Досягнення сучасного природознавства в біології

Реферат по предмету Концепції сучасного природознавства

Виконала: студентка 1 курсу до Ф-та Економічної теорії отд. Національної економіки Бусигіна О.А.

Саратовский Державний університет імені Н. Г. Чернишевського

Саратов, 2007

Ідея еволюції живої природи

Ідея еволюції живої природи виникла в Новий час як протиставлення креаціонізму (від лат. "творення") -- вчення про створення світу богом з нічого і незмінності створеного творцем світу. Креаціанізм як світогляд склався в епоху пізньої античності і в Середньовіччя і зайняв панівні позиції в культурі.

Фундаментальну роль у світогляді того часу грали також ідеї телеології - вчення, за якого всі в природі влаштовано доцільно і всякий розвиток є здійсненням заздалегідь визначених цілей. Телеологія приписує процесам і явищ природи мети, які або встановлюються богом (Х. Вольф), або є внутрішніми причинами природи (Арістотель, Лейбніц).

В подоланні ідей креаціонізму і телеології важливу роль відіграла концепція обмеженою мінливості видів у межах відносно вузьких підрозділів (від одного єдиного предка) під впливом середовища - трансформізм. Цю концепцію в розгорнутій формі сформулював видатний натураліст 18 століття Жорж Бюффон у своєму 36-томному праці "Природна історія".

трансформізм в основі своїй має уявлення про зміну і перетворення органічних форм, походження одних організмів від інших. Серед дослідників природи і філософів-трансформістов 17 і 18 століть найбільш відомі також Р. Гук, Ж. Ламетрі, Д. Дідро, Е. Дарвін, І. Гете, Е.Сент-Ілер. Всі трансформісти визнавали змінність видів організмів під дією змін навколишнього середовища.

В становленні ідеї еволюції органічного світу істотну роль зіграла систематика - біологічна наука про різноманітність всіх існуючих і вимерлих організмів, про взаємини і родинні зв'язки між їх різними групами (таксонами). Основними завданнями систематики є визначення шляхом порівняння специфічних особливостей кожного виду і кожного таксону більше високого рангу, з'ясування загальних властивостей в тих чи інших таксонів. Основи систематики закладені в працях Дж. Рея (1693) і К. Ліннея (1735).

Шведська натураліст 18 століття Карл Лінней вперше послідовно застосував бінарну номенклатуру і побудував найбільш вдалу штучну класифікацію рослин і тварин.

В 1751 вийшла його книга "Філософія ботаніки", в якій К. Лінней писав: "Штучна система слугує лише до тих пір, поки не знайдена природна. Перша вчить лише розпізнавати рослини. Друга навчить нас пізнавати природу самої рослини ". І далі:" Природний метод є остання мета ботаніки ".

Те, що Лінней називає "природним методом", є по суті деяка фундаментальна теорія живого. Заслуга Ліннея в тому, що через створення штучної системи він підвів біологію до необхідності розгляду колосального емпіричного матеріалу з позицій загальних теоретичних принципів.

Велику роль у становленні й розвитку ідеї еволюції живої природи зіграла ембріологія, для якої в Новий час було характерне протистояння преформізма і епігенеза.

Преформізм - Від лат. "предобразую" - вчення про наявність в статевих клітинах матеріальних структур, які зумовлюють розвиток зародка і ознаки розвивається з нього організму.

Преформізм виник на базі панував в 17-18 століттях уявлення про преформації, згідно з яким сформувався організм нібито предобразован в яйці (овісти) або сперматозоїді (анімалькулісти). Преформісти (Ш. Бонні, А. Галлер та ін) вважали, що проблема ембріонального розвитку має отримати свій дозвіл з позицій загальних принципів буття, що осягаються виключно розумом, без емпіричних досліджень.

Епігенез - Це вчення, згідно з яким в процесі зародкового розвитку відбувається поступове і послідовне новоутворення органів і частин зародка з безструктурної субстанції плідного яйця.

Епігенез як навчання склався в 17-18 століттях у боротьбі з преформізмом. Епігенетичні подання розвивали У. Гарвей, Ж. Бюффон, К. Ф. Вольф. Епігенетики відмовилися від ідеї божественного творіння живого і підійшли до наукової постановки проблеми походження життя.

