|
Реферат: Возникновение жизни на земле (Биология)
Реферат по биологии
Учеников 11 класса А
Средней школы№1259
По теме:
Теория Происхождения Жизни
На протяжении тысячелетий людям казалось очевидным, что живая природа
была создана такой , какой мы ее знаем сейчас ,и всегда оставалась
неизменной .
Но уже в глубокой древности высказывались догадки о постепенном
изменении ,развитии (эволюции) живой при-роды.Одним из предтеч эволюционных
идей можно назвать древнегреческого философа Гераклита (6-5 вв. до н.э),
кото-рый сформулировал положения о постоянно происходящих в природе
изменениях "Все течет , все изменяется".
Другой древнегреческий мыслитель Эмпедокл - в 5 веке до н.э. выдвинул
, вероятно , одну из древнейших теорий эволюции . Он считал ,что вначале
на свет появились разрозненные части различных орга-низмов
(голова,туловище,ноги). Они соединялись между собой в самых невероятных
сочетаниях .Так например появились кентавры (мифические полулюди –
полукони).Позднее будто бы все нежизнеспособные комбинации погибли.
Великий древнегреческий ученый Аристотель выстроил все известные ему
организмы в ряд по мере их усложне-ния.В 18 веке эту идею развил
швецарский натуралист Шарль Бонне, создав учение о "лестнице природы".На
первой ступени "лестницы" находились "тонкие материи"- огонь ,вода,земля;
на следующих - животные и растения по степени слож-ности их строения ,на
одной из верхних ступеней -человек ,а еще выше небесное воинство и
бог.Правда, о возможности перехода "со ступени на ступень" речи, конечно
не шло, и к эволюции эта система имеет еще очень отдаленное отношение.
Первую последовательную теорию эволюции живых организмов разработал
французский ученый Жан Батист Ламарк в книге "Философия зоологии", вышедшей
в 1909 год у. Ламарк предложил ,что в течение жизни каждая особь,
изменяется ,приспосабливается к окружающей среде. Приобретенные ею на
протяжении всей жизни новые приз-наки передаются потомству . Так из
поколения в поколение накапливаются изменения. Но рассуждения Ламарка содер-
жали ошибку ,которая заключается в простом факте : приобретенные признаки
не наследуются . В конце 19-го века немецкий биолог Август Вейсман
поставил известный эксперимент .На протяжении 22-ух поколений отрезал
хвосты подопытным мышам .И все равно новорожденные мышата имели хвосты
ничуть ни короче , чем их предки .
Английский ученый Ч. Дарвин в отличие от Ламарка обратил внимание на
то, что хотя любое существо изменя-ется в течение жизни , но и рождаются
особи одного вида неодинаковыми . Дарвин писал , что опытный фермер
различает каждую из овец даже в большом по численности стаде. Например
,шерсть их может быть светлее или темнее, гуще или реже и т.п. В обычных
условиях среды такие различия несущественны . Но при перемене условий
жизни эти мелкие наследственные изменения могут давать преимущества их
обладателям . Среди множества бесполезных и вредных изменений могут
встречаться и полезные . Рассуждая таким образом , Дарвин пришел к
идее естественного отбора. Особи с полезными отличиями лучше выживают и
размножаются , передают свои признаки потомству . Поэтому в следующем
поколении процент таких особей станет больше и.т. д.
Таков механизм эволюции. Дарвин писал: ” Можно сказать , что
естественный отбор ежедневно и ежечасно расследует по всему свету
мельчайшие изменения , отбрасывая дурные , сохраняя хорошие, работая
неслышно и невидимо …”
Эволюция разных видов идет с разной скоростью .К примеру ,
беспозвоночных ,относящихся к типу плече-ногих , почти не изменились за
последние 440 млн.
лет. А в роде Человек , по данным палеонтологов , за последние 2 млн. лет
возникло и вымерло несколько видов .
Конечно , взгляды на теорию эволюции не остались неизменными со времен
Дарвина . К примеру,Дарвин счел очень серьезным возражением против своей
теории , выдви-нутое английским инженером Ф. Дженкином (оно получи-ло
название “Кошмара Дженкина” ). Дженкин рассуждал так :допустим , у одной
особи случайно появился какой-то полезный признак .Но у ее потомства этот
признак “разба-вится” ровно вдвое , у следующего поколения – еще более
уменьшится, пока совершенно не “растворится “ и не будет утрачен. В то
время считалось , что у потомства признаки родителей могут сливаться .Это
распространенное заблуж-дение опровергли только открытия Грегора Менделя ,
ко-торые Дарвину еще не были известны.
В своей аргументации Дарвин опирался на множество примеров .
В течение долгих веков , свято веря в акт Божественного творения ,люди
,кроме того,были твердо убеждены ,что жизнь постоянно зарождается
cамопроизвольно .
Еще древнегреческий философ Аристотель писал ,что не только растения
,черви ,насекомые ,но даже рыбы, лягушки и мыши могут рождаться из влажной
почвы или гниющего ила .
Голландский ученый Ян Ван Гельмонт в 17веке описал свой опыт ,утверждая
,что живые мыши якобы зарождались у него из грязного белья и горсти пшеницы
,запертых в шкафу.
Другой натуралист , Гриндель фон Ах ,так рассказывал о якобы
наблюдавшемся им самозарождении живой лягушки: ”Хочу описать появление на
свет лягушки ,которое мне удалось наблюдать при помощи микроскопа .Однажды
я взял каплю майской росы и , тщательно наблюдая за ней под микроскопом,
заметил ,что у меня сформировывается какое–то существо .Прилежно наблюдая
на второй день ,я заметил , что появилось уже туловище ,но голова еще
казалась не ясно сформированной ;продолжая свои наблюдения на третий день
,я убедился ,что наблюдаемое мною существо не что иное ,как лягушка с
головой и нога–ми. Прилагаемый рисунок все поясняет”.
В 1688 году итальянский ученый Франческо Реди решил проверить идею
самопроизвольного зарождения жизни.Он рассказывал о своем опыте :”Я взял
четыре сосуда , поместил в один из них мертвую змею ,в другой – немного
рыбы, в третий – дохлых угрей ,в четвертый – кусок телятины, плотно закрыл
их и запечатал.Затем я поместил то же самое в четыре других сосуда ,оставив
их открытыми .Вскоре мясо и рыба зачервивели .Можно было видеть ,как мухи
свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах я
не видел ни одного червяка , хотя прошло много дней после того ,как в них
была положена дохлая рыба и мясо”.
В 1675 году итальянский ученый Ладзаро Спалланцани прокипятил в
запаянном сосуде крепкий мясной бульон . Прошло несколько дней ,но никаких
признаков жизни в бульоне не обнаружилось.
Наконец ,в 1860 году Луи Пастер с помощью ряда блестящих опытов ,похожих
на опыт Спалланцани , окончательно доказал ,что жизнь в современных
условиях не самозарождается. Он показал ,что даже бактерии могут возникать
только от других бактерий.
Опыты Пастера не разрешили вопрос о происхождении жизни ,а поставили его
с новой остротой .Если жизнь в современных условиях не самозарождается ,то
когда и как она возникла впервые ? Наблюдаемая нами Вселенная ,по данным
современной науки , возникла в результате Большого Взрыва около 15-20
миллиардов лет назад .Возраст нашей планеты – около 5 миллиардов лет
.Сейчас большинство ученых склоняется к мнению о том ,что жизнь зародилась
на Земле на заре ее существования.
Древнейшая Земля весьма мало напоминала планету , на которой мы живем
.Ее атмосфера состояла из водяных паров,углекислого газа и, по одним данным
,- из азота ,по другим – из метана и аммиака .Кислорода в воздухе
безжизненной планеты не было .И,надо сказать,отсутствие кислорода было
необходимо для возникновения жизни . Быть может такое известное и
распространенное выражение как “живительный кислород“ поменяет ваше
понимание возникновения жизни в другой интерпретации как “смерт-оносный
кислород”, так как он разрушительно действует на органические молекулы. Мы
привыкли к его воздействию, но на Земле и сейчас есть бактерии ,которые
воспринимают кислород как яд и в его присутствии жить не могут. Кисло-
родная атмосфера делает невозможным в наше время само-зарождение жизни .
