up
» » Постигая замысел природы
Наука и техника
Jadaha от 7-05-2015, 19:40
Постигая замысел природы
Вернуться на главную
1 212 просмотров
0 комментариев

Клетка - элементарная единица живого

Клетка - элементарная единица живого, мельчайшая частичка жизни. Как и когда появилась жизнь, неизвестно. Однако подробное изучение устройства и свойств жизни и живых организмов пробуждает желание создать нечто подобное самостоятельно. Если клетка состоит из множества частей, то почему бы не собрать её, словно конструктор? Получение подобной искусственной клетки не только продемонстрировало бы могущество науки, но и помогло бы в решении многих исследовательских задач.

Все живые организмы состоят из клеток. Каждая клетка - уникальная система, которая может самостоятельно выполнять функции целого организма. Для этого в ней существуют специальные органы с красивым и загадочным названием - «органеллы». В каждой клетке содержится генетическая информация - молекулы ДНК. У животных и растений она хранится в ядре клетки. Определённые участки ДНК называются генами. Именно они говорят клетке, какой ей быть. Из-за них клетки одного организма могут различаться по форме, размерам и функциям. Несмотря на различия, в них много общего. Они умеют дышать, питаться, выделять ненркные вещества, делиться. Внутри клеток непрерывно идут сложнейшие химические превращения - обмен веществ, который регулируется ими самими. Именно такие хитрые химические реакции и способность размножаться и позволяют отличать живое от неживого.

ОТКУДА ВСЁ ВЗЯЛОСЬ?

Проблема происхождения жизни волновала людей на протяжении тысячелетий. Ещё в Древнем Египте и Китае появились гипотезы, альтернативные креационизму - представлению о сотворённости жизни высшими силами. Например, гипотеза самозарождения, которую впоследствии развивал Аристотель, говорила, что жизнь - не что иное, как продукт спонтанного возникновения. Эти идеи жили много веков, пока не были опровергнуты итальянским биологом Франческо Реди в 1688 г. Он доказал, что червяки в мясе появляются не сами по себе, а благодаря мухам, откладывающим на нём свои яйца.

Так возникла теория биогенеза, провозглашавшая, что всё живое происходит от живого. Тем не менее, она совершенно не объясняла, откуда жизнь взялась первоначально. Во многом из-за невозможности дать ответ на этот животрепещущий вопрос возникла теория стационарного состояния. Согласно ей, планета Земля и жизнь на ней никогда не возникали, а попросту существовали вечно. Однако эти выкладки отнюдь не подтверждаются современными астрономическими и палеонтологическими данными. Любой планете суждено возникнуть, а потом исчезнуть. Земля возникла приблизительно 4,6 млрд лет назад. Спустя ещё миллиард лет на ней возникла жизнь.

ОТ ПРОСТОГО К СЛОЖНОМУ

За проблему происхождения жизни в начале XX в. всерьёз взялись будущий советский академик Опарин и британский биолог Джон Холдейн. Работали они по отдельности, но пришли к похожим результатам. Они вновь обратились к теории самозарождения, так как накопленные человечеством к XX столетию знания позволяли проводить эксперименты на молекулярном уровне и получать намного больше информации. Была выдвинута теория, согласно которой, органические вещества всё-таки могли возникнуть из неорганических, но только при определённых условиях: тех, что существовали на Земле миллиарды лет назад. Юная Земля сильно отличалась от нынешней: кислорода и озона не было, уровень радиации был чрезвычайно высок, постоянно шли дожди и сверкали молнии. Электрические разряды принимали непосредственное участие в абиогенном синтезе - создании органики из неорганики.