Таким чином, в 17-18 століттях виникала ідея історичних змін спадкових ознак організмів, незворотного історичного розвитку живої природи - ідея еволюції органічного світу.

Еволюція - Від лат. "розгортання" - історичний розвиток природи. У ході еволюції, по-перше, виникають нові види, тобто збільшується різноманітність форм організмів. По-друге, організми адаптуються, тобто пристосовуються до змін умов зовнішнього середовища. По-третє, в результаті еволюції поступово підвищується загальний рівень організації живих істот: вони ускладнюються і удосконалюються.

Перехід від уявлення про трансформації видів до ідеї еволюції, історичного розвитку видів припускав, по-перше, розгляд процесу утворення видів у його історії, облік конструктивну роль фактора часу в історичному розвитку організмів, а по-друге, розвиток ідей про виникнення якісно нового в такому історичному процесі. Перехід від трансформізму до еволюціонізму в біології відбувся на рубежі 18-19 століть.

Перші еволюційні теорії були створені двома великими вченими 19 століття - Ж. Ламарком і Ч. Дарвіном.

Жан Батіст Ламарк і Чарльз Роберт Дарвін створили еволюційні теорії, які протилежні за строю, характеру аргументації, основним висновків. Їх історичні долі також склалися по-різному. Теорія Ламарка не отримала широкого визнання сучасників, у той час як теорія Дарвіна стала основою еволюційного вчення. В даний час і дарвінізм, і ламаркізм продовжують впливати на наукові концепції, хоча і по-різному.

В 1809 вийшла книга Ламарка "Філософія зоології", в якій була викладена перша цілісна теорія еволюції органічного світу.

Ламарк в цій книзі дав відповіді на питання, що стоять перед еволюційною теорією, шляхом логічних висновків з деяких прийнятих ним постулатів. Він уперше виділив дві найзагальніших напрями еволюції: висхідний розвиток від найпростіших форм життя до все більш складним і досконалим і формування у організмів пристосувань у залежно від змін зовнішнього середовища (розвиток "по вертикалі" і "по горизонталі"). Ламарк був одним з перших натуралістів, які розвинули ідею еволюції органічного світу до рівня теорії.

Ламарк включив у своє вчення якісно нове розуміння ролі середовища в розвитку органічних форм, трактуючи зовнішнє середовище як важливий фактор, умова еволюції.

Ламарк вважав, що історичний розвиток організмів має не випадковий, а закономірний характер і відбувається в напрямі поступового і неухильного вдосконалення. Ламарк назвав це підвищення загального рівня організації градацією.

Рушійною силою градацій Ламарк вважав "прагнення природи до прогресу", "прагнення до вдосконалення", що спочатку прсущее всім організмам і закладене в них Творцем. При цьому організми здатні доцільно реагувати на будь-які зміни зовнішніх умов, пристосовуватися до умов зовнішнього середовища. Це положення Ламарк конкретизував в двох законах:

1) активно використовується орган посилено розвивається, а непотрібний зникає;

2) зміни, придбані організмами при активному використанні одних органів і невикористання інших, зберігаються у потомства.

Роль середовища в еволюції організмів по-різному розглядається різними напрямками еволюційного вчення.

Для напрямків в еволюційному вченні, які розглядають історичний розвиток живої природи як пряме пристосування організмів до середовища проживання, використовується загальна назва - ектогенез (від грец. слів "поза, зовні" і "виникнення, освіта"). Прихильники ектогенеза розглядають еволюцію як процес прямого пристосування організмів до середовища і простого підсумовування змін, що здобуваються організмами під впливом середовища.

Навчання, обясняющіе еволюцію організмів дією тільки внутрішніх нематеріальних факторів ( "принципом вдосконалення", "силою росту" і ін), об'єднуються загальною назвою - Автогенез.

Ці вчення розглядають еволюцію живої природи як процес, незалежний від зовнішніх умов, що направляється і регульований внутрішніми факторами. Автогенез протилежний ектогенезу.

Автогенез близький віталізму - сукупності течій в біології, згідно з якими життєві явища пояснюються присутністю в організмах нематеріальній надприродною сили ( "життєва сила", "душа", "ентелехії", "архей"), що управляє цими явищами. Віталізм-від лат. "життєвий" - пояснює життєві явища дією особливого нематеріального початку.