Итак ,в атмосфере древней Земли гремели грозы ,ее про-низывало жесткое
ультрафиолетовое излучение
Солнца,на планете извергались вулканы .
Под влиянием всех этих воздействий в первичном океане, покрывавшем
поверхность Земли, образовывались орга-нические вещества – простейшие
“кирпичики”, из которых строится все живое .В наше время их немедленно
поглоти-ли бы бактерии и грибы. Но тогда их еще не было ,и поэ-тому
органические вещества накапливались ,пока весь первичный океан не
превратился в“теплый разбавленный бульон”.
Такое предположение впервые высказал в 1922 году советский биолог
Александр Опарин. В 1953 году аме-риканский биолог Стенли Миллер решил
проверить гипотезу Опарина и воспроизвел в специальной установке природные
условия древней Земли .В стеклянном сосуде находилась нагретая вода
(“океан”) и смесь газов –аммиака, метана и водорода (“первичная
атмосфера”).Через “атмос-феру” проскакивали – “молнии”.Опыт продолжался в
тече-ние недели .
Через неделю “первичный бульон” проанализировали и нашли в нем многие
органические вещества ,в том числе 5 аминокислот .В другой раз в результате
такого же опыта были обнаружены даже нуклеиновые кислоты – цепочки длиной
до шести звеньев .
Согласно одной гипотезе ,содержание органических веществ выше всего было
в высыхающих лужах ,остав-авшихся на берегу океана после отлива .Здесь
образо-вывались цепочки белков и нуклеиновых кислот .При этом чем длиннее
была цепочка ,тем она была устойчивее .Она закручивалась в клубок ,который
разрушался уже не так легко.
Опарин считал ,что главная роль в превращении неживого в живое
принадлежала белкам .В “первичном бульоне” образовывались “сгустки “ белка
(коацерваты) . Они могли вбирать в себя новые питательные вещества ,
разбиваться на более мелкие капельки .Конечно ,они еще не были живыми .
По словам Опарина , расстояние от этих “сгустков” до самых примитивных
бактерий ничуть не меньше ,чем от амебы до человека. Главное ,что отличало
“сгустки” от клеток ,- неспособность точно воспроизводить самих себя.
Чтобы “штамповать” одинаковые белки ,нужна матрица .В ныне живущих
организмах (от бактерий и вирусов до человека ) этой матрицей служат
нуклеиновые кислоты
( РНК и ДНК ).
В какой момент белковые “сгустки” “перешагнули” порог живого ? Тогда ,
когда включили в себя нуклеиновые кисло-ты ,которые позволили создавать
хотя бы грубые , прибли-зительные копии уже имеющихся белков.Это были уже
за-чатки примитивных клеток .
Один из скептиков высказал мнение ,что возникновение жизни в результате
перечисленных процессов столь же не правдоподобно ,как сборка самолета
“Боинг – 747“ в результате урагана , пронесшегося над мусорной свалкой .Но
не будем забывать ,что на протяжении длительного времени (миллиарда лет) в
огромном пространстве ,где происходил “опыт” (весь земной океан) ,самое
маловероят-ное событие могло стать почти неизбежным .
Никто точно не знает ,когда именно возникла первая живая клетка .Возраст
самых ранних следов жизни (остатков бактерий ), найденных в древних
отложениях земной коры , - около 3,5 миллиардов лет . Допустим ,что возраст
жизни на нашей планете – 3 миллиарда 600 миллионов лет. Для большей
наглядности представим себе , что этот огромный отрезок времени уместился в
пределы одних суток.
Сейчас на наших “часах” – ровно 24 часа ,а в момент возникновения жизни
они показывали 0 часов.Каждый час вместил 150 миллионов лет ,каждая минута
– 2,5 миллионов лет.
Самая древняя эпоха развития жизни докембрийская-
длилась невероятно долго : свыше 3 миллиардов лет . Или , по нашей шкале
,с начала суток до 8 часов вечера . Мы уже рассказали об условиях ,в
которых жили первые живые организмы .Пищей им служил “первичный бульон”
окружающего океана или их менее удачливые собратья . Постепенно ,однако ,в
течение миллионов лет этот бульон становился все более“разбавленным”,и ,
наконец ,запасы питательных веществ исчерпались .
Развитие жизни зашло в тупик .Но эволюция благополучно нашла из него
выход.Появились первые организмы (бактерии ),способные с помощью солнечного
света превращать неорганические вещества в органические.
Чтобы строить свои организмы ,всему живому требуется ,в частности ,
водород. Зеленые растения получают его,расще-пляя воду и выделяя кислород .
Но бактерии этого делать еще не умеют . Они разлагают не воду ,а
сероводород, что гораздо проще.При этом выделяется не кислород ,а сера .
(Поэтому на повер-хности некоторых болот можно встре-тить пленку из серы ).
Так и поступали древние бактерии . Но количество сероводорода на Земле было
довольно огра-ничено .Наступил новый кризис в развитии жизни .
Выход из него “нашли” синезеленые водоросли .Они научились расщеплять
воду . Молекула воды – непростой “орешек“ не так – то легко “растащить”
водород и кислород.Это в семь раз труднее ,чем расщепить сероводород.Можно
сказать ,что синезеленые водоросли совершили настоящий подвиг .Это
произошло 2 миллиарда 300 миллионов лет назад (по нашей шкале – около 9
часов утра ).
Теперь в качестве побочного продукта в атмосферу начал выделяться
кислород . Накопление кислорода
представляло серьезную угрозу для жизни .Начиная с 11 часов утра новое
самозарождение жизни на Земле стало невозможным – содержание кислорода
достигло 1% от современного .А перед живыми организмами встала новая
проблема - как бороться с возрастающим количеством этого агрессивного
вещества .
Но эволюция сумела преодолеть и это испытание, одержав новую блестящую
победу .Около 11 часов утра на Земле появился первый организм ,вдохнувший
кислород.Так возникло дыхание.
До этого момента живые организмы жили в океане , укрываясь в водной
толще от губительного для всего живого потоков солнечного ультрафиолета
.Теперь благодаря кислороду в верхних слоях атмосферы возник слой озона,
смягчивший излучение. Под защитой озона жизнь смогла выйти на сушу.
Американский писатель-фантаст Клиффорд Саймак в повести “Кто там в
толще скал ?” так описывает воображаемое путешествие своего героя во
времени – в докембрий :”Дышать было трудно .Кислорода еще хватало , хоть и
с грехом пополам ,- из-за этого он и дышал гораздо чаще обычного.Отступи он
в прошлое еще на миллион лет– кислорода перестало бы хватать. А отступи еще
немного дальше – и свободного кислорода не оказалось бы совсем.
Всмотревшись в береговую кромку ,он приметил ,что она населена
множеством крохотных созданий , снующих туда-сюда ,копошащихся в пенном
прибрежном соре или сверлящих булавочные норки в грязи .Он опустил руку и
слегка поскреб камень ,на котором сидел .На камне проступало зеленоватое
пятно – оно тут же отделилось и прилипло к ладони толстой пленкой
,склизской на ощупь.
Значит,перед ним была первая жизнь ,осмелившаяся выб-
раться на сушу ,- существа ,не готовые ,да и не способные
оторваться от подола ласковой матери - воды ,которая
бессменно пестовала жизнь с самого ее начала .
Здесь происходило многое ,что даст себя знать в гряду –
щем ,но происходило тайно ,исподволь .Снующие козяв -
ки и осклизлый налет на скалах – отважные в своем нера-
зумии предвестники далеких дней – внушали почтение …” В течение докембрия
природа сделала еще целый ряд заме-чательных “изобретений”.Около 2 часов
дня (по нашей шка-ле) клетки получили ядро .Примерно тогда же возникло по-
ловое размножение ,резко ускорившее темпы эволюции .
Появились первые многоклеточные существа .
