Гены, ДНК и вы

ПОСМОТРИТЕСЬ в зеркало получше и подольше. Обратите внимание на цвет своих глаз, структуру волос, цвет кожи и фигуру. Подумайте о том, какими талантами вы обладаете. Почему вы выглядите именно так, а не иначе? Почему вы наделены именно такими физическими данными и талантами? Сегодня результаты исследований в области генетики, изучающей наследственность, и понимание воздействий окружающей среды приближают нас к разгадке этой тайны.

«Генетика...— вздохнете вы.— Слишком уж научно и непонятно». Однако приходилось ли вам говорить девочке, что зеленые глаза достались ей от отца, а рыжие волосы и веснушки — от матери? Если да, то вам знаком один из основных фактов генетики: физические свойства передаются от родителей детям. Этот факт может послужить основополагающим в понимании того, как возник человек — путем эволюции или путем сотворения. Для начала давайте посмотрим, каким образом каждый из нас несет в себе наследие многих поколений.

Наше тело состоит из крошечных живых единиц, называемых клетками; согласно одной оценке, в организме их насчитывается порядка 100 триллионов. Внутри ядра каждой клетки находятся тысячи генов. Это отдельные единицы наследственности, управляющие клеткой и, следовательно, определяющие некоторые из ваших характерных черт. Многие гены определяют группу вашей крови, есть и другие, ответственные за структуру волос, цвет глаз и так далее. Так что каждая клетка несет в себе состоящий из генов миниатюрный план, или код, в котором содержатся все инструкции, необходимые для «строительства» и «ремонта» вашего организма, а также для регуляции его функций. (Смотрите схему на странице 5.) Могло ли все это появиться случайно?

Как тайна была раскрыта

В IV веке до н. э. Аристотель сформулировал теорию о том, что свойства организма передаются через кровь; эта теория считалась общепринятой более тысячи лет. В сознании людей того времени она оставила настолько глубокий отпечаток, что нашла отражение в современном русском языке. Так, сегодня мы говорим о кровном родстве и чистокровных жеребцах.

В XVII веке были открыты яйцеклетки и сперматозоиды, однако их роль понималась неверно. Кто-то считал, что в каждой яйцеклетке или в каждом сперматозоиде сидит крошечное, полностью сформировавшееся, существо. К XVIII столетию исследователи пришли к правильному выводу, что яйцеклетка и сперматозоид соединяются для образования зародыша. Тем не менее точное объяснение наследственности было еще впереди.

Ждать пришлось до 1866 года, когда австрийский монах Грегор Мендель опубликовал первую верную теорию наследственности. В ходе опытов с горохом Мендель открыл «дискретные наследственные задатки», заложенные в половых клетках, и утверждал, что эти задатки отвечают за передачу признаков. Сейчас эти «дискретные наследственные задатки» мы называем генами.

Примерно в 1910 году было обнаружено, что гены располагаются в клеточных структурах, называемых хромосомами. Хромосомы состоят в основном из белка и ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). В то время ученые уже знали о том, сколь важную роль играют белки в других клетках, и поэтому много лет наука предполагала, что хромосомные белки несут генетическую информацию. Затем, в 1944 году, исследователи представили первое доказательство того, что гены состоят не из белков, а из ДНК.

В 1953 году, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли химическую структуру ДНК — спиральных нитевидных молекул, в раскрытии тайны жизни человечество шагнуло далеко вперед.

Посмотрим в микроскоп

КЛЕТКА называется основной единицей жизни. И справедливо, поскольку живые существа: растения, насекомые, животные и люди — все состоят из клеток. Много лет ученые изучают работу внутренних клеточных механизмов и раскрыли многие секреты молекулярной биологии и генетики. Давайте приглядимся к клеткам и рассмотрим, что наука открыла об этих удивительных микроскопических единицах жизни.

Под микроскопом

Клетки различаются по форме. Есть прямоугольные, есть и квадратные. Встречаются круглые клетки, яйцевидные и бесформенные. Амеба — одноклеточный организм — вообще не имеет определенной формы. Передвигаясь, она постоянно видоизменяется. Интересно, что о функции клетки часто можно судить по ее форме. Например, некоторые мышечные клетки длинные и тонкие, а совершая работу, они сокращаются. Нервные клетки, передающие сигналы внутри организма, имеют длинные отростки.