По-своєму ідея еволюції органічного світу розвивалася в теорії катастроф.

Французька біолог Жорж Кюв'є (1769-1832) писав:

"Життя не раз вражала на нашій землі страшними подіями. Незліченні живі істоти ставали жертвою катастроф: одні, мешканці суші, були поглинаємі потопами, інші, що населяли надра вод, виявлялися на суші разом з раптово піднесеним дном моря, самі їх раси навіки зникали, залишивши на світі лише деякі залишки, ледь помітні для натуралістів ".

Розвиваючи такі погляди, Кюв'є став засновником теорії катастроф - концепції, в якій ідея біологічної еволюції виступила як похідна від більш загальної ідеї розвитку глобальних геологічних процесів.

Теорія катастроф (катастрофізм) виходить з уявлень про єдність геологічних і біологічних аспектів еволюції.

В теорії катастроф прогрес органічних форм о'ясняется через визнання незмінності окремих біологічних видів.

Проти навчання катастрофізму виступили прихильники іншої концепції еволюції, які також орієнтувалися переважно на геологічну проблематику, але виходили з уявлень про тотожність сучасних і давніх геологічних процесів - концепції уніформізм.

уніформізм складався під впливом успіхів класичної механіки, перш за все небесної механіки, галактичної астрономії, уявлень про нескінченність і безмежності природи у просторі та часі. У 18-першій половині 19 століття концепцію уніформізм розробили Дж. Геттон, Ч. Лайєль, М. В. Ломоносов, К. Гофф та ін Ця концепція спирається на уявлення про одноманітність і безперервності законів природи, їх незмінності протягом історії Землі; відсутності усіляких переворотів і стрибків в історії Землі; підсумовуванні дрібних відхилень протягом великих періодів часу; потенційної оборотності явищ і запереченні прогресу в розвитку.

Теорія Ч. Дарвіна

Чарльз Дарвін у своїй основній праці "Походження видів шляхом природного відбору "(1859), узагальнивши емпіричний матеріал сучасної йому біології та селекційної практики, використавши результати власних спостережень під час подорожей, кругосвітнього плавання на кораблі "Бігль", розкрив основні фактори еволюції органічного світу. У книзі "Зміна домашніх тварин і культурних рослин "(т.1-2, 1868) він виклав додатковий фактичний матеріал до основного праці. У книзі "Походження людини і статевий добір "(1871) висунув гіпотезу походження людини від мавпоподібних предків.

В основі теорії Дарвіна - властивість організмів повторювати в ряді поколінь подібні типи обміну речовин та індивідуального розвитку в цілому - властивість спадковості.

Спадковість разом з мінливістю забезпечує сталість і різноманіття форм життя і лежить в основі еволюції живої природи.

Одне з основних понять своєї теорії еволюції - поняття "боротьба за існування "- Дарвін вживав для позначення відносин між організмами, а також відносин між організмами і абіотичних умов, що призводять до загибелі менш пристосованих і виживання більш пристосованих особин.

Поняття "боротьба за існування" відображає ті факти, що кожен вид виробляє більше особин, ніж їх доживає до дорослого стану, і що кожна особина протягом своєї життєдіяльності вступає в безліч відносин з біотичних і абіотичних факторів середовища.

Дарвін виділив дві основні форми мінливості:

- певну мінливість - здатність всіх особин одного й того ж виду в певних умовах зовнішнього середовища однаковим чином реагувати на ці умови (клімат, грунт);

- невизначену мінливість, характер якої не відповідає змін зовнішніх умов.

В сучасній термінології невизначена мінливість називається мутацією.

Мутація - Невизначена мінливість на відміну від певної носить спадковий характер. За Дарвіном, незначні зміни в першому поколінні посилюються в наступних. Дарвін підкреслював, що вирішальну роль в еволюції відіграє саме невизначена мінливість. Вона пов'язана зазвичай із шкідливими і нейтральними мутаціями, але можливі і такі мутації, які виявляються перспективними.

Неминучим результатом боротьби за існування і спадкової мінливості організмів, за Дарвіном, є процес виживання і відтворення організмів, найбільш пристосованих до умов середовища, і загибелі в ході еволюції непристосованих -- природний відбір.

