Экология как наука. 
Общие принципы экологии

В результате изучения главы студент должен:

знать

• • экологические критерии рационального природопользования, глубоко осмыслить их эколого-биологическую суть;
• • критерии оценки здорового образа жизни и основные спортивно-оздоровительные методы;

уметь

• оценивать качество производственной среды с точки зрения обеспечения оптимального сочетания экологических факторов;

владеть

• навыками оценки возможных негативных последствий коммерческой деятельности для окружающей среды, персонала и населения.

Основы биологической экологии

По сравнению с неживой материей жизнь — явление уникальное, которое нельзя объяснить на основе одних только законов физики и химии. Это связано с тем, что многие проявления жизни присущи лишь системе в целом. На уровне элементарных форм материи все живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы: 98% приходится на четыре элемента — углерод ©, кислород (О), азот (N) и водород (Н). Углерод — основной химический элемент структуры биомолекул, все они включают так называемый углеродный скелет. Углеродные цепочки различают по длине — от десятков до многих тысяч атомов углерода.

В основе отдельных проявлений жизни лежат физические и физикохимические процессы — результат взаимодействия заряженных частиц и областей, конформационные изменения молекул и др. Можно предположить, что сознание — это результат коллективного взаимодействия миллионов нейронов, изменения их электрохимического состояния. Но как возникает мысль, какова ее природа? Мы не можем точно определить не только, что такое жизнь, но и когда она возникла. Можно лишь перечислить и описать ряд признаков и проявлений живой материи, которые отличают ее от неживой (табл. 1.1).

В неживой природе можно наблюдать лишь упрощенные аналоги описанных выше явлений.

Внешние признаки организмов клеточного строения

Таблица 1.1

Все клеточные организмы подразделяют на пять царств: царство бактерий (Bacteria), царство грибов (Fungi), царство растений (Plantae), царство животных (Animalia), царство протистов (Proistae). Следует отметить, что помимо названных выделяют еще одно царство — вирусов (Virus), представляющее собой группу организмов неклеточного строения. Данная классификация официально признана Международным кодексом ботанической и зоологической номенклатуры, а также Международным кодексом номенклатуры бактерий. Существуют и другие разделения на царства. Так, по Л. Маргулис и К. В. Шварцу, в микромире следует различать два царства: царство прокариот (бактерии и цианобактерии) и царство протоктистов (организмы, напоминающие предков растений, животных и грибов; сюда относятся водоросли, простейшие, слизевики и оомицеты — ранние грибы).

Рис. 1.1. Передача наследственной информации на уровне отдельной клетки:

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота; РНК — рибонуклеиновая кислота; и-РНК — информационная РНК Клетка — элементарная единица живого, ей присущи все перечисленные выше проявления живой материи. Именно исходя из представлений о клеточном и молекулярном уровнях, можно сформулировать обобщающее, но достаточно условное, определение жизни.

Жизнь (с биологических позиций) — активное, идущее с затратой полученной извне энергии поддержание и самовоспроизведение специфической структуры. В процессе матричного синтеза генетических программ неизбежно возникают ошибки копирования (мутации), вследствие чего копии программ отличаются друг от друга, что является предпосылкой естественного отбора.

Свойство любого вида материи — движение. Мера движения — энергия, основная единица измерения которой — джоуль (Дж). Жизнь невозможна без перехода одного вида энергии в другой. Формирование структурных единиц живой материи — биомолекул, углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот и др. сопровождается поглощением энергии, их распад — выделением энергии (в частности, тепловой). При создании биомолекул данного организма образуются новые химические связи; при распаде биомолекул химические связи разрываются и образуются вещества меньшей молекулярной массы. Помимо затрат энергии на реализацию химических процессов, имеет место преобразование ее для обеспечения таких жизненных процессов, как транспортирование веществ в организме, электрическая передача нервных импульсов, механические сокращения для перемещения организма в пространстве, поддержание постоянной температуры тела у птиц и млекопитающих и др.

Исходными для синтеза биомолекул являются три формы энергии: световая; энергия химических реакций окисления неорганических соединений, например сероводорода (H₂S), аммиака (NH₃); энергия расщепления (распада) химических связей компонентов питания.

В зависимости от того, в составе каких веществ в клетки поступают необходимые для биосинтеза химические элементы — биогены (например, С, N, О, Н, Р (фосфор), S (сера)), организмы подразделяют на автотрофные (продуценты) и гетеротрофные (консументы).

