Возможно, есть иные молекулы, которые помогают скольжению когезина вдоль генома на большие расстояния (например, РНК-полимеразы, которые транскрибируют гены при производстве РНК). Согласно другому мнению, моторные белки вообще не нужны для производства петель. Когезин может перемещаться по ДНК случайным образом до тех пор, пока не встретит CTCF и не сделает петлю.

Популярные статьи  Африканский слон

Безопасно ли есть продукты с ГМО

Надо помнить, что ГМО — это инструмент, как, например, молоток. Молотком можно и построить дом, им же можно убить человека. Однако по меньшей мере глупо ограничивать применение молотка только потому, что есть люди, которые могут использовать его в плохих целях. И еще глупее из-за этого запрещать дома, построенные с помощью молотка

Продолжая аналогию, если дом сломается, будет неважно, применяли в его строительстве молоток или нет: важно, чтобы он был безопасен для людей, живущих в нем. То же касается и продуктов: неважно, как они были получены, важно, чтобы они были безопасны, а это строго проверяется

В теории, конечно, можно представить плохой ГМО, например создать токсичное растение. Но на практике ГМО создают не для того, чтобы кого-то отравить, а для общественной пользы. Вредные ГМО не проходят проверку и не попадают на полки магазинов

Важно понимать, что различные генетически модифицированные организмы включают различные гены, а значит, нельзя сказать в общем, плохи ГМО или хороши: оценку безопасности проводят отдельно для каждого конкретного продукта

Наконец, если человек съест ГМО, он сам никак не модифицируется генетически: гены так не передаются. Чтобы что-то генно-модифицировать, применяется сложная технология, и та срабатывает далеко не всегда. Поэтому не стоит беспокоиться, что человек что-то «подхватит» от генно-модифицированного картофеля.

Синтетическая теория эволюции

«Амеба эволюционировала-эволюционировала, превратилась в человека и задумалась: как же хорошо быть амебой!»

Чтобы кратко и понятно объяснить процесс эволюции, потребовался синтез дарвинизма, генетики, палеонтологии и эмбриологии. Современная СТЭ кроме этих дисциплин включает данные молекулярной биологии и других наук. Естественно, такое преобразование теории Дарвина произошло не сразу.

В начале XX века в научном сообществе признавали идею эволюции, но отвергали естественный отбор как ее основную движущую силу. Во многом к этому привел кошмар Дженкина и недостаточные знания о наследственности.

Теория генов: история развития и краткая характеристикаДрево жизни 21-го века, показывающее горизонтальный перенос генов среди прокариот и события сальтационного эндосимбиоза, породившего эукариот, не вписывается в теории 20-го века.

Только в 1926 году Сергей Сергеевич Четвериков опубликовал статью, в которой описал эволюцию с точки зрения современной ему генетики. Эта статья не была опубликована в англоязычных изданиях, однако ее цитировали Николай Тимофеев-Ресовский, Феодосий Добржанский и Джон Холдейн.

Идеи Четверикова хорошо соотнеслись с работами Рональда Фишера. Он создал математическую модель эволюции как естественного отбора генов. Единицей эволюции при этом оказалась популяция, причем эволюция шла тем быстрее, чем больше генетическое разнообразие в популяции. Модель Рональда Фишера стала одной из основ синтетической теории эволюции.

В 1937 году Феодосий Григорьевич Добржанский опубликовал книгу «Генетика и происхождение видов» . В ней он описал, как современная ему генетика разрешает вопросы дарвинизма, о хромосомной основе законов Менделя и о том, как мутации формируют межвидовые различия. Добржанский описал 3 уровня эволюционной популяционной генетики:

  1. Генные и хромосомные мутации;
  2. Изменения в популяции, вызванные изменениями частот и комбинаций мутаций;
  3. Закрепление изменений путем репродуктивной изоляции – невозможности скрещиваться с другими видами.

Считается, что синтетическая теория эволюции возникла именно в 1937 году. Сам термин СТЭ появился позднее – в 1942 году . Его впервые использовал эволюционист Джулиан Хаксли, родной брат писателя Олдоса Хаксли.