Механізм природного добору в природі діє аналогічно селекціонерам, тобто складає незначні і невизначені індивідуальні відмінності і формує з них у організмів необхідні пристосування, а також міжвидові відмінності. Цей механізм вибраковують непотрібні форми і утворює нові види.

Під часів Дарвіна спадковість представляли як якесь загальна властивість організму, притаманне йому як цілому. У зв'язку з цим шотландський інженер Флемінг Дженкін увійшов в історію біології, висунувши заперечення проти теорії Дарвіна. Він вважав, що нові корисні ознаки деяких особин даного виду повинні швидко зникнути при схрещуванні з іншими, більш численними особинами.

Заперечення Дженкіна сам Дарвін вважав дуже серйозним, охрестивши "кошмаром Дженкіна ". Ці заперечення були спростовані лише тоді, коли стало ясно, що апарат спадковості сформований окремими структурними та функціональними одиницями - генами.

Закони спадковості

В 1865 були опубліковані результати робіт з гібридизації сортів гороху, де були відкриті найважливіші закони спадковості. Автор цих робіт - чеська дослідник Грегор Мендель показав, що ознаки організмів визначаються дискретними спадковими факторами. Однак ці роботи залишалися практично невідомими майже 35 років - з 1865 по 1900.

В 1900 закони Менделя були перевідкриття незалежно відразу трьома вченими - Г. Де Фріз у Голландії, К. Корренсом у Німеччині і Е. Чермак у Австрії.

Отже, дискретні спадкові задатки були відкриті в 1865 році Менделем. У 1909 данський вчений В. Йогансен назвав їх генами (від грец. слова "походження"). До теперішнього часу встановлено, що ген - одиниця спадкового матеріалу, відповідальна за формування якого-небудь елементарного ознаки, тобто одиниця спадкової інформації - представляє є ділянкою молекули ДНК (чи РНК у деяких вірусів) хромосоми.

Хромосоми - Це структурні елементи ядра клітини, які складаються з молекули ДНК і білків, містять набір генів з укладеної в них спадковою інформацією. Хромосомна теорія спадковості, розроблена в 1910-1915 роках у працях А. Вейсмана, Т. Моргана, А. Стертеванта, Г.Дж. Меллера та ін, стверджує, що передача ознак і властивостей організму від покоління до покоління (спадковість) здійснюється в основному через хромосоми, в яких розташовані гени.

В 1944 американськими біохіміками (О. Евері та ін) було встановлено, що носієм властивості спадковості є ДНК. З цього часу почалося швидкий розвиток науки, що досліджує основні прояви життя на молекулярному рівні. Тоді ж вперше з'явився новий термін для позначення цієї науки -- молекулярна біологія.

Молекулярна біологія досліджує, яким чином і якою мірою ріст і розвиток організмів, храня і передача спадкової інформації, перетворення енергії в живих клітинах та інші явища обумовлені структурою і властивостями біологічно важливих молекул (головним чином білків і нуклеїнових кислот).

В 1953 була розшифрована структура ДНК (Ф. Крік, Д. Уотсон). Розшифровка структури ДНК показала, що молекула ДНК складається з двох комплементарних полінуклеотидних ланцюгів, кожна з яких виступає в якості матриці для синтезу нових аналогічних ланцюгів. Властивість подвоєння ДНК забезпечує явище спадковості.

Розшифровка структури ДНК була революцією в молекулярній біології, яка відкрила період найважливіших відкриттів, загальний напрямок яких - вироблення уявлень про сутність життя, про природу спадковості, мінливості, обміну речовин та ін

В Згідно з молекулярною біологією, білки - це дуже складні макромолекули, структурними елементами яких є амінокислоти. Структура білка задається послідовністю що утворюють його амінокислот. При цьому з 100 відомих у органічної хімії амінокислот в утворенні білків всіх організмів використовується лише двадцять. До цих пір не ясно, чому саме ці 20 амінокислот синтезують білки органічного світу. Взагалі, в будь-якому істоту, що живе на Землі, присутні 20 амінокислот, 5 основ, 2 вуглеводу й 1 фосфат.