К концу докембрия (как мы помним ,это 8 часов вечера)
земные моря населяли разнообразные животные :медузы,
плоские черви ,губки ,полипы .Все они были мягкотелыми,
лишенными скелета .Возникновение у животных скелета -
раковин ,панцирей и т.д. – обозначило начало новой геоло-
гической эры.
Палеозойская эра ,начавшаяся 570 миллионов лет назад ,
длилась 340 миллионов лет .(То есть ,по нашей шкале ,с
начала девятого вечера до половины одиннадцатого .)Уче-
ные делят ее на шесть периодов .
Самый ранний из них – кембрий (он продолжался 70 мил -
лионов лет).Как мы уже сказали ,в этот период у самых разнообразных
животных начинает развиваться скелет,
будь то раковина ,панцирь или просто колючие шипики .
Видимо ,мягкотелось становится к этому моменту слиш-
ком небезопасной.
Творчество природы ,создающей новые формы жизни ,в
кембрии необычайно плодотворно и разнообразно :почти
все типы животного царства получают своих первых пред-
ставителей .Хордовых ,например,представляют существа,
похожие на современного ланцетника .Пропуская воду через жаберные щели ,они
таким образом процеживают
из ила съедобные частички. Как ни трудно нам представить моря без рыб ,но в
морях кембрия их еще не было .Моря были густо заселены знаменитыми
трилобитами – вымер-шими предками пауков , скорпионов и клещей .
За кембрием следует ордовик (он длился 60 миллионов лет).В море по –
прежнему процветают трилобиты .Появ-
ляются первые позвоночные – родичи современных миног и
миксин .Челюстей у них еще нет , но строение рта позво -
ляет хватать живую добычу ,что ,конечно ,гораздо выгод-
нее ,бесконечного процеживания ила .
В следующем периоде – силуре (30 миллионов лет )на сушу выходят первые
растения (псилофиты) ,покрывая берега зеленым ковром высотой до 25
сантиметров .Вслед за ними на сушу начинают переселяться животные , приу -
чаясь дышать атмосферным воздухом ,- многоножки ,чер-
ви ,пауки и скорпионы.
В морях трилобитов уже теснят гигантские ракоскор -
пионы ,длина которых порой превышает 2 метра . У поз-
воночных появляется новый ,неизвестный прежде орган –
челюсти , развившиеся из безобидных жаберных щелей бес-
черепных (например ,ланцетника ) .Чтобы добыча не ус -
кользнула из их челюстей ,рыбы приобретают одновремен -
но парные плавники ,увеличивающие маневренность .
Следующий период – девон (60 миллионов лет ).Сушу заселяют
плауны,папоротники ,хвощи ,мхи .В их зарослях уже живут первые насекомые.
Выбираются на сушу и позвоночные .Как и почему это происходит ?Климат в
девоне был сухой ,температура в
течение года резко изменялась.Многие водоемы пересыха -ли .Некоторые рыбы
стали на время засухи зарываться в ил.Для этого нужно было уметь дышать
атмосферным воздухом .Но особенно многообещающей для дальнейшей
эволюции оказалась группа кистеперых рыб .Помимо легоч-
ного дыхания они имели подвижные мускулистые плав-ники, похожие на лапы .С
их помощью они ползали по дну . Чтобы не погибнуть в пересохшем водоеме ,
кистеперые рыбы отправлялись в сухопутные странствия в поисках воды . При
этом они путешествовали на довольно большие расстояния .Естественно
,выживали те,которые лучше могли двигаться по суше.Правда ,слабых легких
для дыха-ния было недостаточно .Как еще дышать , если жабры на суше не
годятся ?Только через кожу.Поэтому рыбья чешуя уступила место гладкой
влажной коже .
Так в девоне кистеперые рыбы постепенно покинули род -
ную стихию и дали начало первым земноводным – стегоце-
фалам (панцирноголовым).
Вслед за девоном наступил карбон ,или каменноугольный
период (65 миллионов лет).Впервые огромные пространст-
ва суши покрылись болотистыми лесами из древовидных папоротников ,хвощей и
плаунов .
Глядя на современные небольшие плауны ,трудно пове -
рить ,что их предки (например ,чешуедрев ,или лепидоден-
дрон ) достигали 40 метров в высоту и 6 метров в обхвате.
Из падавших в воду и постепенно превращавшихся в уголь
стволов образовались залежи каменного угля .Самый цен-
ный уголь (антрацит) получился из скоплений множества
спор ,которые роняли в воду деревья того времени.
Сжигая в печке каменный уголь ,мы чувствуем тепло сол-
нечных ,падавших на Землю без малого треть миллиарда
лет назад.Под ними грелись наши далекие предки - земно-
водные ,царствовавшие в карбоне.
Впервые жизнь ,освоившая воду и сушу ,сделала шаг и в
третью стихию – воздух .Первыми и единственными ,кто
поднялся в воздух в лесах каменноугольного периода ,были
насекомые .Порой они вырастали до невероятных .Размах
крыльев некоторых стрекоз достигал 70 сантиметров .А в
зарослях помимо пауков и скорпионов стали встречаться,
например, тараканы (размером с морскую свинку).
Жизнь сумела окончательно оторваться от породившей
ее водной стихии .Почти одновременно это удалось репти-
лиям и семенным папоротникам ,предкам хвойных.У расте-
ний появились семена вместо спор ,у яиц рептилий – скор -
лупа .Зародыши в семени и яйце были защищены оболочка -ми ,обеспечены пищей
.Из яиц рептилий вылуплялся уже не беспомощный головастик ,а уменьшенная
копия роди-теля.
Рептилиям уже не нужна была голая кожа для дыхания –
вполне хватало легких.Они “заковались обратно в панцирь”
из чешуи или роговых щитков.
Последний период эры древней жизни – пермь,или пермс -кий период (55
миллионов лет) .Климат стал холоднеее и суше .Влажные леса из папоротников
и плаунов исчезли .
Вместо них появились и широко разрослись хвойные .
Земноводных все больше теснили рептилии ,шедшие к
своему господству на планете.
Мезозойская эра наступила 230 миллионов лет назад и дли-лась 163 миллиона
лет .(То есть с половины одиннадцатого вечера до половины двенадцатого по
нашей шкале.) Она де-лится на 3 периода :триас (35 миллионов лет),юру, или
юр-ский период (58 миллионов лет),и мел ,или меловой период (70 милллионов
лет).
В морях еще в пермский период окончательно вымерли трилобиты .Но это не
было закатом морских беспозвоноч-
ных .Напротив: на смену каждой вымершей форме прихо-
дило несколько новых .В течение мезозойской эры океаны
Земли изобиловали моллюсками :белемнитами ,похожими
на кальмаров (их ископаемые раковины зовут “чертовы-
ми пальцами “), и аммонитами .Раковины некоторых ам -
монитов достигали 3 метра в диаметре .Ни у кого больше
на нашей планете ,ни до того ,ни позднее,не было таких
колоссальных раковин !
В лесах мезозоя господствовали хвойные ,похожие на
современные сосны и кипарисы , а также саговники .Мы
привыкли видеть насекомых ,вьющихся над цветами .Но
такое зрелище стало возможным лишь с середины мезо-
зоя ,когда на Земле расцвел первый цветок .К меловому пе-
риоду цветковые растения уже начали теснить хвойные
и саговники .
Мезозой ,особенно юру ,можно назвать царством репти-
лий .Но еще в самом начале мезозоя ,когда рептилии толь-
ко шли к своему господству ,рядом с ними появились мел-
кие, покрытые шерстью теплокровные животные – млеко-
питающие .Долгие 100 миллионов лет они жили рядом с ди-
нозаврами ,почти незаметные на их фоне ,терпеливо до -
жидаясь своего часа .
В юре у динозавров появились и другие теплокровные со-
перники – первоптицы (ахеоптериксы).Они имели еще очень много общего с
рептилиями :например,челюсти,
усеянные острыми зубами .В меловом периоде от них произошли и настоящие
птицы .
В конце мелового периода климат на Земле стал холоднее.
