«Уважаемый читатель! Вы, держите в руках один из учебников нового поколения по биологии для студентов высших учебных заведений, обучающихся по естественнонаучным направлениям и специальностям. Учебник написан известным ...»

Несомненно, что часть ущерба, уже нанесенного биосфере, невозможно восстановить. Поэтому перед человечеством стоит задача создать условия сбалансированного развития. Важнейшая задача заключается в создании таких технологий, которые бы исключали полностью или ограничивали выброс в окружающую среду загрязнителей.

Речь идет о таких технологиях как в промышленности, так и сельском хозяйстве.

Во многих странах имеются национальные программы охраны природы и окружающей среды. Эти программы основаны на учете специфики местных условий. Однако какие бы меры не принимались в отдельных странах, они не могут обеспечить решения всего комплекса вопросов, связанных с загрязнением атмосферы, открытых морей, Мирового океана. Поскольку биосфера неделима политически, а загрязнение среды обитания человека влечет за собой глобальные последствия, огромное значение имеет международное сотрудничество в области охраны природы и среды обитания человека.

Помимо решений вопросов на правительственных уровнях, большое значение имеет деятельность Международного союза охраны природы, Всемирного фонда охраны природы, а также специализированных учреждений ООН.

5 июня — Всемирный день охраны окружающей среды. В 1986 г. ВОЗ приняла Глобальную стратегию сохранения здоровья для всех к 2000 г. В соответствии с этой стратегией непременным условием для выполнения поставленных задач является сохранение и упрочнение мира на Земле. В наше время речь идет о сохранении жизни на Земле.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Сформулируйте определение биосферы и назовите ее подразделения.

2. Что является элементарной единицей биосферы?

3. Что собой представляет экологическая система?

4. Объясните взаимоотношения между организмами-производителями, организмамипотребителями и организмами-разрушителями в экосистемах.

5. Чем обеспечивается постоянство в поддержании экосистем?

6. Что такое пищевая цепь? Как много этих цепей в экосистемах?

7. Объясните связь между энергией, порядком и энтропией.

8. Расскажите о потоке энергии через пищевую цепь.

9. Что такое экологическая пирамида?

10. Объясните значение первого и второго законов термодинамики для мира живых существ.

11. Назовите основные формы внутривидовых отношений организмов.

12. Перечислите основные формы межвидовых отношений организмов и покажите место и роль человека в этих отношениях.

13. Что такое паразитизм и в чем заключается его отличие от хищничества? Каково его значение в природе?

14. Перечислите основные направления деятельности человека в природе. Назовите благоприятные и неблагоприятные последствия этой деятельности.

15. Есть ли разница между понятиями «окружающая среда» и «среда обитания»?

16. Каковы основные биологические последствия ядерной войны?

17. Почему важны международные усилия в охране окружающей среды?

ЛИТЕРАТУРА

Агаджанян Н. А., Торшин В. И. Экология человека. М.: Изд. фирма «Круг». 256 стр.

Красная книга СССР. М.: Лесная промышленность. 1978. 459 стр.

Реймерс Н. Ф. Охрана природы и окружающей среды: словарь и справочник. М.: Просвещение. 1992.

Реймерс Н. Ф. Экология. М.: Россия молодая. 1994. 363 стр. Brown J. Н.

Macroecology. University of Chicago Press. 1995. 265 pp.

РАЗДЕЛ VI

БИОЛОГИЯ, ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

И БИОТЕХНОЛОГИЯ

Современная биология коренным образом отличается от традиционной биологии не только большей глубиной разработки познавательных идей, но и более тесной связью с жизнью общества, с практикой. Можно сказать, что в наше время биология стала средством преобразования живого мира с целью удовлетворения материальных потребностей общества. Это заключение иллюстрируется прежде всего тесной связью биологии с биотехнологией, которая стала важнейшей областью материального производства, равноправным партнером механической и химической технологий, созданных человеком ранее.

Чем же объясняется взлет биотехнологии?

С момента своего возникновения биология и биотехнология всегда развивались совместно, причем с самого начала биология была научной основой биотехнологии. Однако длительное время недостаток собственных данных не позволял биологии оказывать очень большое влияние на биотехнологию. Положение резко изменилось с созданием во второй половине XX в. методологии генетической инженерии, под которой понимают генетическое манипулирование с целью "конструкции новых и реконструкции существующих генотипов.

Являясь по своей природе методическим достижением, генетическая инженерия не привела к ломке сложившихся представлений о биологических явлениях, не затронула основных положений биологии подобно тому, как радиоастрономия не поколебала основных положений астрофизики, установление «механического эквивалента тепла» не привело к изменению законов теплопроводности, а доказательство атомистической теории вещества не изменило соотношений термодинамики, гидродинамики и теории упругости.