Розвиток екосистем

Підставою всім системи сучасної еволюційної біології виступає синтетична теорія еволюції, принципові положення якої були закладені роботами С. С. Четверикова, Р. Фішера, С. Райта, Дж.Холдейна, Н. П. Дубініна та ін

елементарної клітинкою синтетичної теорії еволюції є популяція - сукупність особин одного виду, які тривалий час займає певний простір і відтворює себе протягом великої кількості поколінь. Елементарною одиницею спадковості виступає ген. Спадкове зміна популяції в якому-небудь певному напрямку здійснюється під впливом таких еволюційних факторів, як мутаційний процес, популяційні хвилі, ізоляція, природний відбір.

Таким чином, в синтетичної теорії еволюції на перший план виступає не оногенез -- сукупність перетворень, що відбуваються в організмі від зародження до кінця життя, тобто індивідуальний розвиток організму, а розвиток популяцій.

онтогенетичний рівень організації життя на Землі пов'язаний з життєдіяльністю окремих біологічних особин, дискретних індивідуумів, а популяційний рівень надиндівідуален.

Популяція - це сукупність особин одного виду, що населяють певну територію, більш -менш ізольовану від сусідніх сукупностей того ж виду.

Види - Це системи популяцій. Популяції і види як надіндивідуальних освіти здатні до існування протягом тривалого часу і до самостійного еволюційному розвитку.

Популяції - Це генетичні відкриті системи, тому що особи з різних популяцій іноді схрещуються. Види є найменшими генетично закритими сістемамі.Совокупность спільно мешкають популяцій різних видів живих організмів називається біоценозів.

Біоценоз - Сукупність рослин, тварин, грибів і мікроорганізмів, що населяють ділянку середовища з більш-менш однорідними умовами існування і характеризуються певними взаємозв'язками між собою і пристосованістю до умов навколишнього середовища (наприклад, біоценоз озера, ліси і т.д.). Сукупність рослин на ділянці з однаковими природними умовами, які взаємодіють один з одним і зі своїм оточенням, називається фітоценозів або рослинним спільнотою. Рослинна співтовариство (фітоценози) - сукупність видів рослин на однорідному ділянці, що перебувають у складних взаєминах між собою та з умовами навколишнього середовища (ліс, степ, луг і т.д.). Фітоценози характеризується певним видовим складом, будовою і складанням. Фітоценози - це частина біоценозу.

біоценози входять в якості складових частин у ще більш складні системи, що представляє собою взаємообумовлених комплекс живих і абіотичних компонентів, пов'язаних між собою обміном речовин і енергією - в біогеоценози.

Біогеоценоз - Це однорідний ділянка земної поверхні з певним складом живих (біоценоз) і абіотичних відсталих (приземної шар атмосфери, сонячна енергія, грунт та ін) компонентів і динамічною взаємодією між ними (обміном речовин і енергії). Термін запропонував В. М. Сукачов (1940 г). Іноді цей термін вживається як синонім екосистеми. Розділ біології, який вивчає екологічні системи (біоценози, біогеоценози), називається Біогеоценологія.

В розвитку екосистем велику роль відіграють організми, здатні самостійно синтезувати органічну речовину з неорганічних сполук. Ці організми називаються автотрофи.

автотрофи - Це організми, які синтезують з неорганічних речовин (головним чином води, двоокису вуглецю, неорганічних сполук азоту) всі необхідні для життя органічні речовини, використовуючи енергію фотосинтезу (всі зелені рослини -- фототрофів) або хемосинтезу (деякі бактерії - хемотрофи).

автотрофи служать первинної біотичної основою для складання біогеоценозів.

Організми, використовують для живлення органічні речовини, вироблені іншими організмами, називаються гетеротрофів. До гетеротрофних організмам відноситься чоловік, всі тварини, гриби, більшість бактерій, вірусів.

автотрофні рослини і мікроорганізми являють життєве середовище для гетеротрофів. Складається біогеоценотіческій комплекс, який може існувати віками.

Простір, що включає навколоземну атмосферу і зовнішню оболонку Землі, освоєний живими організмами і знаходиться під впливом їх життєдіяльності, називається біосферою.

Біосфера Землі утворюється всією сукупністю біогеоценозів, пов'язаних між собою кругообігом речовин і енергії. Вона являє собою область активного життя, що охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу і верхню частину літосфери. У біосфері живі організми та середовище їх існування органічно пов'язані і взаємодіють один з одним, утворюючи цілісну динамічну систему. Термін "біосфера" введений в 1875 р. Е. Зюсом. Вчення про біосферу як про активної оболонці Землі, в якій сукупна діяльність живих організмів (в тому числі людини) проявляється як геохімічний фактор планетарного масштабу і значення, створив В. І. Вернадський (1926 р.).