Организм является открытой биологической системой, поскольку он приобретает компоненты питания из внешней среды, а фотосинтетики еще и утилизируют энергию солнечных лучей. Специфическая самовоспроизводимая и поддерживаемая в процессе жизни структура — это прежде всего химическая структура белков (биомолекул). Формирование небелковых структур организма невозможно без участия белков-ферментов, выполняющих функции катализаторов специфических реакций в организме. Например, молекулы жиров участвуют в построении клеточных мембран по «заданию» ферментов и т. д.

Благодаря ферментам организмы приобретают определенную структуру и форму. Все признаки и свойства любого живого организма обусловливает набор действующих, воспроизводящихся, т. е. функционирующих в данном индивидуальном организме белков. Функции белков в организме кратко охарактеризованы в табл. 1.2.

Именно белки определяют структуру и свойства конкретного индивидуального организма. С позиций химии белки — это нерегулярные полимеры, высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков аминокислот. Молекулярная масса отдельных молекул составляет от 5 тыс. до многих миллионов. Среднее число аминокислотных остатков одного белка — 300—500, предельные значения — от 3 до более чем 1500. Белки в большинстве своем состоят из более коротких полипептидов, а полипептиды, в свою очередь, — из остатков аминокислот (от 6—10 до нескольких десятков). Условная граница между полипептидами и белками лежит в области значения молекулярной массы, равного 6000: ниже этого значения — полипептид, выше — белок. Белки в случае эукариот синтезируются вне ядер клеток на рибосомах в виде полипептидных цепей: один ген — одна полипептидная цепь. Затем посредством ферментов отдельные полипептидные цепи соединяются в молекулы белка. В состав большинства белков входят 20 разных аминокислот — это максимальное разнообразие аминокислот в белке. Каждая аминокислота содержит одинаковые функциональные группы атомов: 1) аминогруппа — NH₂; 2) карбоксильная группа —СООН. Одна аминокислота отличается от другой наличием третьей функциональной группы — радикала ®.

Обобщенная химическая формула любой из 20 аминокислот белка представлена на рис. 1.2.

Биологические функции белков.

Рис. 1.2. Обобщенная химическая формула аминокислоты

При построении полипептида аминокислоты, чтобы объединиться, посредством специализированных ферментов «теряют» один атом водорода (Н) и группу —ОН, в результате чего образуется аминокислотный остаток (рис. 1.3).

Рис. 13. Образование полипептида из аминокислот

Благодаря наличию незавершенных энергетических уровней у аминокислотных остатков происходит их объединение с образованием пептидных связей (рис. 1.4). Отсюда понятно название «полипептид», т. е. содержит много (греч. poll) пептидных связей.

Рис. 1.4. Образование пептидной связи

Число различающихся химических радикалов — 20, т. е. R_v R₂, R3,…, R₂оВ табл. 1.3 в качестве примера представлены химические формулы четырех аминокислот и соответствующих радикалов. Термины «заменимая» или «незаменимая» относятся к человеку и многим животным. Незаменимые аминокислоты не могут быть синтезированы в данных организмах, их следует приобретать в результате питания. Именно наличие белков с повышенным содержанием незаменимых аминокислот обусловливает двигательные и мыслительные функции организма. Хищники вынуждены потреблять в качестве пищи плоть других животных, чтобы сохранить свои признаки, связанные с повышенной подвижностью и более сложным поведением — это «прописано» эволюцией в их генетических кодах.

Таблица 13

Примеры аминокислот и характерных радикалов.

Аминокислота.		Характерный радикал, R.	Примечание.
Название.	Химическая формула.
Глицин.			Заменимая.
Аланин.			—//—.
Фенилаланин.			Незаменимая.
Серин.			Заменимая.

Применительно к человеку из 20 аминокислот его белков восемь являются незаменимыми. Установлено, что нарушения в обменных процессах незаменимой аминокислоты триптофана приводят к слабоумию, повышают вероятность заболевания раком. Нормализует обмен триптофана витамин С (L-аскорбиновая кислота).