Природа уже не могла прокормить животных ,весивших
более десяти килограммов .(Правда ,есть научные теории,
иначе объясняющие вымирание динозавров.)Началось мас-
совое вымирание (растянувшееся ,однако ,на миллионы лет) гигантов –
динозавров. Теперь освободившееся место
могли занять звери и птицы.
Кайнозойская эра ,начавшаяся “ за полчаса до полуночи”
(67 миллионов лет назад),стала царством птиц млекопи -
тающих ,насекомых и цветковых растений.Она продол -
жается и сейчас .
Ученые разделяют ее на 3 периода :палеоген ,неоген и антропоген
.Последний из этих периодов ,в котором появ-
ляется человек ,начался (по нашему счету – 50 секунд на -
зад) .А время существования всей человеческой цивилиза-
ции (если считать ее возрастом 10 тысяч лет )на нашей
шкале – всего “четверть секунды” !
Впервые человек стал задумываться о своем происхожде-
нии очень давно ,в доисторические времена .Каждое племя
имело свой тотем – священное животное,от которого ,как
считалось ,оно вело свой род.Это могли быть птица ,олень,
медведь и т.д.Почитание тотемов и теперь сохранилось у
некоторых племен , живущих по обычаям предков. Очеви-дно , что на заре
своей истории человек не видел ничего зазорного в том ,что произошел от
животных ,и это даже являлось предметом своеобразной гордости .
Но в христианских странах вплоть до 19 века подобные
предложения считались абсолютно недопустимыми .Впро-
чем ,смельчаков ,рискующих опровергать теорию о сотво-
рении человека Богом из глины на седьмой день творения ,
почти и не находилось .Противники эволюционных идей
даже создали особое учение – креационизм ,научно обосно-
вывавшее акт божественного творения .В 19 веке креа-
ционизм составлял вполне серьезную научную оппозицию
теориям эволюции .Виднейший из биологов –креациони-стов был Жорж Кювье.Даже
сейчас ,согласно опросам , большая часть американских студентов ,например ,
про-должает верить в то ,что человек сотворен Богом ,как сказано в Библии.
Среди биологов по этому поводу бытует такая шутка:
“Десять тысяч лет спустя существа ,населяющие Землю,
будут с негодованием отрицать свое происхождение от
человека” .
Чарлз Дарвин в своем прославленном труде“Происхожде-
ние видов “(1859г.)весьма вскользь коснулся вопроса происхождения человека
,заметив лишь,что на него также “будет проит свет“.Однако уже этот скромный
намек выз-
вал целый шквал негодования .Философ и историк Томас Карлейль назвал книгу
Дарвина “евангелием грязи“.Лишь 12 лет спустя Дарвин выпустил отдельную
книгу “Проис-хождение человека и половой отбор”.
Как же вопрос о происхождении человека решается сов-
ременной наукой?”Человек разумный“ (Homo sapiens)
относится к семейству людей ,подотряду человекообраз-
ных обезьян отряда приматов .
Первые приматы появились около 70 миллионов лет назад,
Первые человекообразные обезьяны – 34 миллиона лет назад .
В последнее время ученые предложили совершенно новый
способ определения степени родства любых живых орга-
низмов.Они сравнивают,насколько совпадает строение ДНК двух живых существ
.Чем меньше совпадений – тем
дальше родство. Этот метод применили и к человекооб -
разным обезьянам.После сравнения выяснилось ,что человек
отличается от шимпанзе всего на 2,5 % ,немногим больше-
от гориллы ,а от низших обезьян – более чем на 10%.
Но все это отнюдь не означает ,что ныне живущие шим-
панзе и гориллы – точные копии предков человека .Просто
у человека с этими обезьянами имеется общий предок .Уче-
ные назвали его дриопитеком (по-латыни – “древесная обезьяна“),т.к. он
обитална деревьях .В 1856 году во Фран-
ции отыскали части скелета этого пращура шимпанзе ,
гориллы и человека .
Во времена жизни дриопитеков значительную часть суши затронуло изменение
климата :тропические джунгли
исчезали и сменялись пространствами лишенными лесов.
Это обстоятельство не могло не сказаться и на образе жизни животных .Иные
отступали под прикрытием исче-
зающего леса ,другие старались приспособиться к жизни на открытой местности
.Так жизнь заставила дриопите-
ков “спуститься с деревьев на землю”.
Австралопитеки (по-латыни – “южные обезьяны”),оби-
тавшие в степях Африки ,сделали еще два шага от живот-
ного к человеку .Первым их “достижением” стало прямо –
хождение ,о чем свидетельствует строение тазовых кос -
тей австралопитеков .Хождение на двух ногах ,кстати го-
воря ,принесло массу неудобств .Скорость его передвиже-
ния сразу замедлилась ,роды стали мучительными (в отли-
чие от четвероногих) .Но ,видимо ,преимущества этого способа передвижения
перевешивали .В чем же они заклю-
чались? Высвободились две передние конечности – руки . Теперь в них можно
было держать камни ,палки,другие ору-
дия .Орудия ,как известно ,могут применять многие звери
и птицы .К примеру ,стервятники разбивают страусиные
яйца бросая в них камни .Но в жизни предков человека орудия стали
приобретать все большую,невиданную преж-
де роль.
Австралопитеки ,судя по всему ,еще не обрабатывали своих орудий ,а просто
использовали то ,что находили:по-
мимо палок и камней крупные кости ,рога антилоп .Ими
можно было,например,отбить от стада и убить антило -
пу, отогнать хищника от его добычи .
Вторым “достижением” австралопитеков стала посте-
пенная утрата “шубы из густой шерсти”.Уместная во
влажных джунглях ,в жаркой и сухой саванне она только
мешала ,затрудняя охлаждение организма .
Первый череп австралопитека был обнаружен в Южной
Африке в 1924 году ,а наиболее полный скелет ,в котором
сохранилось 40% костей ,- в 1974 году в Эфиопии .Принад-
лежал он 40-летней женщине ,жившей 3 миллиона лет то-
му назад ,которую ученые прозвали “Люси”.
Следующий в эволюционной лестнице – уже“первый человек “,первый
представитель рода Homo.Это “человек умелый“ (Homo habilis).Французский
писатель Ж.Рони – старший в романе “Борьба за огонь” так описывает встречу
своего героя Нао (современного человека) с “рыжими кар -
ликами”:
“Что за крохотный народец ! Самый высокий из них при -
ходился погрудь Нао !У них были круглые головы ,треу-гольные лица ,кожа –
цвета охры .Сын Леопарда рассма-тривал их с удивлением .Он принял бы их за
детей, если бы не старческий вид некоторых из них ,бороды ,покрывавшие
пучками их лица ,если бы не оружие в их руках “.”Рыжие карлики” вполне
подходят под описание Homo habilis , дан-ное учеными.
В 1960 году английский антрополог Луис Лики нашел в
ущелье Олдовай (Танзания) рядом с останками “человека
умелого” самые древние орудия ,созданные человеческими
руками.Надо сказать ,что даже примитивный каменный
топор выглядит рядом с ними так же ,как электрическая
пила рядом с каменным топором.Эти орудия – всего лишь
расколотая под определенным углом галька ,слегка заост-
ренная .(В природе таких расколов камня не встречается.)
Возраст “олдовайской галечной культуры”,как ее назвали
ученые ,- около 2,5 миллионов лет!
Человек делал открытия и создавал орудия труда ,а эти
орудия изменяли самого человека ,оказывали решающее
влияние на его эволюцию.Например,использование огня позволило коренным
образом “облегчить” череп человека ,
уменьшить его вес.Приготовленная на огне пища в отличие
от сырой не требовала таких мощных мышц для ее пере -
жевывания ,а более слабым мышцам для закрепления на че-
репе уже не требовался теменной гребень .Племена ,изго-
товлявшие лучшие орудия (как позднее более развитые ци-
вилизации),побеждали отстающие в своем развитии пле –
мена и вытесняли их в бесплодную местность. Изготовле -
ние более совершенных орудий усложняло внутренние взаимоотношения в
племени,требовало большего развития и объема мозга.
Галечные орудия “человека умелого” постепенно смени -
лись ручными рубилами (камни,оббитые с двух сторон),а
затем скребками и наконечниками.
