Генная инженерия

Введение:

 

Генетика вначале  была использована для борьбы против дар-винизма. Устойчивость генов трактовалась как их неизменность. Мутационная  изменчивость отождествлялась непосредственно  с видообразованием и, как казалось, как будто отменяла естественный отбор в качестве главного фактора эволюции. Но уже к концу 20-х годов XX в, становилось все яснее, что генетика раскрывает конкретный механизм изменчивости, соотношение свойств организма и характера внешних воздействий в возникновении индивидуальных изменений.

Основатель  мутационной теории Гуго де Фриз считал, что каждая мутация ведет к  возникновению нового вида и сводил эволюцию к простому накоплению мутаций. На самом деле мутации лишь поддерживают наследственную неоднородность популяций  и других эволюционных групп. Но это необходимое, но еще недостаточное условие эволюционного процесса. Необходимы также необратимые изменения среды — как абио-тические по своему происхождению изменения климата, го-рообразование и т.п.), так и биогенные, порожденные самой жизнью, к которым присоединились антропогенные, обуслов-ленные человеческой деятельностью.

Важную роль в объединении генетики и эволюционной тео-рии, в разработке генетики популяций, сыграли С.С. Четве-риков, Н.П. Дубинин  и другие русские ученые. В 40-50-е  годы XX в. И.И. Шмальгаузен, опираясь на достижения гене-тики, конкретизировал учение о естественном отборе, выделив две его формы: стабилизирующий отбор и ведущий отбор.

Генетика —  наука о наследственности, способах передачи признаков от родителей  к детям, о механизмах индивидуальной изменчивости организмов и способах управления ею.

Исходные законы наследственности были открыты чешским  ученым Грегором Менделем в 1865 г. и переоткрыты  независимо от него Гуго де Фризом в  Голландии, Карлом Корренсом в Германии и Эрихом Чермаком в Австрии. Они и есть основатели генетики. Вторым крупнейшим этапом в истории генетики явилось обоснование Г. Морганом хромосомной теории наследственности, согласно которой основную роль в передаче наследственной информации играют хромосомы клеточного ядра.

Важнейшим в  генетике является понятие«ген».Ген  вначале представляли чисто формально, вроде счетной единицы. Потом  установили, что ген — участок  цепочки ДНК и он сам имеет  сложную структуру. Число возможных  различных сочетаний четырех  органических оснований по длине цепочки ДНК составляет гигантскую величину 4^{10 000}, которая превышает число атомов в Солнечной системе. На основе такого разнообразия действительно может возникнуть практически бесконечное число наследственных изменений, обеспечивающих эволюцию и разнообразие органического мира. Наследственность обеспечивает преемственность живого на Земле, а изменчивость — многообразие форм жизни. И то, и другое связаны неразрывно.

Генетика различает  основные формы изменчивости;генотипическую, передаваемую по наследству, ифенотипическую, не передаваемую по наследству. Наиболее ярко наследственная изменчивость проявляется в мутациях— перестройках наследственного основания, генотипа организма. Крупная мутация всегда выражается в форме более или менее резкого наследственного морфофизиологического уклонения единственной особи среди многих других, остающихся неизменными. Но в большинстве случаев мутации имеют вид небольших уклонений.

Важно понять, что мутации сами по себе не являются приспособительными изменениями, непосредственно направленными на выживание организмов в данных определенных условиях. Они возникают случайно, хотя и под воздействием внутренней и внешней среды, т.е. не беспричинно. Они зависят от условий среды и могут быть получены специальным воздействием ионизирующей радиации, химических реагентов и т.п.

Но экспериментально получаемые мутации тоже не носят  характера адаптивных изменений. Адаптации, приспособления создаются лишь в  результате отбора.

Сначала под  генотипом понимали систему всех генов, входящих в состав клеток, сейчас объем этого понятия сужен до совокупности хромосомных ДНК организма, а совокупность всех генов называют геномом.

Под генотипом  следует понимать только наследственную структуру организма. Понятие же фенотипа обозначает совокупность доступных наблюдений индивидуальных признаков особи. Один из создателей современной генетики академик Н.П. Дубинин сравнивает соотношение генотипа и фенотипа с соотношением сущности и явления, подчеркивая большую устойчивость генотипа и подвижность, текучесть фенотипа. Фенотип является результатом взаимодействия генотипа и среды, поэтому он может быть сложнее и многообразнее генотипа.