Антропологія як наука

Наука про походження і еволюцію людини, утворення людських рас і про нормальних варіаціях фізичної будови людини називається антропологією.

Антропологія як самостійна наука сформувалася в середині XIX століття. Основні розділи антропології: морфологія людини, вчення про буття, расоведеніе.

Процес історико-еволюційного формування фізичного типу людини, первісного розвитку його трудової діяльності, мови, а також суспільства називається антропогенезу або антропосоціогенезу.

Проблеми антропогенезу стали вивчатися в XVIII столітті. До цього часу панувало уявлення, що людина і народи завжди були і є такими, як їх створив творець. Однак поступово в науці, культурі, суспільній свідомості утвердилася ідея розвитку, еволюції, у тому числі і стосовно до людини і суспільству.

Однак навіть Ламарк не зважувався довести до логічного завершення ідею еволюції тварин і людини і заперечувати роль бога в походженні людини (у своїй "Філософії зоології" він писав про інше походження людини, ніж тільки лише від тварин).

Революційну роль у навчанні про антропогенезу зіграли ідеї Дарвіна. Він писав: "Той, хто не дивиться, подібно дикуна, на явища природи як на щось нескладне, не може більше думати, щоб людина була плодом окремого акта творіння ".

Людина одночасно і біологічна істота, і соціальне, тому антропогенез невідривно пов'язаний з соціогенез, будучи по суті єдиний процес антропосоціогенезу.

Носій генетичної інформації

Структура ДНК

Зберігання і передачу спадкової інформації в живих організмах забезпечують природні органічні полімери - нуклеїнові кислоти. Розрізняють їх два різновиди -- Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) і РНК (РНК). До складу ДНК входять азотисті основи (аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза С5Н10О4 і залишок фосфорної кислоти. До складу РНК замість тиміну входить урацил (У), а замість дезоксирибози - рибоза (С5Н10О5). Мономерами ДНК і РНК є нуклеотиди, які складаються з азотистих, пуринових (аденін і гуанін) і піримідинових (урацил, тимін і цитозин) підстав, залишку фосфорної кислоти і вуглеводів (рибози і дезоксирибози).

Молекули ДНК містяться в хромосомах ядра клітини живих організмів, в еквівалентних структурах мітохондрій, хлоропластів, в прокаріотних клітинах і в багатьох віруси. За своєю структурою молекула ДНК схожа на подвійну спіраль. Структурна модель ДНК у вигляді подвійної спіралі вперше запропонована в 1953 р. американським біохіміком Дж. Вотсон (нар. 1928) та англійською біофізики і генетиком Ф. Криком (нар. 1916), удостоєними разом з англійським біофізиків М. Вілкінсон (р. 1916), який отримав рентгенограму ДНК, Нобелівської премії 1962

Нуклеотиди з'єднуються в ланцюг за допомогою ковалентнйх зв'язків. Утворені таким чином ланцюга нуклеотидів об'єднується в одну молекулу ДНК по всій довжині водневими зв'язками: аденіновий нуклео-ТіД одного ланцюга з'єднується з тіміновим нуклеотидів іншого ланцюжка, а гуаніновий - з цітозіновим. При цьому аденін завжди розпізнає тільки тимін і зв'язується з ним і навпаки. Подібну пару утворюють гуанін і цитозин. Такі пари основ, як і нуклеотиди, називаються комплементарними, а сам принцип формування двухцепочной молекули ДНК - принципом комплементарності. Число нуклеотидних пар, наприклад, в організмі людини становить 3 - 3,5 млрд.

ДНК - Матеріальний носій спадкової інформації, яка кодується послідовністю нуклеотидів. Розташування чотирьох типів нуклеотидів в ланцюгах ДНК визначає послідовність амінокислот у молекулах білка, тобто їх первинну структуру. Від набору білків залежать властивості клітин та індивідуальні ознаки організмів. Певне поєднання нуклеотидів, що несуть інформацію про структуру білка, і послідовність їх розташування в молекулі ДНК утворюють генетичний код. Ген (від грец. Genos - рід, походження) - одиниця спадкового матеріалу, відповідальна за формування якого-небудь ознаки. Він займає ділянку молекули ДНК, що визначає структуру однієї молекули білка. Сукупність генів, що містяться в одинарному наборі хромосом даного організму, називається геномом, а генетична конституція організму (сукупність всіх його генів) - генотипом. Порушення послідовності нуклеотидів у ланцюгу ДНК, а отже, в генотипі призводить до спадкових змін в організмі-мутацій.