Другая ветвь эволюции рода Homo ,стоящая ,по оценкам
биологов ,выше “человека умелого”, - “человек выпрямлен-
ный”(Homo erectus).К этому виду относят питекантропа
(по-латыни – “обезьяночеловек”), синантропа (“китайс -
кого человека“ – его останки были найдены в Китае) и не-
которые другие подвиды.Их часто называют обезьяно -
людьми .”Человек выпрямленный” уже не бежал в панике
от огня ,как все остальные звери ,а сам разводил его (впро-
чем ,есть предположение ,что и “человек умелый” уже
поддерживал огонь в тлеющих пнях и термитниках);не
только раскалывал ,но и обтесывал камни ,в качестве по –
суды использовал обработанные черепа антилоп .Одеждой
“человеку умелому”,видимо,служили шкуры убитых зверей.
Правая рука его была более развита ,чем левая.Вероятно ,
он владел примитивной членораздельной речью .Пожалуй,
издалека его можно было принять за современного челове-
ка . И,наконец ,вид,к которому принадлежат и живущие
сейчас люди , - “человек разумный” (Homo sapiens).Биологи выделяют в нем
два подвида. Менее развитый ,ныне вымер–
ший , - “человек разумный неандертальский”,или неандер –
талец ,названный так в честь долины Неандерталь в Гер -
мании ,где в 1856 году были впервые найдены останки этих
людей .100 тысяч лет назад неандертальцы широко заселя-
ли Евразию и Африку.Рост их (около 155 сантиметров) ус –
тупал росту современных людей ,у неандертальцев был
скошенный низкий лоб,надбровья сильно выдавались впе-ред. Ученые не
считают живущих ныне людей потомками неандертальцев.Последние неандертальцы
жили 28 тысяч лет назад среди людей современного типа и , судя по всему,
были истреблены ими .
СОДЕРЖАНИЕ
| ГЛАВА |СТРАНИЦА |
|ЭВОЛЮЦИЯ | 2 - 4 |
|ТЕОРИЯ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ . | |
|ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ . |5 – 6 |
|САМОПРО-ИЗВОЛЬНОЕ ЗАРОЖДЕНИЕ . | |
|КАК ЖЕ ВОЗНИКЛА ЖИЗНЬ? | 6 - 9 |
|РАЗВИТИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ . | 9 |
|ДОКЕМБРИЙ | 9 - 12 |
|ПАЛЕОЗОЙСКАЯ ЭРА | 12 - 15 |
|МЕЗОЗОЙСКАЯ ЭРА | 15 - 16 |
|КАЙНОЗОЙСКАЯ ЭРА | 16 - 17 |
|ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА | 17 - 22 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ.
| НАЗВАНИЕ КНИГИ | АВТОР(Ы) |
| ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ | Н.К.ГАЛИЦКИЙ |
| ПРОИСХОЖДЕНИЕ МИРА. | Е.ДЖИЛОВЯН |
| ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ПО | А.МАЙСУРЯН |
|БИОЛОГИИ. |С.ИСМАИЛОВА |
Реферат на тему: Возникновение злокачественных опухолей
Министерство образования Российской Федерации
Уральский Государственный Технический Университет – УПИ
Кафедра Технологии органического синтеза
РЕФЕРАТ:
РОЛЬ ВИРУСОВ И ПЛАЗМИД В ОПУХОЛЕОБРАЗОВАНИИ
Выполнил:
студент гр. Х-449
Покровский П.В.
Екатеринбург
2001
1. Введение
Возникновение злокачественных (раковых) опухолей может иметь различные
причины, однако во всех случаях к этому причастен генетический материал
клетки – ее ДНК. Что бы ни привело к образованию опухоли (раковому
перерождению), последующим ростом ткани управляет ДНК безудержно делящихся
опухолевых клеток. В основе превращения нормальной клетки в злокачественную
– опухолевой трансформации – лежит перенос или иное изменение ДНК. Агент,
вызывающий пролиферацию клеток, - это продукт гена. До сих пор, правда, не
удается создать общую теорию, которая охватывала бы все формы ракового
перерождения, однако изучение злокачественных опухолей, вызванных вирусами
и плазмидами, уже сейчас позволяет сделать далеко идущие выводы.
Мы рассмотрим три примера онкогенеза: 1) образование опухолей у
растений, 2) развитие опухолей у животных под воздействием ДНК-вирусов и 3)
развитие опухолей у животных под воздействием РНК-вирусов (ретровирусов).
2. Образование опухолей у растений.
У многих растений встречаются опухоли корневой шейки. Эти разрастания
ткани уменьшают поток питательных веществ между подземными и надземными
частями. У многих растений такие опухоли можно вызвать экспериментально;
типичные результаты получаются больше чем у половины изученных видов (рис.
1). Возбудителем является Agrobacterium tumefaciens – грам-отрицательная
почвенная бактерия с перитрихальными жгутиками, сходная с представителем
рода Rhizobium. Бактерии проникают в ткань через поврежденные участки и
размножаются в межклетниках. Бывают вирулентные и авирулентные штаммы A.
tumefaciens; вирулентные содержат большую плазмиду, так называемую Ti-
плазмиду (Ti – Tumor Inducing, индуцирующая опухоль). После заражения ткани
плазмиды проникают в растительные клетки.
Плазмидная ДНК прочно интегрируется в хромосомную ДНК растительных
клеток и вызывает их опухолевый рост. Путем прививки таких клеток можно
передать опухоль здоровому растению; таким образом, после того как клетки
претерпели опухолевую трансформацию, бактерия и ее плазмида становятся уже
ненужными. Интегрированная ДНК плазмиды ответственна также за способность
клеток вырабатывать новые ферменты, с помощью которых синтезируются
аминокислоты октопин и нопалин, так называемые опины. Эти аминокислоты
могут использоваться бактерией A. tumefaciens в качестве источника углерода
и азота. Благодаря Ti-плазмиде Agrobacterium получает, таким образом,
преимущественный доступ к продуктам фотосинтеза растения: Ti-плазмида
обеспечивает образование аминокислот, которые могут быть усвоены только
этой бактерией.
Наряду с этим Ti-плазмида представляет собой естественный генный вектор
для переноса чужеродной ДНК в растения. Гены, определяющие опухолевый рост,
можно выделить из плазмиды и заменить другими генами. Из тканей, состоящих
из клеток, трансформированных видоизмененной плазмидой, удавалось
регенерировать целые растения табака, которые росли совершенно нормально и
вдобавок ко всему синтезировали опины. Таким образом, гены чужеродной ДНК
передавались как доминантные факторы в соответствии с обычными законами
наследственности.
Поиски путей введения чужеродных генов в клетки высших растений
интенсивно ведутся во всем мире с начала 70-х годов. Одним из импульсов к
развитию методов переноса чужеродных генов в растения стали результаты
детального изучения молекулярно-генетических основ опухолевого роста у
растений при участии бактерий рода Agrobacterium. В результате этих
исследований оказалось, что опухолеобразующие плазмиды агробактерий,
представляющие собой мини-кольцевые ДНК, являются природной векторной
системой, которую сейчас используют для переноса генов в растения. Плазмида
агробактерии переносит часть своей ДНК в ДНК растительной клетки, в ДНК
встраивается "нужный" ген. С помощью этого уникального вектора уже получено
большое число трансгенных растений. Важно также то, что методы генной
инженерии сейчас используют не только в практике, это важнейшая методология
для познания фундаментальных основ организации и функционирования
растительного генома.
2.1. ЧТО ТАКОЕ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ РАСТЕНИЙ
Генетическая инженерия - это система экспериментальных приемов,
позволяющих конструировать искусственные генетические структуры в виде так
называемых рекомбинантных (гибридных) молекул ДНК. Суть генетической
инженерии сводится к переносу в растения чужеродных генов, которые могут
сообщать растениям полезные свойства. Такие манипуляции осуществляются с
помощью соответствующих ферментов - рестрикционных эндонуклеаз,
расщепляющих молекулы ДНК в строго определенных участках, и лигаз,
сшивающих фрагменты в единую рекомбинантную молекулу ДНК.