Индивидуальное  развитие живого организма от зарождения до смерти осуществляется под влиянием как генетических программ и подпрограмм, так и внешних условий. Из-за этого одинаковая генетическая основа (генотип) не всегда приводит к формированию организмов с одинаковым фенотипом, одинаковым набором свойств. У организма складываются такие признаки, которые облегчают его существование именно в данных конкретных условиях. Удачные приспособительные изменения (смена сезонной окраски, усиление или ослабление теплого шерстного покрова и т.п.) регулируются естественным отбором, обеспечивая выживание организмов с генотипами, способными оптимально реагировать на изменение внешней среды.

Что такое генная инженерия?

Генная инженерия  это новая, революционная технология, при помощи которой ученые могут  извлекать гены из одного организма  и внедрять их в любой другой. Гены это программа жизни - это биологические конструкции, из которых состоит ДНK и которые обуславливают специфические характеристики, присущие тому или другому живому организму. Пересадка генов изменяет программу организма - получателя и его клетки начинают производить различные вещества, которые, в свою очередь, создают новые характеристики внутри этого организма. При помощи этого метода исследователи могут менять особые свойства и характеристики в нужном им направлении, например: они могут вывести сорт томатов с более длительным сроком хранения или сорт соевых бобов, устойчивых к воздействию гербицидов. Генная инженерия - это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим. Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования не химические, а функциональные. С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации - генов. В основе действия гена лежат его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру белковых молекул. Ген - участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген - один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Поэтому, например, нервные клетки и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени. Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения генов, прежде всего, связано с преобразованием химической структуры ДНК. Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.

 

1.Генетика  и эволюция.

Понять сущность эволюционных процессов помогает генетика — наука о наследственности, изменчивости организмов и методах управления ими.

Ген является элементарной единицей наследственности. Задачами генетики являются:

изучение структуры  единиц наследственности (генов);

анализ механизма  функционирования генов;

реализация  генетической информации (в частности, для увеличения производительности животноводства и сельхоз-структур);

анализ функционирования генов на разных этапах развития организма.

Таким образом, генетика изучает два фундаментальных  свойства живых систем - наследственность и изменчивость.

На сегодня  известно, что гены и хромосомы (генотип — совокупность наследственных структур) определяютфенотип -совокупность всех признаков организма, который является результатом взаимодействия генотипа и окружающей Среды (питание., температура, радиация и др.).

Перестройку гена называют мутацией.

Новый организм, носитель мутации — мутант, а факторы, вызывающие эти изменения, — мутагены.

Наиболее сильное  влияние из факторов окружающей Среды (в сотни раз сильнее других) оказывают радиоактивные элементы, а количество мутаций пропорционально дозе облучения, что доказал американский генетик К. Миллер, работавший с лучами Рентгена¹.

В познании закономерностей  наследственности существенную роль сыграл чешский исследователь Г. Мендель (1822 -18 84), сформулировавший законы наследственности. Доказано, что признаки организмов определяются дискретными наследственными факторами.

Хромосома любого организма содержит длинную непрерывную цепь ДНК, несущую множество генов.

_____________________________________________________________

 

¹ В. Рентген (1845—1923), немецкий физик.

 

Установлены принципиальные их характеристики, имеющие всеобщее и фундаментальное значение, например дискретность и линейное расположение в хромосоме. Другие определенные закономерности, например расщепление признаков в потомстве гибридов, отмечены только у диплоидных эукариотических организмов.

Методы генетического  анализа очень разнообразны, одним  из первых является гибридологический. Суть его заключается в скрещивании  организмов, отличающихся друг от друга  по одному или нескольким признакам, и детальном анализе потомства.

Такие исследования позволили Г. Менделю сформулировать законы наследования.

Первый, или закон единообразия:

У гибридов первого  поколения проявляются признаки только одного родителя (доминантный признак), не проявляющиеся при этом признаки Мендель назвал рецессивными.

Второй, или закон расщепления:

В потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения, наблюдается  явление расщепления; в случае полного доминирования четверть особей из гибридов второго поколения имеет рецессивный признак, три четверти — доминантный.

Третий или закон независимого комбинирования:

Расщепление по каждой паре генов идет независимо от других пар генов. Этот закон справедлив только в случаях независимого наследования, когда гены, отвечающие за эти признаки, расположены в разных парах гомологичных хромосом.

Понятие наследования признака употребляют обычно как  образное выражение, так как наследуется  лишь ген, отвечающий за этот признак.  Признаки формируются в ходе индивидуального развития организма и обусловливаются генотипом и влиянием внешней среды.

