Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикор

После открытия состава и системы кодирования генетического материала наше понимание жизни сильно расширилось. С 1970-х годов новые мощные методы и приборы для клеточной и молекулярной биологии произвели революцию в исследовании ДНК, функций генов, структур белков, а также регулирования и координации различных биохимических реакций в клетке. Примеры последних достижений в молекулярной и клеточной биологии приведены во врезке 28.2.

За последние пять десятилетий эти новые методы и исследования показали нам сложность клетки и молекулярной биологии. Молекулярные взаимодействия и разные регуляторные реакции и саморегулируемые циклы внутри клетки оказались многослойными и хорошо настроенными для реакции на различные внешние и внутренние сигналы. Сложность этих межклеточных молекулярных сетей сейчас может быть проанализирована с помощью компьютерных вычислений, и таким образом мы постепенно начинаем понимать биохимический мир, заключенный в наших клетках, то есть — молекулярные основы жизни.

Один из очень эффективных методов молекулярной биологии — использование ферментов эндонуклеаз рестрикции, выделенных из бактерий и архей. Эти ферменты позволяют аккуратно разрезать ДНК на специфические кусочки. Техника клонирования позволила лигировать (вставлять) любой фрагмент ДНК в разные векторы для клонирования (плазмиды или вирусы), способные независимо амплифицироваться (копироваться) в другом хозяине, например бактерии или культивированной клетке животного. Полимеразная цепная реакция (ПЦР), которую в 1983 году придумал Кэри Бэнкс Маллис, очень эффективно амплифицирует последовательности ДНК, используя заранее синтезированные одноцепочечные комплементарные ей фрагменты, прилепляющиеся к специфическим местам исходной ДНК при быстрых колебаниях температуры.

Амплифицированные молекулы ДНК могут быть легко выделены и проанализированы для определения их нуклеотидной последовательности. Изолированные последовательности можно также подвергнуть экспрессии как in vitro, для получения белков с целью структурного или функционального исследования, так и в живой клетке, in vivo, для исследования реальных функций белка, его местонахождения или взаимодействия внутри клетки. Наши возможности перенести ген в интересующие нас организмы, такие как бактерии или растения, позволяют направленно модифицировать эти организмы для улучшения их генетических свойств, Этот генноинженерный подход уже используется во многих областях биотехнологии и, видимо, получит в будущем еще более широкое развитие.

Эффективные методы измерения уровней экспрессии генов (например, при использовании проб гомологичных нуклеиновых кислот) позволяют исследовать экспрессию интересующих нас генов при различных состояниях клетки и выяснить, как разные гены регулируют развитие и дифференциацию многоклеточных растений и животных. С помощью автоматизированных методов установления последовательности ДНК можно определить огромное количество геномных последовательностей. Уже сейчас определены сложные геномные последовательности многих прокариотических и эукариотических организмов.

Было обнаружено (см. таблицу ниже), что размеры геномов варьируют в очень широком диапазоне.

Таблица. Размеры геномов и их кодирующие части у организмов разного типа.

У самой маленькой самостоятельно размножающейся бактерии (Mycoplasma genitalium) геном состоит из 580 000 нуклеотидов и содержит около 470 генов. В геноме маленького животного, например нематоды Caenorhabditis elegans, около 100 x 106 нуклеотидов и около 20 000 генов. У человека 3400 x 106 нуклеотидов и 32 000 генов; у полиплоидных растений, например пшеницы, 17 000 x 106 нуклеотидов и 60 000 генов; а у амебы более 670 000 x 106 нуклеотидов, что является самым большим геномом среди всех известных форм жизни. Генетические последовательности продемонстрировали большие вариации в размерах и сложности геномов, а также позволили судить о схожести геномов родственных видов. Оказалось, что разница между человеком и шимпанзе составляет 1 % в последовательности ДНК.

Создание банков данных о последовательностях очень большого количества генов позволяет проводить систематические исследования экспрессионных профилей разных РНК или продуктов генов внутри клетки. Это же дает возможность изучать их молекулярные взаимодействия и регуляторные отношения. В системной биологии эти цели достигаются автоматизированным и компьютерным способом. Миниатюрные молекулярные датчики (микрочипы с большим набором разнообразных ДНК) используются для одновременного тестирования многих тысяч клеточных видов РНК. Этим методом в реальном времени можно анализировать изменения экспрессии РНК при разных внешних условиях (таких, например, как стресс или фактор роста) для выяснения влияния этих факторов на экспрессию гена. Подобным же образом можно провести анализ общих профилей клеточного белка или метаболита в разных условиях, чтобы посмотреть, как клетки реагируют на эти условия.