Итак, процедуры генетической инженерии сводятся к тому, что из набора
фрагментов ДНК, содержащих нужный ген, собирают гибридную структуру,
которую затем вводят в клетку. Введенная генетическая информация
экспрессируется, что приводит к синтезу нового продукта. Таким образом,
вводя в клетку новую генетическую информацию в виде гибридных молекул ДНК,
можно получить измененный организм.
Растения имеют одно очень важное преимущество перед животными, а именно
возможна их регенерация in vitro из недифференцированных соматических
тканей с получением нормальных, фертильных (способных завязывать семена)
растений. Это свойство (тотипотентность) открывает для молекулярных
биологов большие возможности в изучении функционирования генов, введенных в
растения, а также используется в селекции растений. Для конструирования
растений необходимо решить следующие задачи: выделить конкретный ген,
разработать методы, обеспечивающие включение его в наследственный аппарат
растительной клетки, регенерировать из единичных клеток нормальное растение
с измененным генотипом. Таким образом, методология генетической инженерии в
отношении растений направлена на коренное изменение методов традиционной
селекции, с тем чтобы желаемые признаки растений можно было получать путем
прямого введения в них соответствующих генов вместо длительной работы по
скрещиваниям.
Формальной датой рождения генетической инженерии растений является
полученное с помощью Ti-плазмидного вектора первое в мире химерное растение
санбин (sunbeen) как результат переноса гена запасного белка бобовых
(фазеолина) в геном подсолнечника (sunflower + been). Это было первым
ощутимым, хотя, быть может, и несовершенным свидетельством того, что в
отношении растений генетическая инженерия сможет оправдать надежды
специалистов в области молекулярной генетики, биологии и селекции.
2.2. КОРОНЧАТЫЕ ГАЛЛЫ РАСТЕНИЙ
В группе почвенных бактерий, известных под общим названием
Agrobacteria, есть несколько видов, которые могут заражать растения и
вызывать образование опухолей, называемых корончатыми галлами, состоящими
из недифференцированной опухолевой ткани, растущей в месте заражения.
Клетки корончатых галлов во многих отношениях напоминают раковые клетки
животных. Они приобретают способность к неограниченному, нерегулируемому
росту. Когда клетки корончатых галлов культивируют in vitro, они растут при
отсутствии специальных гормонов, которые необходимы при культивировании
нормальных растительных клеток. Более того, клетки корончатых галлов
продолжают сохранять эти свойства (трансформированный фенотип), даже если
убить бактерии антибиотиками. Изучение индуктора опухолей Agrobacterium
tumefaciens показало, что собственно опухолеродным агентом у этой бактерии
является Ti-плазмида, которая частично интегрируется в хромосомы растений.
2.3. АГРОБАКТЕРИАЛЬНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ РАСТЕНИЙ: Ti-ПЛАЗМИДЫ
В A. tumefaciens помимо хромосомы содержится Ti-плазмида. Плазмида
содержит Т-ДНК (transferred DNA), которая составляет 12-22 тыс. пар
оснований и встраивается в ДНК растительной хромосомы. Она кодирует
ферменты синтеза фитогормонов и опинов - производных аминокислот, которые
используются бактерией как источник углерода, азота и энергии.
Кроме Т-ДНК в Ti-плазмиде содержатся vir-область, отвечающая за перенос
Т-ДНК в растение, гены утилизации опинов, а также локусы, контролирующие
размножение плазмиды в бактериальной клетке и ее перенос при бактериальной
конъюгации. Доказательства того, что именно Ti-плазмиды, а не хромосомные
гены бактерий ответственны за поддержание трансформированного состояния
клеток корончатых галлов, были получены при изучении штаммов Agrobacterium,
содержащих мутантные Ti-плазмиды. Агробактерии, лишенные Ti-плазмид, не
индуцируют в зараженном растении ни образования корончатых галлов, ни
синтеза опинов. Все полученные мутации Ti-плазмид разделяют на три основных
класса. Мутанты первого класса не индуцируют синтез опинов, но вызывают
образование корончатых галлов. Мутанты второго класса утрачивают
способность индуцировать развитие опухолей. Мутанты третьего класса
стимулируют аномальную дифференцировку нормальных клеток, например
избыточный рост корней или побегов. Эти генетические исследования показали,
что ДНК Ti-плазмид содержит гены, которые контролируют развитие опухолей,
синтез опинов. Поскольку у растений с мутантными Ti-плазмидами второго и
третьего классов с помощью фитогормонов можно стимулировать
опухолеобразование, было предположено, что полученные мутации затрагивают
гормональный метаболизм.
2.4. КАКИЕ ГЕНЫ ЛОКАЛИЗОВАНЫ В Т-ДНК
В области Т-ДНК картировано не менее шести генов, отвечающих за
морфологию опухоли и синтез фитогормонов. Ген iaaM 1 кодирует фермент
триптофан-2-монооксигеназу, которая переводит триптофан в индолилацетамид.
Ген iaaH 2 кодирует гидролазу, превращающую индолилацетамид в гормон
растений ауксин - индолил-3-уксусную кислоту (ИУК). Совместная деятельность
продуктов генов 1 и 2 обусловливает появление в растениях несвойственного
им пути образования природного ауксина, что в целом приводит к изменению
количества ауксина в клетках растения. Изопентенилтрансфераза, кодируемая
геном ipt, катализирует ранние стадии биосинтеза природного цитокинина.
Гены iaaM, iaaH и ipt представляют собой онкогены, так как продуктами этих
генов являются фитогормоны ауксин и цитокинин, которые индуцируют деление
клеток. Ген 5 отвечает за синтез индол-3-лактата, который является
продуктом превращения ауксина. Этот метаболит проявляет антиауксиновый
эффект. Ген tml 6 влияет на величину опухоли; транскрипт 6а необходим для
секреции нопалина и октопина, а ген 6б изменяет чувствительность
растительных тканей к цитокинину и сохраняет клетки в недифференцированном
состоянии. Итак, четыре или, возможно, пять генов подавляют дифференцировку
опухолевых клеток и переводят их в состояние деления, а еще один ген
кодирует фермент, катализирующий синтез опинов.
2.5. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АГРОБАКТЕРИАЛЬНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ
Процесс трансформации можно разделить на четыре этапа: прикрепление
бактерии к стенке растительной клетки, проникновение Т-ДНК внутрь клетки
растения, интеграция Т-ДНК в геном растения и экспрессия Т-ДНК.
Индукция начальных этапов трансформации может происходить только в
месте раневого повреждения растения, где выделяются низкомолекулярные
фенольные соединения (например, ацетосирингон), углеводы (например, глюкоза
и глюкуроновая кислота) и где образуется кислый рН. Весь процесс вырезания
и интеграции Т-ДНК в растительную хромосому осуществляют продукты генов,
локализованных в vir-области. Восприятие раневых сигналов осуществляют
белки VirA и ChvE. ChvE, белок, кодируемый хромосомным геном бактерии,
чувствует присутствие ацетосирингона и изменяет способность VirA отвечать
на фенольные соединения. VirA является гистидиновой протеинкиназой,
способной к аутофосфорилированию, он дважды пронизывает внутреннюю мембрану
бактериальной клетки и выступает в качестве донора фосфора белку VirG.
Фосфорилированный VirG активирует транскрипцию остальных vir-генов.
Индукция vir-генов обратима, что очень важно для патогена: в случае, если
хозяин - больной и нежизнеспособный организм, перенос Т-ДНК не
осуществляется.
Оперон VirD кодирует несколько продуктов. Один из них является
двухкомпонентной эндонуклеазой. Область Т-ДНК окружена одинаковыми
повторами длиной 25 пар оснований. Эти последовательности являются сайтами
узнавания VirD-эндонуклеазы, режущей точно между 3-м и 4-м основаниями 25
пар оснований повтора. Эта эндонуклеаза ответственна за вырезание Т-ДНК.
Белки VirB и VirE необходимы для транспорта Т-ДНК из бактерии в растение.
Перенос Т-ДНК из бактерии в цитоплазму растительной клетки осуществляется
за 30 мин.