Основу нашего организма составляют сложные органические вещества - белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Все они жизненно необходимы каждой клетке. Согласно теории Опарина - Холдейна, когда-то жизнь была менее требовательна. Из простых веществ возникли белки, и их вполне хватало для первичной древней жизни. Однако в данной теории Опарин с Холдейном не смогли объяснить, каким образом первичные белковые системы проходили процесс размножения. Современные взгляды на происхождение жизни склоняются к тому, что органические вещества возникли из неорганических, но первым органическим веществом был вовсе не белок, а рибонуклеиновая кислота (РНК) - посредник между дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) и белком, - которая научилась сама себя удваивать. А уже потом на основе РНК возникли другие органические молекулы. Эту гипотезу называют гипотезой мира РНК. Но и с ней согласны не все.

К примеру, существует гипотеза прогенов, предложенная профессором Анатолием Альтштейном, где говорится, что жизнь возникла из-за того, что друг с другом соединялись структуры, состоящие из трёх нуклеотидов (кусочков РНК) и одной аминокислоты (кусочка белка). Таким образом, РНК и белки возникли одновременно. Как всё было на самом деле, мы не знаем. Многие известные учёные полагают, что жизнь занесли из космоса метеориты. Но как бы то ни было, проблему первичного возникновения жизни обойти не удастся: где-то она должна была возникнуть впервые, будь то Земля, Марс или другая галактика. И с высокой степенью вероятности появилась она из органических веществ.

ЧУДЕСА ВЕРОЯТНОСТИ

Считается, что органические вещества постепенно усложнялись и эволюционировали, а в какой-то момент отделились от внешней среды специальной оболочкой-мембраной. Это и были первые клетки. У любого, кто имеет малейшее представление о строении клетки и теории вероятности, должен возникнуть резонный вопрос: какова вероятность возникновения такой сложной системы, как клетка, ну или хотя бы такого примечательного белка, как гемоглобин, который работает переносчиком кислорода в нашей крови? Вероятность эта, мягко говоря, крайне мала. Это столь же маловероятно, как если бы буквы, сброшенные с высокого небоскрёба, сложились в текст второго тома романа «Война и мир», ну или хотя бы в простенькое сочинение об Андрее Болконском. Но биологов это нисколько не путает, так как есть много оснований полагать, что возникновение жизни - событие не совсем случайное. И происходило оно не по законам теории вероятности, а по куда более близким биологам законам физики и химии. Не все химические взаимодействия возможны, поэтому можно представить себе жизнь, продирающуюся невообразимое число лет по туннелю, который постоянно сужается, меняя форму, а жизнь подстраивается под него и в конце концов показывается на свет во всей своей логичности и целесообразности.

Всё это - заслуга природы. Но можем ли мы повторить её шаги, сделать то, на что ей потребовались миллионы и миллиарды лет? Первое, что научился в этом направлении делать человек, - химический синтез важных органических компонентов живых организмов. Ещё в 1953 г. это получилось у аспиранта из Чикаго Стенли Миллера. В пробирке ему удалось воссоздать условия древней Земли и получить первые органические вещества - аминокислоты.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ФЕРМЫ

Уже более 30 лет учёные стараются разобраться в том, какой ген за что отвечает. Они научились определять, какую роль он играет в нашем организме и что будет, если его изменить, убрать или заменить. Этими «чудесами» занимается относительно новая наука - генная инженерия. Учёные научились «разрезать» и «сшивать» гены. В качестве ножниц и игл обычно выступают специальные белки. С их помощью проводят модификации генов и получают генно-модифицированные организмы (ГМО), которых стало модным бояться и избегать. Столь тонкие технологии, несмотря на различные опасения, уже сейчас могут приносить огромную пользу человечеству.