Различаются клетки и по размеру. Большинство из них настолько малы, что не видны невооруженным глазом. Чтобы получить представление о размерах средней клетки, посмотрите на точку в конце этого предложения. В этом едва заметном пятнышке поместятся около 500 клеток средней величины! Если такие масштабы кажутся мизерными, то что говорить о клетках бактерий, которые примерно в 50 раз меньше средних. А какая клетка самая большая? Желток страусиного яйца — одноклеточный «гигант» размером с теннисный мяч!

Поскольку большинство клеток не видны невооруженным глазом, ученые изучают их с помощью различных приборов, таких, как микроскопa. Но даже он не позволяет четко различить некоторые замысловатые детали. Так, электронный микроскоп способен увеличить клетку примерно в 200 000 раз — при таком увеличении длина муравья составила бы почти километр. И тем не менее какие-то детали клетки остаются невидимыми!

Такая техника позволила ученым увидеть, что клетка невероятно сложна. В своей книге «Пятое чудо» («The Fifth Miracle») физик Пол Дейвис говорит: «В каждой клетке неимоверное число мельчайших структур, которые, можно подумать, взяты непосредственно из какого-то технического справочника. Множество микроскопических пинцетов, ножниц, насосов, моторов, рычагов, труб, цепей и даже транспортных средств. Но клетка — это, конечно, не просто мешок с разными приспособлениями. Различные компоненты соединяются в исправно работающее целое, которое напоминает многоэтапную конвейерную линию».

ДНК — молекула наследственности

Первоначально человек, как и многоклеточные растения и животные, представляет собой одну-единственную клетку. Достигнув определенных размеров, клетка делится и образует две клетки. Затем делятся эти две и образуют четыре. Клетки по мере деления специализируются, становясь клетками кожи, мышечными, нервными и так далее. В ходе этого процесса многие клетки группируются и образуют ткани. Так, мышечные клетки соединяются и составляют мышечную ткань. А из различных видов тканей формируются органы: сердце, легкие, глаза и так далее.

Под тонким покрытием каждой клетки находится желеобразная жидкость, которая называется цитоплазмой. В цитоплазме расположено ядро, отделенное от нее тонкой мембраной. Ядро, которое управляет почти всеми процессами в клетке, служит ее центром управления. Внутри ядра размещена клеточная генетическая программа, записанная на дезоксирибонуклеиновой кислоте, или сокращенно ДНК.

Молекулы ДНК хранятся в клеточных хромосомах в виде туго скрученных спиралей. Наши гены, представляющие собой участки молекул ДНК, содержат всю информацию, необходимую, чтобы сделать нас такими, какие мы есть. «Генетическая программа, носителем которой является ДНК, делает каждое живое существо отличным от всех остальных живых существ,— объясняется в энциклопедии «Уорлд бук».— Благодаря этой программе собака отличается от рыбы, зебра — от розы, а ива — от осы. Она делает вас отличным от всех остальных людей на земле».

ДНК одной-единственной клетки заключает в себе ошеломляющий объем информации. Эти сведения заняли бы приблизительно миллион страниц формата этого листа! Поскольку ДНК отвечает за передачу наследственной информации от одного поколения клеток к другому, эту кислоту можно сравнить с генеральным планом всей жизни. Но как выглядит ДНК?

ДНК состоит из двух скрученных нитей (цепей) и по форме напоминает винтовую лестницу. Эти две цепи связаны между собой комбинациями из четырех химических соединений — оснований. Каждое основание на одной цепи составляет пару с основанием на другой цепи. Эти пары образуют ступеньки крученой лестницы. Точное чередование оснований в молекуле ДНК определяет генетическую информацию, которую она несет. Говоря проще, от последовательности ступенек зависят практически все характерные черты вашей внешности, от цвета волос до формы носа.

ДНК, РНК и белок

Белки — самые многочисленные макромолекулы, встречающиеся в клетках. По оценкам, они составляют более половины сухого веса большинства организмов! Белки построены из блоков меньшего размера — из аминокислот. Некоторые из них вырабатываются организмом, другие мы получаем с пищей.