Современная синтетическая теория эволюции учитывает особенности наследования, мутации и то, как под их действием меняется приспособленность живых организмов к окружающей среде. Наконец, СТЭ учитывает влияние различных факторов на эволюцию:

  • Естественный отбор – важнейший, но не единственный фактор эволюции согласно СТЭ. Отбору подвергаются генотипы в целом либо аллели генов – то, в каких вариантах существует ген.
  • Борьба за существование – необходимость выживать в окружающей среде и конкурировать за выживание с другими организмами.
  • Возникновение мутаций приводит к появлению новых аллелей или новых генов. Мутации поставляют материал для естественного отбора.
  • Изменения частот генов в популяции как результат миграций (поток генов), случайностей (дрейф генов) или эффекта бутылочного горлышка – ситуации, когда условия меняются так сильно и резко, что выживает лишь небольшое количество организмов из популяции. Зачастую у них есть признаки, позволившие им выжить именно в условиях таких изменений.
  • Стабилизирующий отбор поддерживает соотношение частот генов в популяции неизменным, если окружающие условия не меняются ;
  • Изоляция – географические, биохимические или поведенческие препятствия для скрещивания между популяциями. Именно изоляция приводит к образованию новых видов живых организмов.

  Синтетическая теория эволюции – не единственная современная теория эволюции. Остальные научные теории предполагают действие других факторов эволюции либо иную оценку их влияния. Однако СТЭ достаточно хорошо объясняет, как появляются новые виды и что именно подвергается отбору. Уточнения теории необходимы в основном для организмов, не имеющих полового процесса.

Синтетическая теория эволюции — ответы на популярные вопросы

Что является движущей силой в синтетической теории эволюции? Основной движущей силой эволюции СТЭ называет естественный отбор. Он действует на генотипы либо на аллели генов. Кроме того, движущими силами эволюции являются борьба за существование, возникновение мутаций, поток генов (обмен между разными популяциями), дрейф генов (случайные изменения частот аллелей) и изоляция (препятствие потоку генов).

Считается ли дарвинизм устаревшей теорией? В целом – нет. Чарльз Дарвин не мог знать о биологических открытиях XX и XIX веков. Поэтому в его работах есть устаревшие предположения. Однако основные принципы эволюции Дарвин вывел верно. Синтетическая теория эволюции основана на теории Дарвина и дополняет ее, а не опровергает.

Чем объясняется вторичное сходство родственных существ? Наличием общего предка с такими же чертами (параллелизм) либо сходством условий обитания (конвергенция). Если же организмы не близкородственные и развивались в разных условиях, их сходство объясняется похожими мутациями. Совпадение мутаций – достаточно вероятное событие: некоторые участки ДНК мутируют активнее других, а набор мутаций хотя велик, но все-таки конечен.

Популярные статьи  Самые красивые бабочки

Что верно: градуализм или пунктуализм? Эти понятия дополняют друг друга. Градуализм предполагает, что эволюция происходит постепенно, как результат небольших изменений. Согласно пунктуализму, эволюция происходит резкими скачками с длительными периодами покоя между ними. В действительности «резкие скачки» занимают достаточно много времени, а в ходе периодов покоя образуются небольшие изменения генов. Они не влияют на приспособленность к конкретным условиям, но при возникновении «бутылочного горлышка» могут быть значимыми.

Если Ламарк был неправ, почему у более высоких и мускулистых людей обычно и дети более высокие и мускулистые? Будь Ламарк прав, дети спортсменов рождались бы с тренированными мышцами. Но этого не происходит. В генетике есть понятие «норма реакции» — то, в каких пределах у особи может изменяться определенный признак. И вот она, в отличие от результатов тренировок, зависит от генотипа организма и наследуется. Если родители легко накачивают мышцы тренировками, вероятно (но не гарантированно), их дети тоже смогут тренировать мышцы эффективнее. Конечно, когда дорастут до тренажеров.

Правда, что эволюция противоречит второму началу термодинамики? Нет. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия не убывает при усложнении замкнутых систем. Живые организмы – это открытые системы, поэтому они могут усложняться, и их энтропия при этом не увеличивается.

Почему в ходе эволюции некоторые признаки могут утрачиваться? Потому что они не влияют на приспособленность организмов. У таких признаков может измениться функция. Это произошло, например, с аппендиксом человека: он не участвует в пищеварении, но необходим для нормальной работы иммунной системы и поддержания микрофлоры кишечника. Иногда признак может быть утрачен – как глаза у некоторых кротов. Зрение не нужно им для выживания и никак не влияет на приспособленность к среде. Поэтому мутации, затрагивающие зрение, кротам не вредят. Они накапливаются в популяции и постепенно приводят к утрате глаз.