Генетическая инженерия открыла новую эру в биологии по той причине, что появились новые возможности для проникновения в глубь биологических явлений с целью дальнейшей характеристики форм существования живой материи, с целью более эффективного изучения структуры и функции генов на молекулярном уровне, понимания тонких механизмов работы генетического аппарата. Успехи генетической инженерии означают переворот в современном естествознании. Они определяют критерии ценности современных представлений о структурно-функциональных особенностях молекулярного и клеточного уровней живой материи. Современные данные о живом имеют гигантское познавательное значение, ибо обеспечивают понимание одной из важнейших сторон органического мира и тем самым вносят неоценимый вклад в создание научной картины мира. Таким образом, резко расширив свою познавательную базу, биология через генетическую инженерию оказала также ведущее влияние на подъем биотехнологии.

Генетическая инженерия создает заделы на пути познания способов и путей «конструирования» новых организмов или улучшения существующих организмов, придавая им большую хозяйственную ценность, большую способность резкого увеличения продуктивности биотехнологических процессов.

В рамках генетической инженерии различают генную инженерию и клеточную инженерию. Под генной инженерией понимают манипуляции с целью создания рекомбинантных молекул ДНК. Часто эту методологию называют молекулярным клонированием, клонированием генов, технологией рекомбинантных ДНК или просто генетическими манипуляциями. Важно подчеркнуть, что объектом генной инженерии являются молекулы ДНК, отдельные гены. Напротив, под клеточной инженерией понимают генетические манипуляции с изолированными отдельными клетками или группами клеток растений и животных.

ГЛАВА XIX

ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Генную инженерию составляет совокупность различных экспериментальных приемов (методик), обеспечивающих конструкцию (реконструкцию) и клонирование молекул ДНК (генов) с заданными целями.

Методы генной инженерии используют в определенной последовательности (рис. 221), причем различают несколько стадий в выполнении типичного генно-инженерного эксперимента, направленного на клонирование какого-либо гена, а именно:

1. Выделение ДНК из клеток интересующего организма (исходного) и выделение ДНК-вектора.

2. Разрезание (рестрикция) ДНК исходного организма на фрагменты, содержащие интересующие гены, с помощью одного из ферментов-рестриктаз и выделение этих генов из образованной рестрикционной смеси. Одновременно разрезают (рестрикциируют) векторную ДНК, превращая ее из кольцевой структуры в линейную.

3. Смыкание интересующего сегмента ДНК (гена) с ДНК вектора с целью получения гибридных молекул ДНК.

4. Введение гибридных молекул ДНК путем трансформации в какой-либо другой организм, например, в Е. coli или в соматические клетки.

5. Высев бактерий, в которые вводили гибридные молекулы ДНК, на питательные среды, позволяющие рост только клеток, содержащих гибридные молекулы ДНК.

6. Идентификация колоний, состоящих из бактерий, содержащих гибридные молекулы ДНК.

7. Выделение клонированной ДНК (клонированных генов) и ее характеристика, включая секвенирование азотистых оснований в клонированном фрагменте ДНК.

ДНК (исходная и векторная), ферменты, клетки, в которых клонируют ДНК — все это называют «инструментами» генной инженерии.

§ 106 ВЫДЕЛЕНИЕ ДНК Рассмотрим методику выделения ДНК на примере ДНК плаз-мид. ДНК из плазмидосодержащих бактериальных клеток выделяют с помощью традиционной техники, заключающейся в получении клеточных экстрактов в присутствии детергентов и последующем удалении из экстрактов белков фенольной экстракцией (рис. 222). Полная очистка плазмидной ДНК от белков, РНК и других соединений проводится в несколько стадий. После того как клетки разрушены, например, с помощью лизоцима (растворены их стенки), к экстракту добавляют детергент, чтобы растворить мембраны и инактивировать некоторые белки. Большинство хромосомной ДНК удаляют из получаемых препаратов обычным центрифугированием.

Часто для полной очистки используют хроматографию. Если требуется очень тщательная очистка, используют высокоскоростное центрифугирование в градиенте плотности CsCI с использованием этидия бромида. Оставшаяся хромосомная ДНК будет фрагментирована в линейную, тогда как плазмидная ДНК останется ковалентно закрытой. Поскольку отбирают для дальнейшей работы, хромосомную ДНК выбрасывают.