Внедрение Т-ДНК в растительный геном является многоступенчатым
процессом. Недавние результаты анализа нуклеотидных последовательностей в
участках растительной ДНК, в которые инкорпорируется Т-ДНК, показали, что
есть гомология между растительной ДНК по обеим сторонам от места
встраивания и наружными областями плазмидной ДНК агробактерий. В геном
растения могут встраиваться несколько копий Т-ДНК. После встраивания в
хромосому Т-ДНК становится обычной частью генома растения. Т-ДНК
транскрибируется в растительных клетках РНК-полимеразой II растения-
хозяина. Транскрипты имеют особенности эукариотических матриц. Сама
бактерия в клетку не проникает, а остается в межклеточном пространстве и
использует растительные клетки со встроенной Т-ДНК как фабрику,
продуцирующую опины - источник азота и углерода.
2.6. ДНК Ti-ПЛАЗМИДЫ МОЖНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ В КАЧЕСТВЕ ВЕКТОРА
Т-ДНК Ti-плазмид обладает двумя свойствами, делающими ее по существу
идеальным вектором для введения чужеродных генов в клетки растений. Во-
первых, круг хозяев агробактерий очень широк: они трансформируют клетки
практически всех двудольных растений. Известно, что можно добиться
заражения однодольных, в том числе злаков. Во-вторых, интегрированная в
состав генома растения Т-ДНК наследуется как простой доминантный признак в
соответствии с законами Менделя, а ее гены имеют собственные промоторы
(регуляторная область гена, определяющая время и место его экспрессии), под
контролем которых могут экспрессироваться вставленные в Т-ДНК чужеродные
гены.
Простейший способ введения Т-ДНК в клетки растения состоит в том, чтобы
заразить его A. tumefaciens, содержащей подходящую Ti-плазмиду, и
предоставить дальнейшее естественному ходу событий. Необходимо только уметь
встраивать нужные гены в Т-сегмент ДНК плазмиды. Однако размеры целой Ti-
плазмиды существенно больше размеров молекул, обычно используемых в работе
с рекомбинантной ДНК. Чтобы преодолеть эту трудность, разработан следующий
подход. Прежде всего Т-сегмент вырезают из Ti-плазмиды с помощью рестриктаз
и встраивают в один из стандартных плазмидных векторов для размножения в
клетках бактерий - Escherichia coli. E. сoli содержит плазмиду pBR322,
которая способна к саморепликации, то есть размножению, приводящему к
увеличению числа ее копий. После того как в плазмиду pBR322 внедрили
участок Ti-плазмиды, это рекомбинантная структура может затем
реплицироваться многократно, что приводит к увеличению числа копий участков
Ti-плазмиды. Этот процесс называется клонированием. Бактерии, содержащие
плазмиду pBR322 с участком Т-ДНК, размножают, после чего эту плазмиду
выделяют. Затем с использованием рестриктаз и стандартных приемов работы с
рекомбинантной ДНК в Т-сегмент встраивают определенный ген. Этот
молекулярный гибрид, теперь уже содержащий Т-ДНК со встроенным в нее геном,
снова размножают в E. сoli, а затем вводят в клетки A. tumefaciens, несущие
соответствующую полную Ti-плазмиду. В результате обмена идентичными
участками (гомологичная рекомбинация) между Т-сегментами нативной и
сконструированной Ti-плазмид Т-ДНК со встроенным чужеродным геном
включается в Ti-плазмиду, замещая нормальную Т-ДНК. Таким образом, мы
получаем клетки A. tumefaciens, несущие Ti-плазмиду со встроенным в Т-
сегмент нужным геном. Последний этап заключается в заражении растений этими
модифицированными генно-инженерными методами агробактериями. Клетки
полученных трансгенных растений будут содержать интегрированную Т-ДНК со
встроенным чужеродным геном, то есть цель работы, состоявшая во введении
данного гена в геном растения, будет достигнута. Недавние исследования,
однако, показали, что эту процедуру можно упростить, если использовать
бинарные векторные системы, создание которых заключается в том, что
агробактериальная клетка должна содержать по крайней мере две разные
модифицированные Ti-плазмиды. Одна из них должна содержать только vir-
область, гены которой будут участвовать в вырезании Т-ДНК. Такие плазмиды
называют плазмидами-помощницами. Вторая Ti-плазмида должна содержать
область Т-ДНК с нужным встроенным геном. Продукты vir-генов способны
вырезать Т-ДНК как на собственной плазмиде, так и на соседней, то есть vir-
гены могут работать вне зависимости от их местоположения. Таким образом,
если клетки агробактерии содержат Ti-плазмиду с сегментом vir и другую
плазмиду с Т-ДНК, несущей встроенный ген, эти бактерии могут
трансформировать клетки растений.
В целом идеальная векторная система на основе Ti-плазмиды должна: 1)
содержать все сигналы, необходимые для переноса и стабильной интеграции в
ядерную ДНК растений; систему для экспрессии чужеродных генов в растениях
(узнаваемый растительными полимеразами промотор), маркер, который необходим
для селекции трансформированных клеток; 2) не содержать онкогенов, то есть
генов, которые подавляют дифференцировку растительных клеток. Второй пункт
достигается с помощью транспозонного мутагенеза (транспозон -
последовательность ДНК, способная перемещаться по геному). В результате
введения транспозона в Т-ДНК можно выключить гены, которые приводят к
опухолеобразованию (iaaM, iaaH, ipt), что не отражается на механизме
переноса Т-ДНК. Обычно используют бактериальные транспозоны (Tn5, Tn7). При
этом снимается блок с процессов регенерации. При модификации Ti-плазмиды
необходимо предусмотреть также наличие уникальных сайтов рестрикции, в
которые будет клонирован чужеродный фрагмент ДНК. Такие уникальные сайты
рестрикции создаются включением в искусственные Ti-конструкции
последовательностей, которые содержат множественные сайты разрезания для
рестриктаз EcoR1, Hind III, BamH1 и др. В некоторых случаях в одном
множественном сайте имеется 18-20 сайтов, узнаваемых разными рестриктазами,
почему эти участки и называются полилинкерами.
Кроме того, при конструировании векторных молекул должно быть
предусмотрено наличие промоторов, работающих в растениях. Промотор
(участок, к которому присоединяются РНК-полимеразы) должен обладать набором
свойств, а именно: силой (активной экспрессией), возможностью регуляции,
ткане- и органспецифической экспрессией. Так, например, к регулируемым
промоторам относится промотор генов белков теплового шока (генов,
активность которых индуцируется при повышенной температуре), а
тканеспецифичная экспрессия характерна для генов, контролирующих синтез
запасных белков, например зеина, который обнаружен только в тканях семян
злаков. Наиболее популярным является промотор гена вируса мозаики цветной
капусты (CAMV). Гены, подшитые к такому промотору, активно экспрессируются
во всех тканях.
Наконец, в векторе должны быть предусмотрены маркеры, с помощью которых
возможен отбор трансгенных растений. В литературе маркерные гены еще
называют репортерными. Их достаточно много. Например, luxA и luxB - это
гены, выделенные из ДНК светлячков. Они контролируют синтез люциферазы,
которая обеспечивает переход люцефиринов из окисленной формы в основную,
что и обеспечивает свечение. В последнее время пользуется популярностью
другой репортерный ген - pgfp, который контролирует синтез GFP-белка (green
fluorescent protein). Этот ген был выделен из ДНК медузы Acquorea victoria.
Трансгенные растения с этим геном светятся в ультрафиолете зеленым светом.
Традиционный способ трансформации растительных клеток с помощью Т-ДНК
заключается в нанесении агробактерий, содержащих Ti-плазмиду, на специально
поврежденный побег. Сейчас используют широкий арсенал методов для получения
трансгенных растений. Создан даже специальный прибор - "Shotgun", который
стреляет мельчайшими вольфрамовыми пульками, одетыми в молекулы ДНК,
осуществляя таким образом трансформацию растительных клеток.
