Сохранение и передача информации в живой природе

К концу 1930-х годов в СССР была создана обширная сеть научно-исследовательских институтов и опытных станций (в Академии наук СССР и во Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина (ВАСХНИЛ)), а также вузовских кафедр генетики. Признанными лидерами направления были Н. И. Вавилов, Н. К. Кольцов, А. С. Серебровский, С. С. Четвериков и др. В СССР издавали переводы трудов иностранных генетиков, в том числе Т. Х. Моргана, Г. Мёллера, ряд генетиков участвовали в международных программах научного обмена. Американский генетик Г. Мёллер работал в СССР (1934-1937), советские генетики работали за границей. Н.В. Тимофеев-Ресовский - в Германии (с 1925 г.), Ф.Г. Добржанский - в США (с 1927 г.).

В 1930-е гг. в рядах генетиков и селекционеров наметился раскол, связанный с энергичной деятельностью лжеученого Т.Д. Лысенко и его преспешника И.И. Презента. По инициативе генетиков был проведен ряд дискуссий, направленных на борьбу с подходом Лысенко, но их результаты были довольно неопределенными.

На рубеже 1930-1940-х гг. в ходе сталинского Большого террора многие из видных генетиков были арестованы, многие расстреляны или погибли в тюрьмах (в том числе Н.И. Вавилов). После войны дебаты возобновились с новой силой. Генетики, опираясь на авторитет международного научного сообщества, снова попытались склонить чашу весов в свою сторону, однако с началом Холодной войны ситуация значительно изменилась. В 1948 году на августовской сессии ВАСХНИЛ Т.Д. Лысенко, пользуясь поддержкой И.В. Сталина, объявил генетику лженаукой. Лысенко воспользовался некомпетентностью партийного руководства наукой, "пообещав партии" быстрое создание новых высокопродуктивных сортов зерна ("ветвистая пшеница") и др. С этого момента начался период гонений на генетику, который получил название лысенковщины и продолжался вплоть до снятия Н.С. Хрущева с поста генерального секретаря ЦК КПСС в 1964 г.

Рис. 10.5. С.С. Чевериков

Рис. 10.6. Н.В. Тимофеев-Ресовский

И только с середины 1960-х г. в нашей стране началось восстановление генетики, понесшей колоссальный научный и кадровый урон в результате сталинского террора и антинаучной "деятельности" Лысенко.

А в это время в мире генетика развивалась стремительными темпами, и был сделан ряд выдающихся открытий.

Еще в 1930-1940-х гг. над разгадкой генетического кода живой природы задумывались крупнейшие физики-теоретики Эрвин Шредингер, Макс Дельбрюк, генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский. В 1945 году Э. Шредингер опубликовал книгу "ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ с точки зрения физики?" (What is life?). В главе "Подход классического физика к предмету" он писал: "Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?" Книга "Что такое жизнь?" сыграла большую роль в проникновении идей физики в биологию. Имя Шредингера, крупного физика, хорошо известно всем физикам и химикам мира. Поэтому его книга во многом способствовала тому, что их внимание было привлечено к проблемам генетики.

Рис. 10.7. Эрвин Шредингер

Одним из крупнейших открытий XX века в биологии явилось установление структуры молекулы ДНК - основного наследственного вещества клетки. Оно было сделано Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом. Рассказывая историю этого открытия, Дж. Уотсон в своей книге "Двойная спираль" писал о Ф. Крике: "Он бросил физику и занялся биологией после того, как в 1946 г. прочитал книгу известного физика-теоретика Эрвина Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?" В этой книге очень изящно излагается предположение, что гены представляют собой важнейшую составную часть живых клеток, а потому понять, что такое жизнь, можно только зная, как ведут себя гены. В то время, когда Шредингер писал свою книгу (в 1944 г.), господствовало мнение, что гены - это особый тип белковых молекул. Однако почти тогда же бактериолог Освальд Эвери проводил опыты, которые показали, что наследственные признаки одной бактериальной клетки могут быть переданы другой при помощи очищенного препарата ДН К".

Рентгеноструктурный анализ ДНК был осуществлен Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин. Первую рентгенограмму молекулы ДНК Р. Франклин получила в 1951 году.

На основе анализа рентгенограмм ДНК в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик предложили пространственную модель структуры ДНК. Они предположили, что ее гигантские молекулы представляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеотидами, расположенными в определенной последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити с помощью водородных связей по правилу комплементарности (аденин в паре с тимином, а гуанин - с цитозином). Модель двойной спирали ДНК Д. Уотсона и Ф. Крика позволила объяснить, как при делении клетки происходит репликация ДНК - процесс копирования дезоксирибонуклеиновой кислоты. При этом генетический материал, зашифрованный в ДНК, удваивается и делится между дочерними клетками.

Две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что напоминает расстегивание застежки-молнии. По каждой половине прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Так был доказан матричный принцип воспроизведения наследственного материала, предсказанный великим русским биологом Н.К. Кольцовым.

Репликация (копирование) ДНК. Мономеры (нуклеотиды): А - аденин; G – гуанин; Т - тимин; С-цитозин

Многочисленные экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика.

В 1962 году за открытие структуры ДНК Д. Уотсону, Ф. Крику и М. Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия.

Розалинда Франклин вследствие постоянного облучения рентгеновскими лучами в 1956 году заболела раком. Узнав о своей смертельной болезни, она мужественно продолжала работать почти до самой смерти. Она умерла 16 апреля 1958 г. в 37-летнем возрасте, за три года до выдвижения на Нобелевскую премию, которую не получила. В соответствии с уставом Нобелевская премия дается только живым в качестве поощрительного гранта, позволяющего лауреату продолжить научную деятельность.

Рис. 10.8. Розалинда Франклин

Рис. 10.9. Морис Уилкинс

Открытие структуры ДНК стало решающим шагом в понимании того, как генетическая информация передается при делении клетки.

В ДНК используются мономеры 4 типов (нуклеотиды) - аденин, гуанин, цитозин, тимин, которые обозначаются буквами А, Г, Т и Ц. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. Поскольку их четыре, то каждая буква содержит два бита информации. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменен похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой У. PНK присутствуют во всех живых клетках, участвуя в процессах, связанных с передачей генетической информации от ДНК к белку. В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки, и таким образом получаются последовательности генетических букв. ДНК вместе с белками образует вещество хромосом. Эта модель объясняла, каким образом генетическая информация записывается в молекулах ДНК, и позволила высказать предположение о химических механизмах самовоспроизведения этих молекул. Именно ДНК является носителем генетической информации. Отдельные ее участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Поэтому она и названа двойной спиралью. Эти цепи построены из большого числа нуклеотидов. Сочетания рядом стоящих в цепи ДНК нуклеотидов составляет генетический код. Нарушения их последовательности в цепи ДНК приводят к мутациям - наследственным изменениям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток. Это обеспечивает передачу наследственных признаков в ряду поколений отдельных клеток и целых организмов. Живые организмы построены из белков. Их в живой природе существует несколько миллиардов, но все они построены всего из 20 мономеров - органических аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определенной последовательности. Эта последовательность определяет все биологические свойства данного белка. Набор аминокислот также универсален для почти всех живых организмов.

Рис. 10.10. Джеймс Уотсон

Рис. 10.11. Френсис Крик