§ 107 ФЕРМЕНТЫ-РЕСТРИКТАЗЫ И РЕСТРИКЦИЯ ДНК

В ходе эволюции бактерии развили способность синтезировать так называемые рестрицирующие ферменты (эндонуклеазы), которые стали частью клеточной (бактериальной) системы рестрикции-модификации. У бактерий системы рестрикции-модификации являются внутриклеточной иммунной системой защиты от чужеродной ДНК. В отличие от высших организмов, у которых распознание и разрушение вирусов, бактерий и других патогенов происходит внеклеточно, у бактерий защита от чужеродной ДНК (ДНК растений и животных, в организме которых они обитают) происходит внутриклеточно, т. е. тогда, когда чужеродная ДНК проникает в цитоплазму бактерий. С целью защиты бактерии в ходе эволюции развили также способность «метить» собственную ДНК метилирующими основаниями на определенных последовательностях. По этой причине чужеродная ДНК из-за отсутствия в ней метальных групп на тех же последовательностях плавится (разрезается) на фрагменты разными бактериальными рестриктазами, а затем деградируется бактериальными экзонуклеазами до нуклео-тидов. Можно сказать, что таким образом бактерии защищают себя от ДНК растений и животных, в организме которых они обитают временно (как патогены) или постоянно (как сапрофиты).

Рестриктазы впервые были выделены из Е. coli в 1968 г- Оказалось, что они способны разрезать (плавить) молекулы ДНК на разных сайтах (местах) рестрикции. Эти ферменты получили название эндонуклеаз класса I. Затем у бактерий были обнаружены эндонуклеазы класса II, которые распознают в чужеродной ДНК сайты рестрикции специфически и на этих сайтах тоже осуществляют рестрикцию. Именно ферменты этого класса стали использовать в генной инженерии. Тогда же были открыты ферменты класса III, которые плавят ДНК рядом с сайтами распознания, но эти ферменты не имеют значения в генной инженерии.

Действие системы рестрикции-модификации «рационализуется» так называемыми палиндромными (распознающими последовательностями) азотистых оснований, которые являются сайтами рестрикции ДНК. Палиндромные последовательности — это последовательности оснований, которые одинаково читаются вперед и назад, как, например, последовательность букв радар. Поскольку цепи ДНК обладают антипараллельным направлением, то считают, что последовательность является палиндромной, если она идентична, когда читается в направлении от 5'- к 3'-концу на верхней и 3'- к о'-концу на нижней цепи, а именно:

Палиндромы могут быть любых размеров, но большинство тех палиндромов, которые используют в качестве сайтов узнавания рестриктазами, состоят из 4, 5, 6 и реже 8 оснований.

Рестриктазы — это абсолютно необходимый инструмент в генной инженерии для вырезания интересующих фрагментов (генов) из больших молекул ДНК. Поскольку известно более 100 ферментов рестрикции, то это позволяет выбор рестриктаз и селективное вырезание фрагментов из исходной ДНК.

Замечательной особенностью рестриктаа является то, что они продуцируют разрезы молекул на несколько фрагментов (рестрик-тов) ДНК уступами, в результате чего в образующихся концах одна цепь длиннее другой, образуя своеобразный хвост. Такие концы (хвосты) получили название «липких» концов (рис. 224), т. к. они способны к самокомплементарности.

Рассмотрим результаты рестрикции на примере одной из наиболее известных рестриктаз Eco RI из системы рестрикция—модификация Е. coli. Вместо того, чтобы плавить ДНК в центре па-линдромной последовательности узнавания, этот фермент плавит ДНК за пределами центра и продуцирует 4 самокомплементарных («липких») конца, состоящих из разного количества нуклеотидов, а именно:

Эти «липкие» концы в генно-инженерных опытах полезны по той причине, что они могут быть воссоединены комплементарно при низких температурах, что позволяет эффективное смыкание ДНК-фрагментов.

Сайты распознания и сайты плавления в случае других рестриктаз имеют другое содержание, а именно:

Вслед за рестрикцией ДНК из рестрикционной смеси выделяют рестрикционные ДНК-фрагменты (ДНК-рестрикты), которые необходимы затем для объединения с вектором. Для выделения ДНК-рестриктов прибегают к электрофорезу, поскольку с помощью этого метода рестрикцированную ДНК очень легко фракционировать благодаря размерам фрагментов-рестриктов и благодаря константным отношениям электрический заряд-масса. Фрагменты в электрическом поле мигрируют в ходе электрофореза при частоте, зависимой от их размеров (массы). Чем больше (длиннее) фрагмент, тем медленнее он мигрирует в электрическом поле. Материалом, в котором проводят электрофорез, являются незаряжающиеся агаро-за и полиакриламид. Для опознания фрагментов используют эти-дий бромид, который красит фрагменты, что ведет к их более легкому обнаружению (рис. 225).