Белки выполняют много функций. Например, гемоглобин — белок, находящийся в красных кровяных клетках,— транспортирует в организме кислород. Антитела помогают организму давать отпор болезням. Другие белки, такие, как инсулин, способствуют усвоению пищи, а также регулируют различные функции клетки. Всего в нашем теле могут насчитываться тысячи видов белков. Лишь в одной клетке их бывает до нескольких сотен!

Каждый белок выполняет определенную функцию, заданную его геном на ДНК. Но как дешифруется заложенная в ДНК генетическая информация, необходимая для создания того или иного белка? На схеме «Как вырабатываются белки» показано, что генетическая информация, хранимая в ДНК, в первую очередь должна быть перенесена из клеточного ядра в цитоплазму, где расположены рибосомы, или «фабрики» по производству белков. Перенос информации осуществляет посредник — рибонуклеиновая кислота (РНК). В цитоплазме рибосомы «считывают» записанные на РНК инструкции и для получения определенного белка собирают аминокислоты в той или иной последовательности. Итак, между ДНК, РНК и образованием белков существует взаимозависимость.

С чего все началось?

Генетика и молекулярная биология привлекают ученых уже не одно десятилетие. Физик Пол Дейвис скептически относится к идее, что все создано Творцом. И все же он признает: «В общей системе каждой молекуле отведена конкретная функция и четко определенное место, что обеспечивает выработку нужных веществ. В клетке наблюдается оживленное движение. Для выполнения своих задач молекулы должны перемещаться по клетке, чтобы в нужном месте и в нужное время встретиться с другими молекулами. При этом никакое начальство не дает им указаний и не направляет их к местам назначения. Никто не следит за их работой. Молекулы просто делают то, что от них требуется: бросаются в разные стороны, наскакивают друг на друга, отскакивают, сливаются воедино. [...] Лишенные разума атомы каким-то загадочным образом действуют сообща и с безукоризненной точностью исполняют танец жизни».

Не случайно многие из тех, кто изучал работу внутренних механизмов клетки, приходят к выводу, что она создана некой разумной силой. Давайте посмотрим, почему они так считают.

[Сноска]

[Рамка/Схема, страница 5]

Заглянем в клетку.

Внутри каждой клетки есть ядро — центр ее управления. В ядре содержатся хромосомы, состоящие из туго скрученных молекул ДНК и белков. Наши гены располагаются на этих молекулах ДНК. Рибосомы, фабрики по производству белков, находятся в окружающей ядро цитоплазме клетки.

[Схема]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Клетка

Рибосомы

Цитоплазма

Ядро

Хромосомы

ДНК — лестница жизни

[Схема, страница 7]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Как ДНК реплицируется

Для удобства ДНК показана в «сплющенном» виде.

1. Прежде чем клетки поделятся, воспроизведя следующее поколение клеток, они должны реплицировать (скопировать) ДНК. В первую очередь белки помогают «расстегнуть» участки двойной цепи ДНК.

Белок

2. Затем, следуя строгому правилу спаривания оснований, свободные (доступные) основания в клетке вступают в связь с соответствующими им основаниями на двух первоначальных цепях.

Свободные основания

3. В итоге получается дубликат кода. Итак, когда клетка делится, каждая новая клетка получает точно такой же код ДНК.

Белок

Белок

Правило спаривания оснований ДНК:

А всегда с Т

А Т Тимин

Т А Аденин

Ц всегда с Г

Ц Г Гуанин

Г Ц Цитозин

[Схема, страницы 8, 9]

(Полное оформление текста смотрите в публикации)

Как вырабатываются белки

Для простоты взят белок, составленный из 10 аминокислот. Большинство белков состоят из 100 с лишним аминокислот.

1. Особый белок «расстегивает» участок двойной цепи ДНК.

Белок

2. Свободные основания РНК вступают в связь с открытыми основаниями ДНК на одной цепи, за счет чего образуется цепь информационной РНК (и-РНК).

Свободные основания РНК

3. Новообразованная и-РНК отсоединяется и направляется к рибосомам.

4. Транспортная РНК подбирает аминокислоту и перемещает ее в рибосому.

Транспортная РНК

Рибосома

5. Рибосома скользит по и-РНК, и аминокислоты связываются в цепь.

Аминокислоты

6. Формируясь, белковая цепь складывается так, чтобы надлежащим образом выполнять нужную функцию. Затем рибосома освобождает цепь.