Глава 29 Происхождение Земли и Луны

Мы уже рассказывали, как Homo sapiens шаг за шагом открывал для себя просторы Вселенной, изобретая методы измерения расстояний и определения свойств небесных тел. Наряду с глубиной пространства перед нами открываются и глубины времени. Нам нелегко представить гигантские космические расстояния. Не менее сложно для нашего разума осмыслить и ту огромную длительность времени, которая потребовалась для рождения Земли (и, конечно, нашей Галактики). Нам трудно вообразить существование чего-то более краткого, чем десятая доля секунды; а что-то более длительное, чем возраст наших бабушек и дедушек, вообще выходит за рамки нормального мышления. Мы вынуждены использовать различные косвенные методы, чтобы представить себе столь длительные отрезки времени, как миллионы и даже миллиарды лет.

Знаменитое определение возраста Земли сделал в 1654 году ирландский епископ и ученый Джеймс Ашшер, воспользовавшись для этого Библией. Начав от рождения Христа и используя жизнеописания библейских персонажей, он двигался в глубь времени и пришел к выводу, что Вселенная и Земля были сотворены за 4004 лет до Рождества Христова. Такие библейские определения возраста Земли (использовавшиеся задолго до Ашшера) считались обоснованными вплоть до XIX века, пока геологи, палеонтолога, астрономы и физики не представили свидетельства более адекватной шкалы времени.

В 1779 году француз Жорж Луи Леклерк де Бюффон (1707–1788) подверг сомнению результаты Ашшера. Он утверждал, что найденные к тому времени окаменелости успели бы сформироваться только в том случае, если возраст Земли составляет не менее 75 000 лет. Это радикальное предположение стало первым геологическим определением возраста Земли. При этом оно весьма неплохо совпадало с оценкой Исаака Ньютона, предположившего в своих «Началах» (1687), что возраст Земли должен составлять 50 000 лет. Эту оценку он получил, опираясь на время охлаждения железной сферы, размер которой он экстраполировал к размеру Земли. Граф Бюффон провел подобные эксперименты со сферами различного размера.

Вскоре шотландский геолог Джеймс Хаттон (рис. 29.1) выдвинул новую идею. Он предположил, что древние события можно понять, изучив современные процессы, такие как накопление песка на берегу или выбросы лавы и пепла при извержении вулканов: если их интенсивность не меняется со временем, их можно использовать дня изучения геологических слоев и горных пород. Свои идеи Хаттон опубликовал в 1788 году в книге «Теория Земли». Он утверждал, что геологические слои формируются в течение долгого времени, что противоречило господствовавшей тогда теории катастроф, согласно которой геологические структуры сформировались почти мгновенно в ходе библейского Всемирного потопа.

Рис. 29.1. Джеймс Хаттон (1726–1797), основатель современной геологии: медленные процессы сформировали геологические структуры.

Шотландец Чарлз Лайель (1797–1875) учился в Оксфорде. Его книга «Основы геологии» (в трех томах, изданных в 1830–1833 годах) получила такое признание, что теория катастроф начала терять популярность. Он подчеркивал, что действующие сейчас физические законы работали и в прошлом и что геологические процессы всегда происходили так же и с той же скоростью, что и сегодня. Теперь-то мы знаем, что это не совсем так: некоторые процессы сильно менялись в прошлом.

Далее, под впечатлением работы Лайеля, Чарлз Дарвин обратил внимание на новый аспект в споре о возрасте, рассмотрев эволюцию от простейших организмов до человека. По его оценкам, геологические процессы должны были продолжаться 300 млн лет, и этого времени — как он полагал — достаточно и для эволюции жизни. Ирландский геохимик Джон Джоли в 1899 году получил для возраста Земли примерно такой же результат — 90 млн лет. Он основывался на вычислении времени, необходимого для того, чтобы океан стал соленым, вбирая в себя всю соль из речной воды. Он не вполне справедливо предполагал, что ежегодный принос соли не меняется и что океан не теряет соль. Итак, к началу XX столетия казалось, что геологический возраст Земли составляет 100 млн лет или немного больше.