Приведем химическую формулу участка полипептида: гли — сер — фен (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Химическая формула участка полипептида

Аминокислотные остатки обозначены первыми тремя буквами названий аминокислот: гли — глицин; сер — серин; феи — фенилаланин. При использовании этого участка белка на выработку энергии могут образоваться такие вещества, как:

• • аммиак NH₃;
• • оксид углерода СО;
• • диоксид углерода С0₂;
• • метанол (спирт) СН₃ОП;
• • этанол (спирт) С₂Н₅ОН;
• • фенол С₆Н₅ОП.

Звенья белков с иными радикалами при ферментативном распаде послужат источником других низкомолекулярных соединений (см. выше).

Структура всех белков закодирована, т. е. при построении полипептида каждый аминокислотный остаток занимает место в общей цепи согласно коду ДНК. Таким образом, матрица синтеза наследственных (т.е. генетических) программ — это и есть ДНК. Участок ДНК, несущий информацию об одной полипептидной цепи, называют геном. Понятие «ген» включает и другие факторы наследственности. Строго говоря, ген — функционально неделимая единица генетического материала — участок молекулы ДНК, который:

• 1) кодирует первичную (т.е. химическую) структуру полипептида;
• 2) кодирует структуру молекулы транспортной или рибосомальной РНК;
• 3) взаимодействует с регуляторным белком.

Генетическая информация (т.е. наследуемая информация о свойствах организма) записана последовательностью нуклеотидов молекул ДНК, содержит сведения о строении всех (более 2 тыс.) ферментов, структурных белков и РНК клетки, а также о регуляции их синтеза. Считывают генетическую информацию различные ферментативные комплексы клетки. Совокупность молекул ДНК каждой клетки содержит полную генетическую информацию обо всех признаках (всех белках) данного организма. Дифференциация тканей многоклеточного организма достигается благодаря запрету к считыванию части информации. Например, общее число клеток тела человека ~ 10¹⁴, каждая из этих клеток содержит все гены, но в разных тканях «работают» разные гены. Есть гены, которые «работают» в каждой клетке, во всех клетках, так называемые гены «домашнего хозяйства»: они, например, кодируют построение клеточных мембран. На сегодня установлено ~ 10 тыс. таких генов в клетках человека, но в каждой клетке реализуется не вся, а только часть генетической информации. Дифференциацию обеспечивают гены «роскоши»: у человека в настоящее время их насчитывают ~ 39 тыс.

Белки не образуются в клетке одновременно. В разное время в зависимости от нужд клетки в ней синтезируются разные белки. Механизм, регулирующий «включение» и «выключение» генов на разных этапах, сложен и различен у прокариот и эукариот. Например, у прокариот он сводится к снятию репрессора в нужный момент. Репресхор — это регуляторный белок, подавляющий транскрипцию генов. Он находится перед структурными генами, кодирующими химическую структуру белка (полипептида). Под действием внешнего относительно ДНК сигнала, обусловленного появлением в клетке какого-либо химического вещества или квантов излучения, соответствующий репрессор отходит от субстрата, на котором он крепился, и посредством РНК-нолимеразы начинается «работа» по считыванию закодированной в гене информации. В итоге будет синтезирован один полипептид. Регуляция генной активности у эукариотических организмов намного сложнее, чем у бактерий. Наряду с описанными выше регуляторными процессами, влияющими на функционирование отдельной клетки, у эукариот существуют системы регуляции организма как целого посредством гормонов.

Генетический код формируют нуклеотиды, структуру которых составляют связанные между собой:

• • остаток фосфорной кислоты (НРО|^_), обозначим [ф];
• • пятиуглеродный углевод: либо дезоксирибоза (С₅Н₁₀О₄) — в случае

ДНК, либо рибоза (С₅Н₁₀О5) — в случае РНК, обозначим [у];

• одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), урацил (У), гуанин (Г) либо цитозин (Ц) (рис. 1.6). Тут необходимо пояснить, что в составе ДНК присутствуют четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Молекула ДНК используется организмом для хранения и передачи генетической информации. В составе РНК (рибонуклеиновая кислота) также присутствуют четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и урацил. РНК используется для реализации генетической информации в процессе жизнедеятельности, в частности при синтезе необходимых клетке веществ. Таким образом, всего существует пять различных видов азотистых оснований, используемых для записи генетической информации, но в одной макромолекуле одновременно встречаются только четыре вида азотистых оснований.

Рис. 1.6. Схематичное изображение азотистых оснований.

Единичные нуклеотиды отражает одна из схем, приведенных на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Условные изображения отдельных нуклеотидов.