Генетичний код має дивовижні властивості. Головне з них - тріплетность: одна амінокислота кодується трьома поруч распо лежання нуклеотидами - кодонів, званим кодоном. При цьому кожен кодон кодує тільки одну амінокислоту. Інша не менш важлива властивість - код єдиний для всього живого на Землі. Це властивість генетичного коду разом зі схожістю амінокислотного складу всіх білків свідчить про біохімічному єдність життя, яке, мабуть, відображає походження всіх живих істот від єдиного предка.

Для молекул ДНК характерно важлива властивість подвоєння - утворення двох однакових подвійних спіралей, кожна з яких ідентична вихідної молекули. Такий процес подвоєння молекули ДНК називається реплікацією. Реплікація містить у собі розрив старих і формування нових водневих зв'язків, які об'єднують ланцюги нуклеотидів. У початку реплікації дві старі ланцюга починають розкручуватися і відділятися один від одного. Потім за принципом комплементарності до двох старих ланцюгів пристроюються нові. Так утворюються дві ідентичні подвійні спіралі. Реплікація забезпечує точне копіювання генетичної інформації, що містяться в молекулах ДНК, і передає її в спадок від покоління до покоління.

Генетичні властивості

Напередодні відкриття структури молекули ДНК відомі біологи вважали, що вторгнутися в спадковий апарат, а тим більше маніпулювати з ним наука зможе лише в XXI ст. Однак, незважаючи на складність структури і властивостей спадкового матеріалу, вже наприкінці XX ст. народилася нова галузь молекулярної біології і генетики - генна інженерія, основне завдання якої полягає у конструюванні нових, не існуючих у природі поєднань генів. Останнім часом ця галузь називається генної технологією. Вона відкриває можливості виведення нових сортів культурних рослин та високопродуктивних порід тварин, створення ефективних лікарських препаратів і т.д.

Проведені останнім часом дослідження показали, що спадковий матеріал не старіє. Генетичний аналіз ефективний навіть в тому випадку, коли молекули ДНК належать досить далеких один від одного поколінням. Порівняно недавно була поставлене завдання визначити, кому належать останки, знайдені в похованні під Єкатеринбургом. Царської чи родині, розстріляної в цьому місті в 1918 р.? Або сліпий випадок зібрав в одну могилу така ж кількість чоловічих і жіночих останків? Адже в роки громадянської війни загинули мільйони ... Зразки останків були відправлені в англійський Центр судово-медичної експертизи - там вже накопичено великий досвід генного аналізу. З кісткової тканини дослідники виділили молекули ДНК і провели аналіз. З точністю 99% встановлено: у досліджуваній групі знаходяться останки батька, матері та їхні трьох дочок. Але може бути, це не царська сім'я? Треба було довести спорідненість знайдених останків з членами англійського королівського дому, з яким Романови пов'язані досить близькими родинними узами. Аналіз підтвердив Спорідненість загиблих з англійським королівським домом, і служба судово-медичної експертизи зробила висновок: знайдені під Екатрінбургом останки належать царської сім'ї Романових.

Одне з чудес природи - неповторна індивідуальність кожного живе на Землі людини. «Не порівнюй - живе непорівнянний»-писав О. Мандельштам. Вченим довгий час не вдавалося знайти ключ до розгадки індивідуальності людини. Зараз відомо, що вся інформація про будову та розвитку живого організму «Записана» в його геномі. Генетичний код, наприклад, забарвлення очей людини відрізняється від генетичного коду забарвлення очей кролика, але у різних людей він має однакову структуру та складається з одних і тих самих послідовностей ДНК.

