Мировые загадки сегодня - Адабашев Игорь Иванович (книги онлайн полностью TXT) 📗
Где-то здесь начинаются размытые, очень неопределенные границы более высокой стадии развития жизни: возникновение в смеси сложных органических соединений самых первых, наиболее примитивных живых систем. В последних исследованиях открывается все большее значение функций управления и информации.
Мир клеток, генов и хромосом оказался еще более «тонким и хитрым», чем предполагалось ранее. В частности, роль РНК-полимеразы не ограничивается «снятием копий» и на этой основе синтезом нуклеиновых кислот. Чудо-фермент одновременно регулирует процесс синтеза.
Сейчас, во второй половине 80-х годов, сложилось такое положение: спорной и окончательно не выясненной остается самая первичная стадия зарождения жизни, но одновременно с этим достигается все более полное познание на современном уровне экспериментальной науки до-клеточного, клеточного и сложного многоклеточного «материала» природы.
Сегодня (1986 год) ученые уже могут лабораторно получать хрупкое желтоватое образование, представляющее собой химически чистые нуклеотиды. Особенно важно, что каждый из них имеет химически открытый «активный конец», готовый соединиться со «ступенькой» или участком «перил» ДНК в любых комбинациях. Это, наряду с познанием других клеточных секретов, будет способствовать более стремительному развитию генной инженерии.
Способы уверенной манипуляции с генным материалом стали возможными благодаря развитию новых методов исследований, главными из которых являются методы быстрого определения последовательности нуклеотидов и синтез олигонуклеотидов. В результате оказалось реальностью — «прочитать» ген (то есть установить последовательность всех составляющих его нуклеотидов), выделить нужный ген из любого организма, перенести его в другой, заставить его работать в чужом организме, наконец, преобразовать ген, заменив некоторые его части.
За последние 10–15 лет генная инженерия добилась столь большого развития, что она смогла стать надежной основой растущей микробиологической промышленности.
Если 70-е годы прошли как бы под «флагом» ЭВМ и электроники, то 80-е отмечены «взрывом» новых исследований в генетике.
Открываемые горизонты поистине фантастичны. И самым удивительным здесь является то, что это не сказки. Речь идет о принципиально новых производствах сложнейших лекарств, стимуляторов роста животных и растений, синтетических белках и различной другой продукции, получаемой быстро, дешево и, в большинстве случаев, из «бросовых отходов» органических веществ.
Но это только первые шаги. В обозримом будущем мы сможем создавать растения, способные к более активному фотосинтезу, а также «умеющие» удобрять самих себя, улавливая из воздуха и накапливая азот. Манипулируя генами, специалисты получили возможность создавать растительность и животных с нужными человеку свойствами. Более того, генная инженерия в союзе с другими науками сможет в дальнейшем вообще получить невиданные новые растения и животных. Природа в процессе длительной эволюции выработала в животном и растительном мире множество замечательных свойств. Но эти свойства порой (с нашей человеческой точки зрения) бывают малоэффективными, например: ничтожный процент использования солнечной энергии или слишком большой удельный расход воды. Освоение механизма наследственности будет существенным вкладом формирования ноосферы. Все это обеспечит в будущем заманчивую возможность регионального, а затем и глобального совершенствования животного и растительного мира, коренной перестройки большинства производственных технологий и создания безотходных, экологически «чистых» предприятий.
Чудеса становятся реальностью не только благодаря большим научным достижениям. Огромную роль здесь играет специальная лабораторная техника. Ведь приборы должны точно и безошибочно вынуть «деталь» из одной крошечной клетки и вмонтировать ее в точно определенное место другой клетки. При этом не только не повредив клетку, но и заставив ее после операции жить и работать по-новому.
Вот вам несколько цифр, подтверждающих сверхсложность подобных операций. Клетка — безусловно живое образование, очень сложна и очень мала. Так, большинство животных клеток не превышает 0,03 миллиметра, а, скажем, клетка человеческого мозга достигает лишь 0,01 миллиметра. Представляете, какими должны быть скальпели, зажимы, шприцы, пипетки и другие инструменты, если ими можно действовать в отдельных мелких деталях клетки?
Некоторые инструменты (они делаются из специального стекла) имеют толщину всего в 0,002 миллиметра. Это в сто раз меньше, чем диаметр человеческого волоса.