Законы генетики носят статистический характер, так  как при образовании зиготы сочетание  генов имеет случайный характер, а ожидаемый результат скрещивания будет выполняться тем точнее, чем больше число потомков.

Признаки организма (способы их описания с целью различия) можно разделить на две группы —качественные и количественные.

Качественными называют признаки, устанавливаемые описательным (биологическим) путем (окраска, форма, масть, половые различия). Наследование качественных признаков происходит по законам Менделя.

Изменчивость (разнообразие) в целом носит не только качественный, но и количественный характер, который определяется измерением (яйценоскость, масса семян...), Большинство признаков, важных при разведении животных и выращивании растений, носит количественный характер.

Живые организмы  постоянно испытывают воздействие  разнообразных факторов Среды обитания. Среда может влиять на формирование как количественных, так и качественных признаков. Среда приводит кестественному отбору как фактору эволюции в результате борьбы за существование. Он основывается на преимущественном выживании наиболее приспособленных особей каждого вида и гибели менее приспособленных. Под борьбой за существование понимают внутривидовую и межвидовую конкуренцию, отношения хищник-жертва, взаимодействие с абиотическими факторами Среды и т. д. Однако наряду с конкуренцией существует и взаимопомощь у особей в пределах вида.

В процессе эволюции происходит направленное изменение фенотипа и генотипа вследствие размножения организмов. Приспособленность к определенным условиям Среды не означает прекращения естественного отбора в популяций. Существует форма отбора, которая постоянно исключает уклоняющихся от нормы особей, — так называемый стабилизирующий отбор.

К середине XX века эволюционная теория Дарвина была дополнена следующими положениями: отрицание наследования приобретенных  признаков; доказательство постепенности  эволюционного процесса; осознание эволюции как процесса, протекающего на популяционном уровне; подтверждение фундаментальной роли естественного отбора; выявление механизмов наследственной изменчивости и оценка ее вклада в эволюционный процесс; установление эволюционных закономерностей — онтогенеза (индивидуального развития организма).

Как резюмировал  Вернадский, "Живой, динамический процесс бытия, науки, связывающий прошлое с настоящим, стихийно отражается в среде обитания человечества, является все растущей геологической силой, превращающей биосферу в ноосферу. Это природный процесс, независимый от исторических случайностей"'².

_____________________________________________________________

²Вернадский В.И. "Биосфера и ноосфера" — М: 1988.

 

Законы эволюции требуют дальнейшего изучения, но существуют современные гипотезы, подкрепленные фактами палеонтологии, биогеографии, сравнительной эмбриологии и биохимии.

Рассматривая  эволюцию на молекулярном уровне, можно  сказать, что направленная эволюция обусловливает развитие популяции молекул в определенном направлении, благодаря циклам селекции, амплификации и мутаций.

Молекулярный  биолог может читать гены какого-либо организма как исторический документ, свидетельствующий о его эволюции, но написанный химическим языком (структура молекулы ДНК). В настоящее время исследуется и сам механизм, производящий эволюционные изменения. Разработанные математические модели эволюции позволяют выявить общие закономерности эволюции различных систем. Они опираются на теорию информации и самоорганизации.

Современные данные палеонтологии говорят о квантовом характере видообразования. В соответствии с геологическим временем этот процесс почти мгновенен. Анализ уравнений популяционной генетики показывает, что процесс видообразования похож на фазовый переход.

Биология как  наука о жизни.

 

2. Проблемы генной инженерии.

Возможности одного из самых важных порождений науки ХХ века - генной инженерии - давно  будоражат воображение человечества, поскольку она подобралась к  самому важному в телесной оболочке человека, к законам жизнедеятельности  его организма. Но если еще лет пятнадцать назад результаты работы биотехнологов связывались в первую очередь с выведением новых сортов моркови или новой породы молочных коров, то уже пару лет назад оказалось возможным пообщаться с маленькой овечкой Долли, клонированной шотландскими биологами, а в прошлом году было оглашено о создании первой более-менее общей карты генома человека. На фоне достижений в сфере биологии уходят на второй план хиты предыдущих сезонов - новые информационные технологии. Мало кого сейчас интересует вопрос, когда человек сможет свободно ходить по Марсу, намного актуальней споры о том, когда можно будет клонировать человека и, соответственно, как этого не допустить - этакий реверанс в сторону морали и этики.