Развитие генетики как науки

Сегодня генетика является одной из основополагающих наук современной биологии. Но так было не всегда. Несмотря на то, что люди издревле интересовались наследственностью, наблюдая за тем, как живые существа приобретают черты своих родителей, им не удавалось объяснить механизмы передачи наследственных черт потомкам.

Впервые о генетике как о науке заговорили в середине 19 века после публикации трудов австрийского ботаника Грегора Менделя. В работе «Опыты над растительными гибридами» Мендель на основе исследований определил закономерности наследования признаков у гороха.

Впервые термин «генетика» применил венгерский дворянин Имре Фестерик, а в современную биологическую науку его ввел английский биолог Уильям Бэтсон в 1905 году.

В современной науке историю становления генетики представляют в форме поэтапного развития.

Первый этап связан с именем основателя генетики Менделя, вклад которого заключается в установлении дискретности или делимости наследственных факторов. Это открытие показало, что не все наследственные задатки в процессе слияния гамет и образования зиготы смешиваются или растворяются. Часть из них наследуется от родителей к потомкам в форме дискретных частиц вне зависимости друг от друга. Это свойство организма получило название «закона Менделя». Однако при жизни его открытие не было оценено. Работы Менделя воспринимались критически, потому что опережали доступное знание о биологии и не могли быть поняты в то время.

Только в 1900 году на исследования австрийского ученого снова обратили внимание биологи де Фриз, К. Корренс и Э

Чермак, которые независимо друг от друга поставили опыты, подтверждающие открытие Менделя. Одновременно с этим датский ботаник В. Иогансен изучал закономерности наследования на примере чистых линий фасоли. Он предложил термин «гены» для обозначения наследующихся факторов и сформулировал понятия «популяция», «фенотип» и «генотип». Научные результаты ученого внесли большой вклад в дальнейшее развитие генетики.

Второй этап ознаменован рядом важнейших открытий, сделавших генетику одной из самых развивающихся отраслей биологии. Американский генетик Т. Морган вместе со своими учениками А. Стертевантом, К. Бриджесом и Г. Меллером эмпирическим путем сформулировал и доказал хромосомную теорию наследственности. Это новое направление получило название цитогенетики и стало величайшим достижением естествознания первой половины прошлого века.

Передача наследственной информации (генов) от родителей к потомкам основана на передаче хромосом, в которых расположены гены в определенном и линейном порядке. Вывод был сделан на основе изучения закономерностей наследования на мушках дрозофилах в 1910–1911 гг.

В результате этого открытия Морган и американский цитолог Э. Вильсон выяснили и утвердили механизм определения пола, установив закономерности наследования свойств, сцепленных с половыми признаками. Определение хромосомной теории наследственности повлияло на становление и развитие современной молекулярной биологии.

К достижениям второго этапа развития науки можно также отнести:

  • определение основ биохимической, популяционной и эволюционной генетики;
  • доказательство того, что молекула ДНК является носителем наследственной информации;
  • становление основ ветеринарной генетики и ее последующее развитие.

Третий этап характеризуется развитием современной генетики на уровне молекулярной биологии. Его начало отсчитывается с 1940 года, когда Дж. Бидл и Э. Татум сформулировали гипотезу «один ген — один фермент». Согласно теории, предложенной американскими учеными, каждый ген регулирует синтез одного фермента, за образование которого он отвечает, а каждую метаболическую ступень контролирует отдельный фермент. Гипотеза легла в основу биохимической генетики, а ученые получили за свое открытие Нобелевскую премию.

В 1953 году молекулярные биологи Ф. Крик и Дж. Уотсон обнаружили структуру ДНК и расшифровали генетический код, благодаря чему был определен молекулярный механизм изменчивости. Под этим механизмом подразумевается, что однажды возникшие отклонения в структуре гена и ошибки самоудвоения ДНК будут впоследствии повторятся в дочерних нитях ДНК. Это положение позволило разработать способы искусственного получения мутаций, на основе которых разработаны новые сорта растений и штаммы микроорганизмов.

Также это способствовало возникновению генной инженерии, ставшей одним из основных направлений современной генетики.

Это открытие обеспечило качественно новый виток в развитии медицины, в особенности, в изучении закономерности заболеваний, передающихся наследственным путем.

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий