19
"Истина скрыта в глубине (лежит на дне морском)"
Великий философ древности Демокрит
V в. до н. э.
Часто встречающееся утверждение: главная цель естествознания - установление законов природы, открытие скрытых истин - явно или неявно предполагает, что истина где-то уже есть и существует в готовом виде, ее надо только найти, отыскать как некое сокровище.
Приведенное выше утверждение имеет два аспекта. Первый, - в какой мере можно доверять научным результатам, т. е. вопрос о качестве работы ученого. Второй аспект - философский - гораздо более тонкий и связан с вопросом о том, что же называть истиной.
Начнем с первого. Приходится констатировать, что научная продукция на своем пути к научной истине переполнена ошибочными результатами. Ошибочными не в том объективном смысле, что некоторые теории и представления со временем отмирают, уступая место новым, или результаты эксперимента всегда сопровождаются вполне определенной абсолютной ошибкой, а в гораздо более простом смысле, когда предлагаемый результат не выдерживает проверки на соответствие актуальным критериям правильности. Ошибочные формулы, неверные доказательства, неправильные условия, несоответствие фундаментальным законам естествознания и тому подобные являются, к сожалению, не исключением, а правилом. Для определения состоятельности или несостоятельности научных результатов проводятся их экспертная оценка, оппонирование и рецензирование. Эффективна ли такая процедура? Приведем некоторые цифры. В годы Второй мировой войны национальный совет изобретений США рассмотрел 208975 заявок на изобретения. Из них, не противоречащих здравому смыслу, оказалось 8615 (чуть больше 4%), а реализовано всего 106 (меньше 0,05%).
До недавнего времени в отечественных академических журналах после рецензирования публиковалась примерно каждая пятая работа из всех представленных к публикации. Добросовестное оппонирование позволяет существенно сократить поток несостоятельных работ, представленных на соискание ученой степени.
Естествознание тем или иным способом систематизирует наши наблюдения над природой. При этом нельзя считать, например, теорию кривых второго порядка приближенной на том основании, что в природе в точности кривых второго порядка нет.
В современном представлении истина - правильное, адекватное отражение предметов и явлений действительности познающим субъектом, воспроизводящее их так, как они существуют вне и независимо от сознания. Истина объективна по содержанию, но субъективна по форме как результат деятельности человеческого мышления. Можно говорить об относительной истине как отражающей предмет не полностью, а в объективно обусловленных пределах. Абсолютная истина полностью исчерпывает предмет познания. Всякая относительная истина содержит элемент абсолютного знания. Абсолютная истина складывается из суммы относительных истин. Истина всегда конкретна.
Как бы ни представлялось содержание истины, занимающее умы великих ученых с древних времен, и как бы ни решался весьма сложный вопрос о предмете науки в целом и естествознании в частности, одно очевидно: естествознание есть чрезвычайно эффективный, мощный инструмент, не только позволяющий познать окружающий мир, но и приносящий громадную пользу.
Вряд ли вызывает сомнение утверждение: математика нужна всем вне зависимости от рода занятий и профессии. Однако для различных людей нужна и различная математика: для продавца может быть достаточно знаний простейших арифметических операций, а для истинного естествоиспытателя обязательно нужны глубокие знания современной математики - только на их основе возможны открытие законов природы и познание ее гармонического развития. Иногда к познанию математики влекут и субъективные побуждения. Об одном из них Луций Анней Сенека (4 до н. э. - 65 н. э.), римский писатель и философ, писал: Александр, царь Македонский, принялся изучать геометрию -- несчастный! -- только с тем, чтобы узнать, как мала земля, чью ничтожную часть он захватил. Несчастным я называю его потому, что он должен был понять ложность своего прозвища, ибо можно ли быть великим на ничтожном пространстве». Возникает вопрос: может ли серьезный естествоиспытатель обойтись без глубокого познания математики? Да, может. Например, Чарльз Дарвин, обобщая результаты собственных наблюдений и достижения современной ему биологии, вскрыл основные факторы эволюции органического мира. Причем он это сделал, не опираясь на хорошо разработанный к тому времени математический аппарат, хотя и высоко ценил математику. Кто знает - может быть, обладание математическим чувством позволило бы Дарвину внести еще больший вклад в познание гармонии природы.