Результативность электрофореза очень высока, поскольку с его помощью могут быть разделены фрагменты, размеры которых составляют от 2 до 000 оснований.

После электрофореза фрагменты из агарозы выделяют с помощью разных методов. На основании результатов сравнения размеров рестриктов одной и той же ДНК, полученных с помощью разных рестриктаз, строят рестрикционные карты, на которых показывают сайты рестрикции каждой из использованных рестриктаз (см. § 107). В практическом плане рестрикционные карты позволяют определять не только размеры рестриктов, но и выяснять расположение в молекулах ДНК локусов тех или иных генов.

Поскольку у высших организмов в ходе транскрипции синтезируется гетерогенная ДНК, корректируемая процессингом, то в генной инженерии обычно используют комплементарную ДНК (кДНК), которую получают при использовании в качестве матрицы мРНК, на которой обратная транскриптаза синтезирует одноцепочечную ДНК (кДНК), являющуюся копией мРНК. В последующем эти одноцепочечные ДНК превращают в двухцепочечные ДНК. Считают, что кДНК содержит непрерывные нуклеотидные последовательности (транскрибируемые и транслируемые). Именно кДНК используют для рестрикции.

Выделенные после электрофореза из агарозных гелей фрагменты ДНК (рестрикты) можно предварительно подвергнуть секвени-рованию, т. е. определить в них нуклеотидную последовательность. Для этого используют химический и ферментативный методы сек-венирования.

Химический метод основан на получении меченных радиоактивным фосфором (32р) фрагментов и удалении из этих фрагментов одного из оснований с последующим учетом результатов радиоавтографии гелей, содержащих эти фрагменты. Ферментативный метод основан на том, что в конец анализируемого фрагмента вводят нуклеотид, используемый затем в синтезе разных фрагментов in vitro, анализируемых на нуклеотидную последовательность электрофоретически. Для изучения специфических последовательностей нуклеотидов в молекуле ДНК используют также гибридизацию ДНК-ДНК, РНК-РНК, ДНК-РНК, Нозерн- и Саузерн-блоттинги.

§ 108 ГЕНЕИЧЕСКИЕ ВЕКТОРЫ Сегмент ДНК (ген), который предназначен для молекулярного клонирования, должен обладать способностью к репликации при переносе его в бактериальную клетку, т. е. быть репликоном. Однако он такой способностью не обладает. Поэтому, чтобы обеспечить перенос и обнаружение клонируемых генов в клетках, их объединяют с так называемыми генетическими векторами. Последние должны обладать, как минимум, двумя свойствами. Во-первых, векторы должны быть способны к репликации в клетках, причем в нескольких копиях. Во-вторых, они должны обеспечивать возможность селекции клеток, содержащих вектор, т. е. обладать маркером, на который можно вести контрселекцию клеток, содержащих вектор вместе с клонируемым геном (рекомбинантные молекулы ДНК). Таким требованиям отвечают плазмиды и фаги.

Плазмиды являются хорошими векторами по той причине, что они являются репликонами и могут содержать гены резистентности к какому-либо антибиотику, что позволяет вести селекцию бактерий на устойчивость к этому антибиотику и, следовательно, легкое обнаружение рекомбинантных молекул ДНК.

Поскольку природные плазмидные векторы неизвестны, то все известные к настоящему времени плазмидные векторы были сконструированы искусственно. Исходным материалом для создания ряда генетических векторов послужили R-плазмиды, в которых с помощью рестриктаз удаляли излишние последовательности ДНК, в том числе те, на которых располагались множественные сайты рестрикции. Это удаление определялось тем, что плазмидный вектор должен обладать только одним сайтом узнавания для одной рестриктазы, причем этот сайт должен лежать в функционально несущественном районе плазмидного генома. Например, плазмидный вектор pBR 322, который содержит гены резистентности к ампициллину и тетрациклину, что делает его очень удобным для селекции бактерий, содержащих клонируемый сегмент ДНК, обладает одиночными сайтами рестрикции для более 20 ферментов-рестриктаз, включая такие известные рестриктазы, как Eco R I, Hind III, Pst I, Pva II и Sal I (рис. 226).

Фаговые векторы тоже обладают рядом преимуществ. Они могут включать в себя более крупные (более длинные) клонируемые фрагменты ДНК по сравнению с плазмидными векторами. Далее, перенос фагами клонируемого фрагмента в клетки в результате ин-фицирования ими последних является более эффективным, чем трансформация ДНК. Наконец, фаговые векторы позволяют более эффективный скрининг (распознание) на поверхности агара колоний, содержащих клетки, несущие клонируемый ген. Многие фаговые векторы сконструированы на базе фага лямбда.