Последовательность нуклеотидов формирует одну цепочку ДНК (РНК), например, как показано на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Пример последовательности нуклеотидов в ДНК (РНК).

Суммарная ДНК одной клетки человека содержит 3,2 • 10⁹ пар нуклеотидов, образующих генотип. ДНК любого живого организма включает две спирали, связанные друг с другом водородными связями (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Водородные связи в молекуле ДНК.

В параллельных цепях ДНК или при формировании и-РНК по подобию ДНК: ДНК — РНК, азотистые основания располагаются одно напротив другого не произвольно, а по принципу комплементарное™ (т.е. взаимодополняемости — «+» «-»). В случае ДНК: А—Т, Г—Ц; в случае РНК: A-У, Г-Ц; в РНК У — аналог Т ДНК.

В одиночной цепи очередность азотистых оснований задана наследственностью. Ход эволюции до сих пор был направлен на увеличение числа наследуемых признаков живых организмов. Самые древние организмы — бактерии: возраст их следов в окаменелостях (Западная Австралия) более 3,5 • 10⁹ лет, а длина ДЫК (современных потомков) ~ 4 • 10⁶ нуклеотидов. Длина ДНК современного человека ~ 3,2 • 10⁹ нуклеотидов, его предки появились около 10⁵ лет назад. Дополнительные сведения представлены в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Изменение длины ДНК в процессе эволюции.

ДНК является матрицей генетической информации, так как по ее данным воспроизводится множество экземпляров одних и тех же белков. Непосредственного участия в синтезе белков ДНК не принимают. На основе принципа комплементарности ферменты «строят» информационную РНК, по «рисунку» которой различные ферменты вне ядра (в случае эукариот) строят белки различного назначения.

ДНК можно сравнить с компьютерным диском, содержащим информацию в файлах — группах генов. При необходимости мы распечатываем тот или иной текст на листах. Отдельный лист текста — полипептид; все листы, распечатанные с данного файла, — белок. По необходимости в разное время мы распечатываем разное число экземпляров листов текста по разным темам (с разных файлов). Принтер — полисома. Эта аналогия отражает генетическое функционирование любого живого организма.

Генетический код ДНК един и универсален для всех живых организмов: одна и та же последовательность азотистых оснований шифрует только одну аминокислоту данной структуры. Аминокислотные остатки одного и того же химического состава повторяются в законченной цепочке по несколько раз, так как общая длина цепи — сотни и даже многие сотни аминокислотных остатков (например, их может быть 450) (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Обобщенная схема записи информации в структуре ДНК

Числа 1, 2, 3, 4, 15, 20 на рисунке обозначают аминокислоты разного химического состава. Данная последовательность «считана» с определенного участка ДНК (матрицы). Каждая из 20 аминокислот зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов, называемой триплетом или кодоном. Например, глицин кодируют три стоящие друг за другом молекулы цитозина в ДНК: ЦЦЦ или три молекулы гуанина (ГГГ) в и-РНК. Но помимо указанного для глицина существуют еще три кодона — таким образом, всего четыре.

Серин шифруют шесть кодонов, а каждый кодон шифрует только одну аминокислоту. Всего из четырех нуклеотидов — в ДНК это А, Г, Т, Ц — существует 64 кодона для 20 аминокислот, 18 аминокислот зашифрованы более чем одним кодоном (от 2 до 6). Исключение составляют аминокислоты метионин и триптофан, каждая из которых кодируется только одним триплетом. Коды едины для всех живых организмов — от бактерий для человека. Последовательность и место расположения остатков аминокислот в данном белке определяет расположение азотистых оснований в ДНК. Остается открытым вопрос: кто или что задает последовательность миллионов, миллиардов азотистых оснований в ДНК? Эта последовательность с незначительными изменениями наследуется потомками на протяжении тысячелетий. Вместе с тем на Земле нет даже двух людей, у которых все белки были бы одинаковыми. Разнообразие белков обеспечивает индивидуальную специфичность организмов. Далеко не все белки содержат все 20 аминокислотных остатков: белок — фермент рибонуклеаза состоит из 19 различных остатков аминокислот при их общем количестве более 100; в инсулине — 18 различающихся аминокислотных остатков при полной длине цепи, состоящей из 51 остатка.