Известно, что еще в древние времена математике придавалось большое значение. Девиз первой Академии - платоновской Академии - "Не знающие математики сюда не входят" - ярко свидетельствует о том, насколько высоко ценили математику на заре развития науки, хотя в те времена основным предметом науки была философия. Академия Платона (428/427 - 348/347 до н. э.), одного из основоположников древнегреческой философии, - первая философская школа, имевшая на первый взгляд весьма косвенное отношение к математике.
Простейшие в современном понимании математические начала, включающие элементарный арифметический счет и простейшие геометрические измерения, служат отправной точкой естествознания.
Тот, кто хочет решить вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является.
Химией называют науку о химических элементах и их соединениях. Любое вещество состоит из химических элементов и их соединений. Свойства вещества определяются:
· его элементным и молекулярным составом;
· структурой его молекул;
· термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции;
· уровнем химической организации вещества.
История развития химических концепций начинается с древних времен. Демокрит, Эпикур и другие представители древней натурфилософии высказывали гениальные мысли о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, что и обусловливает их качественное различие. Аристотель и Эмпедокл объясняли все видимое разнообразие тел природы с антиатомистических позиций: они считали, что в телах сочетаются различные элементы-стихии или элементы-свойства: тепло и холод, сухость и влажность. Подобное учение об элементах-свойствах было развито в алхимии, которая изобиловала такими, например, рецептами приготовления необходимых веществ: " возьмите немного горючести, прибавьте к нему текучести, отнимите влажность..." и т.п. Однако ни идеи Демокрита об атомах, ни представления Эмпедокла об элементах-стихиях не нашли применения ни в металлургии, ни в стеклоделии, ни в гончарном ремесле.
Первый, по-настоящему действенный, способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627- 1691).
Результаты экспериментальных исследований Р. Бойля показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят. Возникшее таким образом учение о составе вещества существует и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне.
Учение о составе занимало монопольное положение вплоть до 30-40-х годов прошлого века. К тому времени мануфактурная стадия производства с ручной техникой и ограниченным ассортиментом сырья сменялась фабричной стадией с машинной техникой и широкой сырьевой базой. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественные разнообразия которых потрясающе велики - сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен - лишь несколько элементов-органогенов: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснения необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь многообразном их элементном составе стали искать не только в их составе, но и в структуре молекул.
В 1860 г. выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым (1828- 1886) была создана теория химического строения вещества - возник более высокий уровень развития химических знаний - структурная химия.
Период становления структурной химии иногда называют, "триумфальным маршем органического синтеза". В этот период зарождалась технология органических веществ. Были получены всевозможные красители для тканей, искусственный шелк и т.п.
Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высоко стойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения таких материалов знаний о составе и структуре вещества было недостаточно.
Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывалось изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. Такое учение способствовало организации много тоннажного производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений - на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.
В 1960- 1970 гг. появился следующий, более высокий, уровень химических знаний - эволюционная химия. В основе ее лежит принцип самоорганизации химических систем, т. е. принцип применения химического опыта высокоорганизованной живой природы.
Молекула - наименьшая структурная единица химического соединения, обладающая его главными химическими свойствами. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, сложных - из разных атомов. Инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон) находятся в одноатомном состоянии. Существует большое количество соединений, молекулы которых состоят из многих тысяч атомов (искусственные полимеры, белки, целлюлоза). Такие молекулы называются макромолекулами.
Как известно, химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Под химической связью понимается результат взаимодействия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигурации атомов, отличающих один тип молекулы от другого.
19
Рис. 1а «Ионная вязь» Рис. 1б «Ковалентная связь»
В молекуле выделяют два основных типа связей: ионную и ковалентную, а также водородную.
При ионной связи один атом отдает другому один или несколько электронов, и так каждый атом становится обладателем стабильного числа электронов. Например, у атома хлора для стабильности недостает одного электрона, а у атома натрия во внешней оболочке - только один электрон. Его принимает атом хлора, и тогда у натрия протонов становится больше, чем электронов. Атомы натрия и хлора, превратившись в положительно и отрицательно заряженные ионы, притягиваются друг к другу и образуют поваренную соль.