Животные работают на человека уже много лет: на фермах обитают коровы и куры, без которых мы с трудом можем представить себе нашу планету. Куда сложнее представить себе очень маленькую ферму, размером меньше блюдца. А ведь она уже существует, только живут там, конечно, не микроскопические коровы, а бактерии, которых человек создал и заставил работать. Самый яркий пример такого использования бактерий - технология производства инсулина. Инсулин - это чрезвычайно важный гормон, он образуется в поджелудочной железе человека и обеспечивает усвоение клетками глюкозы. При его недостатке развивается диабет, и больные нуждаются в постоянных уколах этого гормона. Где же взять его в больших количествах? Учёные решили этот вопрос в 1978 г., ещё задолго до прочтения человеческого генома. Бактериям инсулин не требуется. Поэтому в их клетках он не образуется, но зато бактерии быстро делятся. Оказалось, что можно внести внутрь бактерии кишечной палочки молекулу ДНК, в которой есть ген, кодирующий инсулин, то есть посылающий сигнал, что его надо синтезировать. В итоге бактерии стали производить инсулин. Бактерии живут недолго, но, как уже говорилось, очень быстро делятся. А каждая бактерия-потомок тоже «умеет» делать инсулин. Человеку остаётся только «собирать урожай» и не забывать «подкармливать» трудолюбивых бактерий.

Работать на человека могут не только бактерии, но и клетки животных и даже самого человека. Множество лабораторий занимается созданием специальных генетически модифицированных клеточных линий, способных производить полезные белки. У всех людей в крови находятся антитела. Они помогают бороться с инфекциями, но не всегда бывают эффективны. Отдельные клетки можно заставить быстро размножаться и производить при этом такие антитела, план сборки которых мы записали в их генах. Эти антитела впоследствии можно использовать для диагностики или лечения различных заболеваний. Считать ли клетку с изменённым геномом искусственной или нет - вопрос терминологии. Главное - что можно наделить клетку свойствами, которыми она раньше не обладала. К примеру, можно вывести сорт картофеля, которому не страшен колорадский жук, или бактерию, которой не опасен антибиотик.

21 мая 2010 г. новостные ленты запестрели информацией о том, что американские учёные синтезировали искусственную клетку. Причиной ажиотажа стала статья исследовательской группы известного учёного Крейга Венгера в авторитетном научном журнале Science. Она отличалась от тысяч других био-инженерных работ тем, что в данном случае геном бактерии был не изменён, а создан с нуля. Это был определённый геном известного вида бактерии из рода Микоплазма. В природе существует много видов микоплазм, которые являются возбудителями различных заболеваний у животных, растений и человека. Собранный в пробирке геном был пересажен в клетку другого вида, за счёт чего микоплазма-реципиент стала полностью походить на микоплазму того вида, чей геном ей был пересажен. Можно сказать, что Венгер перепрограммировал клетку. Это ещё раз доказало, что свойства организма определяются его генами.

Смелые эксперименты Венгера вызвали волну возмущения у экологов и у церкви. Экологи считают, что подобные эксперименты подвергают человечество большой биологической опасности. Ведь достижения науки часто могут быть использованы во вред, например, как биологическое оружие. Что касается церкви, то она попросту была возмущена вмешательством в замысел Творца.

ЧТО НАС ЖДЁТ?

Большой прогресс в создании искусственных клеток ждёт науку тогда, когда учёные научатся создавать гены, не существующие в природе. Сегодня вся биоинженерная работа идёт по направлению от гена к белку, а когда-нибудь наверняка станет возможным придумывать белки и синтезировать гены, несущие о них информацию. Чтобы из новых генов сложить работающий геном, необходимо знать минимальный набор генов, необходимых для жизни. Впервые о нём заговорили в США в 1996 г. Впоследствии свои варианты необходимых для жизни генных сочетаний предлагало множество исследовательских групп. Крейг Венгер в своих работах с микоплазмой очень близко подошёл к этой проблеме. Всего у этой «прославившейся» бактерии 500 генов. Учёные пробовали убирать разные гены и выяснили, что без 150 из них бактерия может спокойно существовать. А вот оставшиеся 350 были незаменимы: без них клетка отказывалась работать. Именно из этих генов и была составлена первая в истории искусственная хромосома. Её созданию предшествовала огромная компьютерная работа. Специальные программы сравнивали множество геномов, для того чтобы точно определить необходимые для жизни гены. Поэтому Венгер даже говорил, что родителями созданной им бактерии были компьютеры.