Вчені спостерігають велике розмаїття білків, з яких побудовані живі організми, і дивовижне одноманітність кодують їх генів. Зрозуміло, в геномі кожного людини повинні бути якісь області, що визначають його індивідуальність. Довгий пошук увінчався успіхом - у 1985 р. в геномі людини виявлені особливі сверхізменчівие ділянки - міні-сателіти. Вони виявилися настільки індивідуальні у кожної людини, що з їх допомогою вдалося отримати своєрідний «портрет» його ДНК, точніше, певних генів. Як же виглядає цей «портрет»? Це складне поєднання темних і світлих смуг, схоже на злегка розмитий спектр, або на клавіатуру з темних і світлих клавіш різної товщини. Таке поєднання смуг називають ДНК-відбитками за аналогією з відбитками пальців.

Сучасні біотехнології

Біотехнології засновані на використанні живих організмів і біологічних процесів в промисловому виробництві. На їх базі освоєно масове виробництво штучних білків, поживних і багатьох інших речовин. Успішно розвивається мікробіологічний синтез ферментів, вітамінів, амінокислот, антибіотиків і т.п. Із застосуванням генних технологій та природних біоорганічних матеріалів синтезуються біологічно активні речовини - гормональні препарати та сполуки, що стимулюють імунітет.

Для збільшення виробництва продуктів харчування потрібні штучні речовини, що містять білки, необхідні для життєдіяльності живих організмів. Завдяки найважливіших досягнень біотехнології в даний час проводиться безліч штучних поживних речовин, за многи?? Властивості переважаючих продукти природного походження.

Сучасна біотехнологія дозволяє перетворити відходи деревини, соломи та інше рослинну сировину в цінні поживні білки. Вона включає в себе процес гідролізаціі проміжного продукту - целюлози - і нейтралізацію утворюється глюкози з введенням солей. Отриманий розчин глюкози являє собою поживний субстрат мікроорганізмів - дріжджових грибків. У результаті життєдіяльності мікроорганізмів утворюється світло-коричневий порошок -- високоякісний харчовий продукт, який містить близько 50% білка-сирцю і різні вітаміни. Живильним середовищем для дріжджових грибків можуть служити і такі що містять цукор розчини, як Мелясівка барда і сульфітно луг, утворюється при виробництві целюлози.

Деякі види грибків перетворюють нафту, мазут і природний газ у харчову біомасу, багату білками. Так, з 100 т мазуту неочищеного можна отримати 10 т дріжджовий біомаси, яка містить 5 т чистого білка і 90 т дизельного палива. Стільки ж дріжджів виробляється з 50 т сухої деревини або 30 тис. м3 природного газу. Для виробництва даного кількості білка треба було б стадо корів з 10 000 голів, а для їх утримання потрібні величезні площі орних земель. Промислове виробництво білків повністю автоматизовано, і дріжджових культури ростуть у тисячі разів швидше, ніж велика рогата худоба. Одна тонна харчових дріжджів дозволяє одержати близько 800 кг свинини, 1,5-2,5 т птиці або 15-30 тис. яєць і заощадити при цьому до 5 т зерна.

Деякі види біотехнологій включають процеси бродіння. Спиртове бродіння відомо ще в кам'яному віці - в древньому Вавилоні варили близько 20 сортів пива. Багато століть тому розпочалося масове виробництво алкогольних напоїв. Ще одне важливе досягнення в мікробіології - розробка в 1947 р. пеніциліну. Двома роками пізніше на основі глутамінової кислоти шляхом біосинтезу вперше отримані амінокислоти. До теперішнього часу налагоджено виробництво антибіотиків, вітамінно-білкових добавок до продуктів харчування, стимуляторів росту, бактеріологічних добрив, засобів захисту рослин та ін

З використанням рекомбінантних ДНК вдалося синтезувати ферменти і тим самим розширити область їх застосування в біотехнології. З'явилася можливість проводити безліч ферментів при порівняно невисокій їх собівартості. Відомі мікроорганізми, які переробляють глюкозу в багато корисні хімічні продукти. Проте частіше таке рослинна сировина споживається в якості харчових продуктів. Для ферментації можна використовувати біомасу у вигляді відходів сільського та лісового господарств. Проте вона містить лігнін, що перешкоджає біокаталітичні розщепленню і ферментації целюлозних компонентів. Тому природне біомасу необхідно попередньо очистити від лігніну.

Подальше розвиток біотехнологій пов'язано з модифікацією генетичного апарату живих систем.

Генні технології

Генні технології засновані на методах молекулярної б