Современные криминалисты часто применяют на практике описанное свойство живой материи. Приведем пример. 10 сентября 2003 г., около 16 ч, в одном из магазинов Стокгольма озлобленный мужчина нанес множество ударов ножом находившейся здесь Анне Линг — министру иностранных дел Швеции. Врачи около 12 часов боролись за ее жизнь, но безуспешно, 11 сентября дама скончалась. Сбежавший с места преступления убийца обронил бейсболку, с которой криминалисты изъяли несколько волосяных луковиц. Клетки этих луковиц явились источником для получения генотипа преступника. По подозрению в содеянном был задержан один из наркоманов, поскольку анализ хода событий свидетельствовал: убийца явно был в абстинентном состоянии. Задержанный отрицал свою причастность к данному событию. Анализ генотипа его клеток (генетическая экспертиза) подтвердил его невиновность: составы Д11К его клеток и клеток волосяных луковиц не совпали. Позднее был задержан уроженец Сербии Михайло Михайлович, потомственный алкоголик. Анализ ДНК клеток его организма выявил полное совпадение с ДНК клеток луковиц волос, найденных на бейсболке. Михайлович объяснил свое преступление желанием «мстить всему Западу», реальная причина — психоз, обусловленный невозможностью употреблять алкоголь из-за отравления его избытком. Преступник был установлен благодаря тому, что любая из многих триллионов телесных (соматических) клеток человека с двойным набором хромосом содержит один и тот же генотип.

Белки создают фенотип — совокупность всех признаков и свойств особи, формирующихся в процессе взаимодействия ее генетической структуры (генотипа) и внешней, по отношению к ней, среды. Фенотип — это и внешняя оболочка организма, и внутренние его органы, и «работающие» в нем ферменты, и т. п. Генотип — совокупность всех наследственных задатков данного организма или данной клетки, включая все формы существования генов (все аллели) данного организма, характер их физического сцепления в хромосомах и наличие хромосомных перестроек. Иначе говоря, генотип — это все гены данного организма. Генотип контролирует развитие, строение и жизнедеятельность организма, т. е. совокупность всех признаков организма — его фенотип. Особи с разными генотипами могут иметь одинаковый фенотип (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Формирование «оболочки» фенотипа по заданию генотипа:

• ——^ воздействие внешнего фактора среды (экологического фактора);
• ->? воздействие, формирующее фенотип по «карте» генотипа

Первоисточник формирования фенотипа — воздействие элемента среды, экологических факторов, на генотип.

Видовая специфичность биологического вида зашифрована в геноме. Геном — минимальный набор генов (в одной форме, один аллель), необходимый для создания данного биологического вида. Аллель — одно из возможных структурных состояний гена, обычно два при диплоидном наборе хромосом. Таким образом, генотип содержит несколько аллелей данного гена. Строго говоря, геном — совокупность генов, характерных для гаплоидного (т.е. одинарного) набора хромосом данного вида организмов; основной гаплоидный набор хромосом. В отличие от генотипа геном представляет собой характеристику вида, а не отдельной особи. Геном можно рассматривать как функциональный элемент, необходимый для нормального развития организма. Другими словами, геном наряду с кодирующими участками ДНК — генами, включает и некодирующие последовательности ДНК, но исключительно гаплоидного (т.е. одинарного) набора хромосом.

Здесь необходимо пояснить еще один близкий к рассмотренным выше термин — генофонд. Генофонд включает совокупность всех генов, которые имеются у особей данной группы (популяции, группы популяций, вида). Например, генофонд поселка составляют все его жители или сумма генов его жителей. Охрана генофонда природных и искусственных популяций растений и животных — одна из центральных задач охраны живой природы. Однако лозунг «Сохраним генофонд нации» имеет и оборотную сторону. С биологических позиций это означает стремление сохранить в том числе и все онкогены (обусловливающие злокачественные заболевания), и наследственные факторы алкоголизма, шизофрении и т. п.

Несмотря на наличие полной генетической (наследственной) информации обо всем многоклеточном организме в любой из его клеток, клетки разных областей синтезируют разные белки, в итоге чего формируются разные ткани и органы. Транскрипция (от лат. transcriptio — «переписывание») — биосинтез молекул рибонуклеиновых кислот (РНК) на соответствующих участках ДНК — первый этап реализации генетической информации в живых клетках.