Биоинженеры пока не могут собрать клетку от начала и до конца. Пока возможно лишь управлять работой клетки через её гены. Но умеет ли кто-нибудь собирать хоть что-то живое из мелких кусочков? На этот вопрос можно ответить и «да», и «нет». Всё потому, что учёные умеют собирать вирусы, но до сих пор не определились, стоит ли относить их к живым организмам. Дело в том, что вирусы не состоят из клеток и проявляют признаки жизни, только когда оказываются в клетке животного или растения. Устроены они на первый взгляд очень просто: у большинства есть только белковая оболочка и спрятанная под ней генетическая информация. Вирус можно сравнить с компакт-диском, который может сам «залезать» в дисковод и запускать вредоносную программу. Если хорошо изучить устройство вируса, то можно самостоятельно «слепить» его в пробирке. Можно даже собирать вирусы, которых нет в природе, и использовать их в различных медицинских и промышленных целях. Это одна из задач нанотехнологии - области науки, манипулирующей нанометровыми частичками. Нанометр - не совсем обычная мера измерения, это 1 миллиардная часть метра. Нанометр соотносится с метром примерно так же, как толщина нашего пальца с диаметром Земли. Раз учёные умеют работать с такими катастрофически малыми объектами - за судьбу вирусов можно не волноваться. Если по какой-либо гипотетической причине они вдруг все исчезнут, их можно будет воспроизвести в лабораторных условиях. Вирусам в этом отношении повезло больше, чем амурскому тигру и другим вымирающим животным.

Первый вирус был собран 10 лет назад исследователями под руководством профессора Экарда Уиммера. Химическим путём исследователи искусственно создали один из страшнейших вирусов -возбудитель полиомиелита - и даже проверили его на мышах. Мыши заболели и умерли. В 1980 г. Всемирная организация здравоохранения объявила о победе над вирусом оспы. Сегодня этот мучавший человечество тысячелетиями паразит хранится лишь в нескольких лабораториях. Довольно давно ведутся споры о том, уничтожать его или нет. Научный прогресс наглядно демонстрирует то, что делать это бессмысленно: ведь всегда можно собрать его заново. Генетическая информация страшнейших вирусов расшифрована и опубликована, а это означает, что если методы сборки вирусов, известные пока единичным исследователям, станут общедоступны, людям могут грозить большие неприятности.

«Успех биомедицинских исследований имеет и светлые, и тёмные стороны. Это вообще свойственно научному прогрессу. Это новая реальность, новое мышление». Так говорит первый конструктор вирусов - Экард Уиммер. Научные достижения действительно ломают стереотипы. Из разряда наблюдателей люди переходят в разряд создателей. Сейчас возможно то, о чём наши предки не могли и помыслить. Биотехнологии серьёзным образом изменят нашу жизнь, они уже этим активно занимаются. С течением времени изменится не только законодательство и жизненный уклад, но и облик нашей планеты, ведь остановить прогресс невозможно. Учёные способны творить с кусочками жизни невероятные вещи, но это всё ещё не искусственная жизнь, а лишь попытки познать замысел природы. «Человечество столетиями шло к доказательству того, что жизнь моновариантна, то есть только одна комбинация генов и белков вдыхает в клетку жизнь. По моему представлению, жизнь инвариантна. Самое тяжёлое - понять, что жизнь возникает по-разному, вне определённых химических реакций», -рассказывает доктор биологических наук Вадим Говорун. Можно предполагать, что, как только мы научимся находить эти иные варианты, удастся создать действительно искусственную жизнь. И, быть может, это случится в скором времени, ведь прорывы и смены парадигмы в науке возникают весьма неожиданно.

Новости по теме:
Поиск по сайту:
Тайное и неизведанное, загадки истории
Рейтинг@Mail.ru
© 2013-2017 Все права защищены