При ковалентной связи двух атомов возникает обобществленная пара электронов, по одному от каждого атома (пример - молекула водорода). Оба атома притягивают эту пару электронов с одинаковой силой, и электроны (или электронное облако) находятся большее время между ними. Если ковалентная связь образуется между атомами разных элементов, то электронное облако оказывается смещенным, т.е. большее время находится ближе к более притягивающему атому. Такую связь называют полярной, или электрически несимметричной (в последнем случае одна приближается к ионной).
Водородная связь названа так из-за атома водорода, который соединен ковалентной связью с другим атомом (например, кислорода или азота) так, что положительной оказывается водородная часть молекулы. Этот частично положительный водородный «край» притягивается третьим, отрицательно заряженным атомом (опять же кислорода или азота). Эта связь слабее, чем две предыдущие, но широко распространена в живой материи. Практически, можно сказать, что на ней держится мир живого.
Силы взаимодействия между атомами являются короткодействующими (радиус действия r ~10-9 м, размер атома ~ 10-10м). Причем одновременно действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но они по-разному зависят от расстояния. При r = r0 - состояние устойчивого равновесия, на этом расстоянии и находятся атомы, образующие молекулу. Если увеличить r - увеличиваются силы притяжения и возвращают систему в исходное состояние. При r < r0 силы отталкивания также возвращают систему в состояние устойчивого равновесия.
Химические связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то она может существовать, т.е. ее связь устойчива. Устойчивым считается состояние, в котором потенциальная энергия минимальна, поэтому при образовании молекулы атомы находятся в потенциальной яме, совершая небольшие тепловые колебания около положения равновесия (см. рис.2). Расстояние от вертикальной оси до дна ямы соответствует равновесию - на этом расстоянии находились бы молекулы, если бы прекратилось тепловое движение. Точки левее дна соответствуют отталкиванию, правые - притяжению. Крутизна кривой выражает силу взаимодействия между атомами: чем круче кривая, тем больше сила взаимодействия.
19
Для разных пар атомов различны не только расстояния от вертикальной оси до дна ямы, но и глубина ям. Действительно, для того, чтобы выбраться из ямы, нужна энергия, соответствующая глубине ямы. Поэтому глубину ямы можно назвать энергией связи частиц, или энергией ассоциации. Энергия, необходимая для разложения молекулы на атомы, называется энергией диссоциации. Она равна энергии ассоциации.
Насыщаемость молекул, т.е. способность присоединять атомы, определяет их постоянный состав для данного вещества и связана с валентностью - свойством атомов (или группы атомов) соединяться с некоторым числом других атомов. Величина валентности определяется числом атомов водорода (или другого одновалентного элемента), с которыми соединяется атом данного элемента.
Химические реакции - это основа химии. Одни реакции идут в обе стороны (тогда и стрелки в уравнении реакции рисуют в обе стороны), т.е. являются обратимыми, другие только в одну, третьи - вообще не идут. Здесь важно представлять, от чего зависит возможность осуществления реакции, т.е. перестройки химических связей. Ответ на этот вопрос дает термодинамика. Рассмотрим условия самопроизвольного развития химической реакции и условия ее возникновения. Допустим, вы прижгли ранку перекисью водорода (неустойчивое соединение), но обратной реакции не будет. Термодинамика объясняет это так: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии1. В самом деле, энтропия растет, так как в малой молекуле воды (она меньше, чем молекула перекиси водорода) расположение атомов менее упорядочено, чем в большой. Реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины свободной энергии
F = E - TS. (Пример с камнем: когда он падает в поле сил тяготения, его потенциальная энергия уменьшается - обратно он самопроизвольно не поднимется). В химических реакциях обязателен и учет изменения энтропии, так как возможность реакции еще не означает, что она самопроизвольно пойдет.
Развитие квантовой химии позволило рассмотреть на микро уровне протекание реакций, отдельные молекулы и их электронные структуры. Использование термодинамического подхода, описывающего не отдельные объекты, а систему в целом, позволяет глубже понять тенденции протекания реакций.
Свободные радикалы. В прошлом столетии только два типа частиц считали участвующими в химических реакциях: атомы и молекулы. В 1900 г. Мозес Гомберг
(Украина) обнаружил третью - свободный радикал. Он выделил некоторое соединение, способное вступать в реакции, и доказал, что оно представляет из себя половину молекулы (обозначается точкой над символом, например).
Подводя некоторый итог, можно сказать, что при химических превращениях на первый план выступают реакционная способность, энергетические и энтропийные возможности, каталитические и кинетические закономерности.
1Понятие энтропии первоначально возникло в термодинамике. Это слово ввел еще в 19-м веке Клаузис для определения термодинамических циклов. В 1945 году Клод Шеннон ввел энтропию в теорию информации, ставшую основой кибернетики. Энтропия у него означала меру информации. Статистическая физика рассматривала энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии
В общем случае, в химической системе имеют место как прямые, так и обратные реакции, причем большинство химических реакций не идут до конца. Здесь становится важным понятие равновесия между прямой и обратной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в данной системе при данных условиях установится динамическое равновесие. Вывести систему из равновесия можно, только изменив условия согласно принципу, предложенному в 1884 г. Анри Луи Ле Шателье (1850-1936): «если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия. Например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот. Если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие». Другая, современная формулировка этого принципа следующая:
Внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия.
Ле Шателье применял этот закон в промышленных условиях для оптимизации синтеза аммиака, производства стекла и цемента, выплавки металлов, получения взрывчатых веществ. Как оказалось, катализаторы не влияют на положение равновесия: они одинаково влияют на прямую и обратную реакции, ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его.
В настоящее время принцип Ле Шателье рассматривается как общий принцип стабильности, согласующий взаимосвязи между элементами Вселенной (Универсума), в своей расширенной трактовке он может быть распространен на живые системы, на социальные системы. Так, с появлением жизни возникает принцип отбора, основанный на стремлении живого сохранить свой гомеостаз, т.е. целостность и равновесие, как самого организма, так и популяции. Принцип Ле Шателье, таким образом, связан с глубокими основами мироздания.
Эволюционная химия вошла в науку и практику сравнительно недавно - в 50-60-х годах. Если биологи к тому времени широко использовали эволюционную теорию Дарвина, то химики не проявляли активного интереса к происхождению видов, составляющему сущность эволюционной теории. Не без оснований считалось, что получение любого нового химического вещества всегда было делом рук и достоянием разума человека: молекулы нового химического соединения конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание строится из кирпичей или блоков. Живые же организмы подобным образом собрать нельзя. Но, несмотря на это, назревали эволюционные проблемы и для химических объектов, связанные с самопроизвольным (без участия человека) синтезом новых химических соединений - более сложных и высокоорганизованных продуктов по сравнению с исходными веществами. В этой связи эволюционную химию считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.
Истоки эволюционной химии уходят в далекое прошлое. Они связаны с давнишней мечтой химиков - освоить опыт лаборатории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в живых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779- 1848). Именно он впервые установил, что основой лаборатории живого организма является катализ, а точнее, биокатализ. Идеально совершенные превращения посредством катализа способна производить лаборатория живого организма - так считали немецкий ученый Ю. Либих (1803- 1873), французский естествоиспытатель М. Бертло (1827-1907) и многие другие химики XIX в.
Химический анализ живой природы остается актуальным и по сей день.
Предполагается, что, используя принципы химии организмов, можно построить совершенно новую химию, основанную на необычном управлении химическими процессами. Будут созданы аналогичные катализаторы, далеко превосходящие промышленные аналоги последнего времени. Тогда станет возможным преобразование солнечной энергии с большим коэффициентом полезного действия в другие виды энергии: химическую, электрическую, тепловую. Возможно, сочетание биохимической энергетики с синтезом полимерных материалов приведет к созданию такой макромолекулы, которая подобно нашим мышцам будет способна превратить химическую энергию в механическую.
Такие задачи могут показаться фантазией. Можно привести примеры, когда в науке многие проблемы вначале казались тоже фантастическими. В свое время это были проблемы строения атома и его ядра. Прошло около полстолетия экспериментальных и теоретических исследований - и первоначальные идеи вылились в реальную возможность получения атомной энергии.
Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме. Такие по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и даже медики. При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков интересуют перспективы создания более сложных веществ путем конструирования их молекул для реализации возможностей синтеза аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследуют цель изучения субстратной и функциональной основ жизнедеятельности организмов. Медики стремятся выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяет все эти исследования идея о ведущей роли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, впервые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером (1822- 1895), остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохимии, основной предмет которой - химические процессы, происходящие в живом организме. В то же время изучением молекулярного состава и структуры ткани живого и неживого организма занимается статическая биохимия.
Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX столетий, когда начали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ. История исследования брожения включает не только определенные этапы познания действительности, но и трудности проникновения в тайны живого: веру в жизненную силу, надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, упрощенные представления "чистых химиков" - Либиха и Бертло о брожении как действии обычных химических сил, гениальные предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожениям и ферментом живой деятельности дрожжевых клеток и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим участия на различных стадиях брожения различных ферментов.
Исследование брожения составляет основной предмет ферментологии - стержневой отрасли знаний о процессах жизнедеятельности. На протяжении весьма длительной истории исследования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой - биологической - Л. Пастер.
В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому катализу. Несмотря на упрощенный подход в рамках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонентов - активных центров и носителей; заключение о важной роли ионов переходных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агентами.
В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его прямые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, которые позволили выявить брожение и способность микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов. Однако все его доводы, если и были не опровергнуты, то, по крайней мере, отодвинуты на задний план после открытия внеклеточного брожения.
Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспективности данной концепции свидетельствуют современные эволюционный катализ и молекулярная биология. С одной стороны, установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физических и химических свойств - одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. С другой стороны, доказана исключительная специфичность живого, проявляющаяся не только в высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, на котором отражаются закономерности других уровней. Специфичность молекулярного уровня живого заключается в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров, структура которых определяется только генетическим кодом и, наконец, в своем необычном факте: многие химические реакции окисления-восстановления в живой клетке могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. А это означает, что в живых системах могут происходить такие химические превращения, которые не обнаруживались в неживом мире.
Генная инженерия появилась благодаря работам многих исследователей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики. На протяжении многих лет главным классом макромолекул считали белки. Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу. Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что носителем наследственной информации является ДНК. С этого времени начинается интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать годом рождения молекулярной биологии.
На рубеже 50 - 60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена экспериментально. Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами которой стали E. coli, ее вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделения высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов. ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически активной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих генов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции превращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии принадлежит рестриктазам и ДНК-лигазам.
Историю развития генетической инженерии можно условно разделить на три этапа:
1. Первый этап связан с доказательством принципиальной возможности получения рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридов между различными плазмидами. Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул с использованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование.
2. Второй этап связан с началом работ по получению рекомбинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их стабильности и жизнеспособности.
3. Третий этап - начало работ по включению в векторные молекулы ДНК (ДНК, используемые для переноса генов и способные встраиваться в генетический аппарат клетки-рецепиента) генов эукариот, главным образом, животных.
Формально датой рождения генетической инженерии следует считать 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг, С. Коэн с сотрудниками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. coli.
Накануне открытия Уотсона и Крика биологи считали, что вторгнуться в наследственный аппарат, а тем более манипулировать с ним наука будет в состоянии лишь в XXI в. Так порой непредсказуемы в науке ее основополагающие открытия, дающие человечеству совершенно новые возможности и в познании, и в практике. Но здесь в дело вступили предельная четкость строения ДНК, ее некапризный характер, которые в соединении с неистощаемой выдумкой исследователей породили новый вид исследования: генную инженерию - искусство манипулирования этой удивительной молекулой. ДНК оказалась двойной спиралью, связанной двумя "базовыми парами": тимин-аденин и цитозин-гуанин. Число этих пар, например, у человека грандиозно: одни исследователи считали, что их 3 млрд., другие - больше 3,5 млрд. Перед наукой открылась возможность не только изучать наследственный материал, но и влиять на саму наследственность: "оперировать" ДНК, сращивать участки генов далеких друг от друга животных или растений иначе говоря, творить неизвестных природе химер, подобных тем, которых с такой фантазией когда-то изображал на своих полотнах известный художник И. Босх. Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже сумели изменить наследственность свиньи, чтобы она не наращивала столько жира, коровы - чтобы ее молоко не скисало так быстро. Благодаря вмешательству человека в конструкцию ДНК были улучшены или изменены качества десятков животных и растений. Но неожиданно генная инженерия предоставила возможность решать задачи, казалось бы, совсем далекие и от сельскохозяйственных полей, и от ферм, и от нужд человеческого здоровья. Стареет ли наследственный аппарат? Мать, отец, ребенок - современники. Сохранится ли действенность генного анализа, когда речь зайдет об ушедших из жизни людях? Лабораторные исследования подтверждают силу анализа даже в том Случае, если ДНК принадлежат весьма далеким друг от друга поколениям. История недавно предоставила возможность проверить это. Необходимо было определить, кому принадлежат скелеты, найденные в захоронении под Екатеринбургом. Царской ли семье, расстрелянной в этом городе в 1918 г.? Ведь в годы гражданской войны погибли многие миллионы. Образцы останков были отправлены в Англию, в центр судебно-медицинской экспертизы, - там уже накоплен большой опыт генного анализа. Из костной ткани исследователи выделили молекулы-ДНК и провели анализ. С точностью 99% установлено: в исследуемой группе находятся останки отца, матери и их трех дочерей. Но может быть, это не царская семья? Следовательно, надо было доказать родство этих останков с членами английского королевского дома, с которым Романовы связаны довольно близкими родственными узами. В частности, муж ныне здравствующей королевы Англии принц Филипп - внучатый племянник русской императрицы Александры Федоровны (его мать доводилась племянницей последней русской царицы). Анализ подтвердил родство погибших с английским королевским домом. Генеральный директор службы судебно-медицинской экспертизы британского Министерства внутренних, дел госпожа Джанет Томпсон официально объявила, что найденные под Екатеринбургом останки принадлежат царской семье Романовых. Известно, что вся информация о строении и развитии живого организма "записана" в его геноме - совокупности генов. Считается, что внутри одного вида геномные различия очень незначительны. Это значит, что ген, например, окраски глаз у человека отличается от гена окраски глаз у кролика, но у разных людей этот ген устроен одинаково и состоит из одинаковых последовательностей ДНК. Генетиков всего мира интересуют сейчас прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Обсуждаются вопросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев. Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для масштабного производства любого белка. Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств. В настоящее время кишечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как инсулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной железы, а одна железа коровы весит 200 - 250 грамм. Это делало инсулин дорогим и труднодоступным для широкого круга диабетиков. В 1978 году исследователи из компании "Генентек" впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин. Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологической активности от него не отличается. Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью обратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полученного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму. Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гормона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг поджелудочной железы свиньи или коровы.
Соматотропин - гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат. Таким образом, доступные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы. Компания "Genentec" в 1980 году разработала технологию производства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечисленных недостатков. В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года начато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве интерферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фибробластов или трансформированных лейкоцитов. Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины. На технологии рекомбинантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с помощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (например, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагностике различных заболеваний. Технология рекомбинантных ДНК сделала возможным нетрадиционный подход "белок-ген", получивший название "обратная генетика". При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий измененную форму белка. Полученный ген вводят в клетку. Если он экспрессируется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный белок. Таким образом, можно исправлять дефектные гены и лечить наследственные заболевания. Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйцеклетку, могут быть получены трансгенные организмы, экспрессирующие мутантный ген и передающие его потомками. Генетическая трансформация животных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продуктов, как в регуляции активности других генов, так и при различных патологических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками. Например, микроинъекция рекомбинантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позволила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. Полученные животные обладали ярко выраженной акромегалией2. В настоящее время даже трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в ближайшие несколько десятков лет.
2Акромегалия - эндокринное заболевание, обусловленное избыточной продукцией гормона роста, главным образом при аденоме гипофиза. Заболевают чаще в возрасте 20-40 лет. Эктопическая продукция соматолиберина - основная причина акромегалии негипофизарного происхождения. В США описано всего около 100 случаев акромегалии, обусловленной эктопической продукцией соматолиберина или СТГ. На их долю приходится менее 1% всех случаев акромегалии.
Список используемой литературы
Основная литература
1. Горохов В.Г., «Концепции современного естествознания», М.: ИНФРА, 2003 г.;
2. Лихин А.Ф. «Концепции современного естествознания», М.: Проспект, 2004 г.;
3. Найденыш В.М. «Концепции современного естествознания», М.: ГАРДАРИКИ, 2003 г.;
Дополнительная литература
1. Акимов О.Е., «Естествознание», М.: ЮНИТИ, 2001г.;
2. Кедров Б.М., «Предмет и взаимосвязь естественных наук», М., 1992 г.;
3. Колгинский Э.И., «Эволюция биосферы», Л., 1990 г.;
4. Небель Б., «Наука об окружающей среде. Как устроен мир», М., 1993 г.;
Интернет - ресурсы
1. www.biotechnolog.ru;
2. www.gumer.info.
|