В разных клетках транскрибируются разные участки ДНК, т. е. образуются разные и-РНК, в соответствии с кодами которых далее синтезируются разные белки. Специализация клетки (клетка крови, клетка миндалины, клетка мозга и др.) определяется не всеми имеющимися в ней генами, а только теми, с которых информация была прочтена и реализована в виде белков. Даже специфические для данной клетки белки не образуются в ней одновременно. В разное время в зависимости от нужд клетки в ней синтезируются разные белки.

Существует сложный механизм регуляций «включения» и «выключения» генов на разных этапах жизни клетки. Рассмотрим функционирование этого механизма на примере прокариот. Под контролем генарегулятора синтезируется репрессор. Репрессор — регуляторный белок, подавляющий транскрипцию генов. Молекула репрессора имеет участок узнавания оператора — начала гена, а также участок узнавания эффектора. Дело в том, что репрессоры могут синтезироваться либо в активной, либо в неактивной форме. Эффекторы (обычно низкомолекулярные вещества), соединяясь с репрессором, влияют на его взаимодействие с оператором. Существуют эффекторы, называемые индукторами, лишающие репрессор способности взаимодействовать с оператором и подавлять транскрипцию. Эффекторы-корепрессоры соединяются с неактивной формой репрессора, переводят его в активную форму, способную взаимодействовать с оператором. В этом случае репрессор будет подавлять транскрипцию. Основное назначение репрессора —подавление транскрипции.

Для того чтобы «построить» полимерную молекулу и-РНК, по коду которой в результате трансляции и будет построен тот или иной белок, в клетках синтезируется фермент РНК-полимераза, которая катализирует образование макромолекул полимера и-РНК из низкомолекулярных веществ. При этом РНК-полимераза движется вдоль гена (участка ДНК), подбирает по принципу комплементарное™ нуклеотиды и соединяет их в единую цепочку. Каждый ген, или группа генов, содержит регуляторные элементы: 1) промотор — участок начала транскрипции; 2) оператор, с которым происходит связывание репрессора; 3) терминатор — сигнальную часть прекращения транскрипции, расположенную после кодирующей области («конец»). Промотор и оператор расположены перед областью гена, кодирующей структуру и-РНК, — эго «начало» гена. Операторы или перекрываются с промоторами, или находятся между промотором и контролируемыми генами. Промотор представляет собой короткую последовательность (несколько десятков) нуклеотидов ДНК, с которой связывается РНК-полимераза, осуществляющая транскрипцию. Оператор — участок ДНК (представлен также несколькими десятками нуклеотидов), «узнаваемый» белками-репрессорами и тем самым регулирующий транскрипцию гена (или группы генов). По мере движения РНК-полимераза встречает сигнал в виде определенной последовательности нуклеотидов, означающий конец транскрипции, — это и есть терминатор.

Механизм «считывания» или «несчитывания» информации, т. е. «принятия решения» о транскрипции, иллюстрирует рис. 1.12.

Рис. 1.12. Схема регуляции биосинтеза и-РНК у прокариот:

П — промотор; Р — репрессор При положительной регуляции для начала транскрипции необходимо присоединение к промотору активатора, представляющего собой белок позитивного контроля (см. рис. 1.12, вариант А). При отрицательной регуляции с оператором связывается так называемый репрессор (см. рис. 1.12, вариант Б). В результате связывания оператора с репрессором РНКполимераза не может продвигаться вдоль гена, и транскрипция не осуществляется. Если оператор не связан с репрессором, то РНК-нолимераза транскрибирует гены, происходит формирование (биосинтез) соответствующей и-РЫК. У прокариот каждый оперон является элементарной единицей транскрипции, т. е. по нему образуется одна непрерывная молекула РНК, в которой может быть закодировано несколько белков, а также могут содержаться рибосомные или транспортные РНК. У эукариот единицей транскрипции является отдельный ген. В отличие от прокариотических генов, представляющих собой непрерывную кольцевую последовательность нуклеотидов, входящих в состав кодонов, гены эукариот разомкнуты. Нуклеотидные последовательности, кодирующие аминокислоты, — экзоны разделены некодирующими последовательностями — нитронами. При транскрипции гена образуется и-РНК, комплементарная и экзонам, и интронам. Далее идут сложные процессы вырезания интронов, сшивания экзонов, формирования полипептидов и белков.