У транспортной РНК есть два важных окончания:

одно узнает и-РНК по коду,

другое несет нужную аминокислоту.

Транспортная РНК

Основания РНК используют У, а не Т, поэтому У спаривается с А.

А У Урацил

У А Аденин

Что стоит за тайной жизни?

МОЛЕКУЛА ДНК творит чудеса. Она выполняет оба требования, предъявляемые клетками к генетическому материалу. Во-первых, ДНК в точности дублируется, за счет чего информация передается от клетки к клетке. Во-вторых, последовательность ступенек ДНК сообщает клетке, какие вырабатывать белки, а это решает, какой клетка станет и какую функцию будет выполнять. Однако все это ДНК осуществляет не одна. В процессе участвуют многие специализированные белки.

Для зарождения жизни одной ДНК недостаточно. Она содержит все инструкции для получения всех необходимых живой клетке белков, включая те, которые копируют ДНК для следующего поколения клеток, и те, которые помогают ДНК вырабатывать новые белки. Но гигантский объем информации, хранимой в генах ДНК, не имел бы смысла, если бы не было РНК и специализированных белков, в том числе и рибосом, необходимых для «считывания» и использования этой информации.

Белки тоже не могут воспроизводить жизнь сами. Изолированный белок не способен породить ген, обладающий кодом для образования новых белков такого же типа.

Итак, что же показало раскрытие тайны жизни? Современная генетика и молекулярная биология предоставили обилие доказательств того, что ДНК, РНК и белки связаны между собой сложнейшими отношениями и взаимозависимы. Открытия ученых подразумевают, что для жизни необходимы все эти элементы одновременно. Значит, жизнь не могла стихийно зародиться сама собой.

Единственное разумное объяснение состоит в том, что инструкции в ДНК закодировал Творец, обладающий непревзойденным разумом, он же одновременно создал полностью сформированные белки. Взаимодействие этих элементов настолько хорошо продумано, что в ходе однажды начавшегося процесса одни белки бесконечно дублируют ДНК для получения новых генов, а другие белки расшифровывают гены для производства новых белков.

Бесспорно: чудесный цикл жизни был приведен в движение Величайшим Конструктором, Богом Иеговой.

Дивно устроены

Хотя Библия и не учебник по биологии, она в какой-то мере проливает свет на роль Творца, разработавшего код жизни. Примерно три тысячи лет назад израильский царь Давид, ничего не знавший о результатах современных исследований в области генетики, поэтически обратился к Создателю: «Ты устроил внутренности мои и соткал меня во чреве матери моей. Славлю Тебя, потому что я дивно устроен. Дивны дела Твои, и душа моя вполне сознает это. Не сокрыты были от Тебя кости мои, когда я созидаем был в тайне, образуем был во глубине утробы» (Псалом 138:13—15).

А теперь снова посмотритесь в зеркало получше и подольше. Обратите внимание на цвет своих глаз, структуру волос, цвет кожи и фигуру. Подумайте о том, как эти данные передавались из поколения в поколение и как они передались или передадутся вашим детям. А также подумайте о Том, Кто собрал этот удивительный механизм. Возможно, это побудит вас повторить слова апостола Иоанна: «Достоин Ты, Господи, приять славу, и честь, и силу: ибо Ты сотворил все, и все по Твоей воле существует и сотворено» (Откровение 4:11).

[Рамка/Иллюстрации, страница 10]

Слепой случай?

Недавние открытия двух английских ученых подтверждают, что появление генетического кода неслучайно. «Как показал их анализ, [генетический код] самый лучший из более чем миллиарда миллиардов возможных кодов»,— замечается в журнале «Нью сайентист». На заре истории жизни из приблизительно 10²⁰ (1 с 20 нолями) возможных генетических кодов был избран лишь один. Но почему именно этот? Потому что он сводит к минимуму ошибки, которые могут произойти при образовании белков, или ошибки, вызванные генетическими мутациями. Другими словами, данный код гарантирует беспрекословное исполнение законов наследственности. Хотя кто-то приписывает избрание этого кода «сильным селективным воздействиям», два исследователя пришли к выводу, что «вероятность случайного возникновения столь эффективного кода крайне мала».