В генной инженерии часто приходится делать инъекции, вводить в точно определенное место микроскопически малые дозы. Подсчитано, что если в секунду делать одну подобную инъекцию, то один стакан нужно наполнять такими дозами миллион лет. Сложности не ограничиваются размерами. Важны давления, влажность, вибрации, электромагнитные поля и время осуществления тех или иных операций. Так, введение сверхмалой дозы микропипеткой может продолжаться в одних случаях 0,5 секунды, а в других 120 секунд.
Работами доктора биологических наук Н. Лучника в 1983 году была установлена невероятная жизнеспособность живой клетки. Она может восстановиться даже после губительного для нее радиоактивного излучения. Открывается перспектива искусственного управления радиочувствительностью генетического аппарата наследственности. Появляются надежды на разумное воздействие на ход внутриклеточных процессов. Например, при опухолевых заболеваниях появятся пути управления процессами, происходящими в больных и здоровых тканях во время лучевой терапии: при этом ожидается возможность подавления и даже восстановления опухолевых клеток.
Живое необычайно сложно, это высшая форма движения материи. Возьмем молекулу какого-нибудь углеводорода, например нафталина. Его молекула содержит 10 атомов углерода и 8 атомов водорода. А теперь возьмем молекулу одного из самых простых белков — дыхательного фермента гемоглобина. Окажется, что в ней уже 10 тысяч атомов, хотя средний поперечник молекулы не превышает 55 ангстрем (ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра). Это очень простая молекула. Многие биологические молекулы состоят из сотен тысяч и даже миллионов атомов! В очень сложном взаимном расположении различных атомов, образующих молекулу, и заключена загадка их биологической активности.
Вот пример того, что пространственная архитектура биологической молекулы дает ей возможность выполнять определенные обязанности. Одним из основных методов определения архитектуры сложных молекул является их рентгеноскопия. Очистив белок и закристаллизовав его, можно с помощью рентгеновских лучей изучить атомную пространственную архитектуру кристалла. Английский ученый Д. Филлипс подобным способом определил структуру кристаллического фермента (биологического катализатора) лизоцима. Этот белок в живых организмах выполняет как бы обязанности врача. Соприкасаясь с вредными бактериями, он разрушает их стенки и, следовательно, убивает их.
Как же белковая молекула справляется со своей сложной задачей? Оказалось, что тысячи атомов, образующие молекулу лизоцима, напоминают по своим очертаниям не совсем сжатый человеческий кулак. Этот приоткрытый «кулак» при первой возможности захватывает определенные молекулы (полисахариды), которые входят в состав бактерий. Захватив полисахарид, белковая молекула сжимает свой «кулак» и рвет добычу пополам. После этого молекула лизоцима восстанавливает свою пространственную структуру: «кулак» снова чуть приоткрыт и готов расправиться со следующим врагом.
Возьмем другой хорошо известный пример: молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), несущие в себе наследственную информацию, необходимую для биологического построения всех белков, в конечном итоге — всего живого. Такая молекула в миллион раз тяжелее молекулы водорода. С точки зрения пространственной архитектуры ДНК — это как бы микроскопическая модель веревочной лестницы. Две длинные «веревки» составлены из чередующихся в строгом порядке сахарных и фосфатных групп, а ступеньками служат две группы оснований. Всего таких оснований в молекуле ДНК присутствует четыре (аденин, гуанин, тимин и цитозин). «Лестница» сделана природой очень точно: «ступеньки» расположены строго на расстоянии 3,4 ангстрем друг от друга, ширина «лестницы» — 20 ангстрем, а длина колоссальна, порой 400 миллионов ангстрем. Молекула закручена жгутом, как винтовая лестница. При этом фосфатно-сахарные цепи, составляющие «веревки» лестницы, находятся снаружи, а «ступеньки» — пуриновые и пиримидиновые основания — в середине. Последовательность расположения четырех типов химических оснований «ступенек», являющихся нуклеотидами, и их определенная связь и повторяемость в длинной цепи как раз и есть шифр наследственности. Как же построились они в столь хитрую «лестницу», где каждая «ступенечка» и каждый кусочек «перильца» должны были стать на точно отведенное им место?