Иногда при считывании закодированной в ДНК генетической информации возникают ошибки «считывания», а также изменения в ее передаче — все они называются мутациями (от лат. mutation — «изменение»). В биологическом и экологическом смысле мутации представляют собой внезапные, естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков в организме. Морфологически мутации проявляются в виде изменения внешнего вида и строения органов и (или) физиологии и поведения.

Мутации могут быть связаны с изменением структуры отдельного гена или группы генов, а также с изменением числа и структуры хромосом. Такие ошибки неизбежно возникают в процессе матричного синтеза генетических программ, вследствие чего копии программ отличаются одна от другой.

Значительная часть мутаций корректируется специальными механизмами саморегуляции. Однако остающихся наследственных изменений достаточно, чтобы привести к разнокачественное™ особей и разной степени их приспособленности к условиям среды. Разнокачественное™ организмов создает предпосылки для осуществления естественного отбора. В зависимости от условий естественный отбор приводит либо к усовершенствованию организмов, либо к регрессу, упрощению их организации. Таким образом, сама сущность жизни как самовоспроизводящегося процесса является предпосылкой эволюции.

ДНК, являющиеся носителями наследственной информации, передающейся из поколения в поколение у многоклеточных организмов, на 90% расположены в органоидах, называемых хромосомами. Они локализованы в ядрах клеток. Свое название хромосомы получили из-за того, что на микроскопических препаратах они окрашиваются многими красками и очень ярко по сравнению с другими частями ядра (греч. chroma — «краска», soma — «тело»).

В многоклеточном организме различают: 1) соматические (неполовые) клетки, которые входят в состав тканей и органов тела; 2) половые клетки — гаметы. Ядра соматических клеток содержат двойной набор хромосом, называемый диплоидным, ядра половых клеток содержат одинарный набор хромосом, называемый гаплоидным. Одинарность набора хромосом половых клеток обеспечивает генетическое разнообразие потомства. Этим достигаются большие эволюционные и экологические возможности, связанные, например, с возможностью расселения в разные по биотическим и абиотическим условиям среды. Число хромосом диплоидного и гаплоидного наборов хромосом для каждого биологического вида постоянно. Например, диплоидный набор хромосом человека — 46, гаплоидный — 23; для растения рожь эти значения соответственно составляют 14 и 7.

Организмы разных биологических видов, а также царств содержат часть одинаковых генов. Иными словами, у человека есть гены одуванчика, а у одуванчика есть гены человека — это заложено природой. Таким образом, геномы разных биологических видов частично перекрываются. В случае генетической модификации человек осознанно встраивает в ДНК представителя выбранного им биологического вида дополнительный участок ДНК, обладающий генетической активностью организма другого биологического вида. Главная цель этого механизма — получить организмы с дополнительными, «улучшенными» свойствами. Например, генетически модифицируют томаты, чтобы их оболочка была прочнее, и они не деформируются при транспортировке и не мнутся при хранении. Не исключено, что кто-то из людей, захотев усилить прочность волосяного покрова у своих потомков, решит «позаимствовать» гены, ответственные за выработку паутины у паука. В случае многоклеточных растений и животных генетическую модификацию проводят в половых клетках. Таким образом, многие поколения потомков наследуют новые признаки на многие годы.

Изложенное свидетельствует о том, что экологические отношения между разными организмами (фенотипами) одного или разных биологических видов предопределены и согласованы на геномном уровне. Геном травоядного ориентирует его на поедание травы, геном льва подсказывает ему жертву: «зебра — твоя пища». Экологическая гармония жизни заключена в различающихся геномах биологических видов.

В развитии биологии выделяют три основных этапа: первый — систематики (К. Линией); второй — эволюционный (Ч. Дарвин); третий — микробиологии (Г. Мендель).

Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.

• 1. Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.
• 2. Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию.
• 3. Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражители — универсальное свойство всех живых существ — как растений, так и животных.
• 4. Живые организмы способны не только изменяться, но и усложняться. Они могут создавать новые органы, отличающиеся от породивших их структур.
• 5. Живое способно к самовоспроизведению.
• 6. Живые организмы способны передавать потомкам заложенную в них информацию, содержащуюся в генах — единицах наследственности. Эта информация в процессе передачи может видоизменяться и искажаться, что предопределяет изменчивость живого.
• 7. Живые организмы способны приспосабливаться к среде обитания и своему образу жизни.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.