2.7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ РАСТЕНИЙ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Ti-ПЛАЗМИД
Еще несколько лет назад ученые задавали вопрос, можно ли создать сорта,
сбалансированные по составу аминокислот, устойчивые к холоду, засухе, не
поражаемые вредителями. Сегодня можно с уверенностью утверждать, что такие
трансгенные растения уже вышли в поле. По литературным данным, к 1997 году
в 30 странах мира проведено более 3 тыс. полевых испытаний. В этих
экспериментах использовали трансгенные растения 40 различных видов,
относящихся к разным семействам, включая злаки. После успешных
экспериментов появились опасения о возможном вреде генетической инженерии
для природы и человечества. Однако уже более чем за четверть века своего
существования генетическая инженерия не принесла ущерба ни природе, ни
человеку. Главное, в любых экспериментах по генной инженерии следует
соблюдать разработанные правила.
Наиболее остро стоит вопрос о получении растений, устойчивых к
вредителям сельского хозяйства, так как болезни растений стали основным
лимитирующим фактором получения урожая. В арсенале генной инженерии
растений есть много приемов, позволяющих получить трансгенные растения,
устойчивые к насекомым. Традиционно используют ген bt, продуктом которого
является бактериальный токсин Bacillus thuringiensis. Эта тюрингская
бактерия продуцирует крупный белок (протоксин), контролируемый геном bt,
который, попадая в кишечник личинок насекомых, разрушается под действием
ферментов, а его фрагмент (эндотоксин) приводит к их гибели. На приведена
схема конструирования вектора и получения трансгенных растений хлопка,
которые приобретают признак устойчивости к насекомым. В настоящее время уже
синтезирован искусственный ген bt, конструкция с которым более эффективна,
а сами трансгенные растения обладают широким спектром устойчивости к
насекомым. Трансгенные растения картофеля, хлопка, кукурузы с геном bt уже
производятся фирмами "Monsanto", "Ciba Seeds" и продаются на рынках мира,
хотя дискуссии об их использовании еще не закончены.
Известно, что растения, так же как и животные, способны вырабатывать
иммунитет. Этим замечательным свойством обладают только устойчивые
растения, у которых при атаке патогенов сильно меняется метаболизм.
Например, у устойчивых растений накапливаются такие химические соединения,
как перекись водорода (Н2О2), салициловая кислота (SA), фитоалексины
(соединения, выполняющие защитную функцию в растении). Повышенное
содержание этих соединений способствует противостоянию растения в борьбе с
патогенами. Вот один из примеров, доказывающий роль салициловой кислоты в
иммунном ответе растений. Трансгенные растения табака, которые содержат
бактериальный ген, контролирующий синтез салицилат гидролазы (этот фермент
разрушает SA), были неспособны к иммунному ответу. Поэтому изменение генно-
инженерным путем уровня салициловой кислоты или выработки в растениях в
ответ на патоген H2O2 может быть перспективным для создания устойчивых
трансгенных растений.
В последние годы ученые используют новый подход для получения
трансгенных растений с "antisense RNA" (перевернутой или антисмысловой
РНК), который позволяет управлять работой интересуемого гена. В этом случае
при конструировании вектора копию ДНК (к-ДНК) встраиваемого гена
переворачивают на 180?. В результате в трансгенном растении образуется
нормальная молекула мРНК и перевернутая, которая в силу комплементарности
нормальной мРНК образует с ней комплекс и закодированный белок не
синтезируется. Такой подход использован для получения трансгенных растений
томатов с улучшенным качеством плодов. Вектор включал к-ДНК гена PG,
контролирующего синтез полигалактуроназы (polygalacturonase) - фермента,
участвующего в разрушении пектина, основного компонента межклеточного
пространства растительных тканей. Продукт гена PG синтезируется в период
созревания плодов томатов, а увеличение его количества приводит к тому, что
томаты становятся более мягкими, что значительно сокращает срок их
хранения. Отключение этого гена в трансгенах позволило получить растения
томатов с новыми свойствами плодов, которые не только значительно дольше
сохранялись, но и сами растения были более устойчивы к грибным
заболеваниям. Такой же подход можно применить для регулирования сроков
созревания томатов, а в качестве мишени в этом случае используют ген EFE
(ethylene-forming enzyme), продуктом которого является фермент, участвующий
в биосинтезе этилена. Этилен - это газообразный гормон, одной из функций
которого является контроль за процессом созревания плодов.
Таким образом, стратегия антисмысловых конструкций широко применима для
модификации экспрессии генов. Эта стратегия используется не только для
получения растений с новыми качествами, но и для фундаментальных
исследований в генетике растений.
Следует упомянуть еще об одном направлении в генной инженерии растений,
которое до недавнего времени в основном использовали в фундаментальных
исследованиях - для изучения роли гормонов в развитии растений. Суть
экспериментов заключалась в получении трансгенных растений с комбинацией
определенных бактериальных гормональных генов, например только iaaM или ipt
и т.д. Эти эксперименты внесли существенный вклад в доказательство роли
ауксинов и цитокининов в дифференцировке растений.
В последние годы этот подход стали использовать в практической
селекции. Оказалось, что плоды трансгенных растений с геном iaaM,
находящимся под промотором гена Def (ген, который экспрессируется только в
плодах), являются партенокарпическими, то есть сформировавшимися без
опыления. Партенокарпические плоды характеризуются либо полным отсутствием
семян, либо очень небольшим их количеством, что позволяет решить проблему
"лишних косточек", например в арбузе, цитрусовых и т.д. Уже получены
трансгенные растения кабачков, которые в целом не отличаются от
контрольных, но практически не содержат семян.
Остается добавить несколько слов еще об одном аспекте возможностей
использования Ti-плазмиды агробактерии. Обезоруженную, лишенную онкогенов
Ti-плазмиду ученые активно используют для получения мутаций. Этот метод
носит название Т-ДНК-инсерционного мутагенеза. Т-ДНК, встраиваясь в геном
растения, выключает ген, в который она встроилась, а по утрате функции
можно легко отбирать мутанты. Этот метод замечателен также тем, что
позволяет сразу обнаружить и клонировать соответствующий ген. В настоящее
время таким способом получено множество новых мутаций растений и
соответствующие гены клонированы. В нашей лаборатории М.А. Раменской на
основе Т-ДНК мутагенеза получены растения томатов с неспецифической
устойчивостью к фитофторозу.
Областей применения трансгенных растений так много, что все имеющиеся
сведения невозможно изложить в рамках одной статьи. На уровне лабораторных
экспериментов ведутся работы по получению растений, устойчивых к холоду,
тяжелым металлам, повышенному содержанию солей и др. Трансгенные растения,
устойчивые к гербицидам (химическим соединениям, которые используют для
борьбы с сорняками), к вирусам, растения с повышенным содержанием масел и
незаменимых аминокислот уже выращивают на миллионах гектаров. Не менее
интересен и другой аспект работ - получены трансгенные растения с
измененными декоративными свойствами. Один из примеров - это получение
растений петунии с разноцветными цветками. На очереди голубые розы с геном,
контролирующим синтез голубого пигмента, клонированным из дельфиниума.
Итак, многие надежды уже сейчас превратились в свершения, а
агробактерия с ее удивительной Ti-плазмидой в руках ученых стала настоящим
инструментом как для познания функционирования растительного генома, так и
для решения многих проблем, которые стоят перед сельским хозяйством. К
сожалению, в нашей стране трансгенные растения еще остаются на уровне
лабораторных экспериментов, поскольку дорога от лаборатории до поля, как и
много лет назад, остается непротоптанной, а во многих лабораториях, в том
числе и в нашей, уже есть трансгенные растения, которые ждут своего часа.
2. Онкогенез, вызываемый у животных ДНК-вирусами.
Исследования канцерогенеза у животных нередко проводятся на культурах
тканей. Если перенести клетки животных, например из органов кур или
хомячков, или фибробласты человека в подходящую питательную среду, то на
внутренней стенке культурального сосуда они начнут размножаться. Обычно
клетки продолжают расти лишь до тех пор, пока не начнут соприкасаться между
собой. Из-за контактного торможения образуется только однослойный клеточный
газон. Если же эти н | |