Кроме фаговых используют и другие вирусные векторы, сконструированные на базе вируса герпеса, а также векторы, сконструированные на базе дрожжевой ДНК.

Если клонирование генов проводят, используя клетки млекопитающих или растений, то требования к векторам те же, что и в случае клонирования в бактериальных клетках.

§ 109 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЕКОМБИНАНТНЫХ

МОЛЕКУЛ ДНК

Непосредственное конструирование рекомбинантных молекул ДНК следует после того, как получены рестрикты исследуемой ДНК и векторной ДНК.

Оно заключается в смыкании сегментов-рест-риктов исследуемой ДНК с рестриктом векторной ДНК, которая в результате рестрикции превращается из ДНК-лигазу (рис. 227). Лигирование будет успешным, если смыкаемые структуры обладают 3'-гидроксил и 5'фосфатной группами и если эти группы Если при рестрикции образуются фрагменты без «липких» концов, то их «насильственно» конвертируют в молекулы с «липкими» концами, используя фермент трансферазу. Этот фермент добавляет нуклеотиды к 3'-концу ДНК. На одном фрагменте может быть добавлен поли-А-хвост, на другом — поли-Т-хвост. Для генерации любых желаемых концов ДНК используют также так называемую полимеразную цепную реакцию (ПНР). Принцип ПЦР основан на денатурации выделенной из клеток ДНК и «отжиге» ее с добавлением к ренатурирующимся цепям ДНКолигонуклеотидов, состоящих из 15—20 нуклеотидов каждый. Эти олигонуклеотиды должны быть комплементарны последовательностям в целях, разделенных расстояниями в 50-2000 нуклеотидов. Будучи «затравкой» для синтеза ДНК in vitro, они позволяют ДНК-полимеразе копировать те участки, которые находятся между «затравками». Это копирование дает большое количество копий изучаемого фрагмента ДНК.

§ 110 ВВЕДЕНИЕ РЕКОМБИНАТНЫХ МОЛЕКУД

ДНК В КЛЕТКИ

После смыкания интересующего фрагмента ДНК (гена) с генетическим вектором с помощью ДНК-лигазы образованные реком-бинантные молекулы вводят в клетки с целью добиться их репликации (за счет генетического вектора) и увеличения количества копий. Наиболее популярным способом введения в клетки рекомбинантных молекул ДНК, в которых вектором служит плазмида, является трансформация Е. coli. С этой целью бактериальные клетки предварительно обрабатывают кальцием или рубидием (ионами) для того, чтобы они стали «компетентными» в восприятии рекомби-нантной ДНК.

Чтобы повысить частоту проникновения ДНК в клетки, используют метод электропорации, заключающийся в кратком экспонировании клеток в интенсивном электрическом поле. Эта обработка создает полости в мембранах клеток, что способствует лучшему восприятию клетками ДНК- После введения рекомбинантных молекул ДНК в бактерии последние высевают на МПА, обогащенный антибиотиками для селекции желаемых клеток, т. е. клеток, содержащих рекомбинантные молекулы ДНК. Частота трансформации является невысокой. Обычно один трансформант возникает на 106 высеянных клеток. Если же вектор является фаговым, то прибегают к трансфекции клеток (бактерий или дрожжей) фагом. Что касается соматических клеток животных, то их трансфекцию осуществляют ДНК в присутствии химических веществ, облегчающих прохождение ДНК через плазматические мембраны. Возможны также прямые микроинъекции ДНК в овоциты лягушек, в культивируемые соматические клетки и в эмбрионы млекопитающих.

Важнейшим моментом, связанным с молекулярным клониро-ванием, является поиск способа, позволяющего установить, действительно ли клонируемый фрагмент включился в вектор и вместе с вектором, образовав рекомбинантную молекулу ДНК, вошел в клетки. Если речь идет о бактериальных клетках, то один из способов основан на учете инсерционной инактивации плазмидного (векторного) гена резистентности. Например, в плазмидном векторе pBR322, детерминирующем резистентность к ампициллину и тетрациклину, единственный сайт для рестриктазы Pst I находится в локусе, занимаемом геном резистентности к ампициллину. Pst I —плавление на этом сайте генерирует липкие концы, позволяющие лигирование клонируемого фрагмента с векторной ДНК. Однако при этом плазмидный (векторный) ген ампициллинрезис-тентности инактивируется, тогда как ген тетрациклинрезистентнос-ти на векторе остается интактным. Именно, ген тетрациклинрезистентности и используется для селекции клеток, трансформируемых рекомбинантными молекулами ДНК. Чтобы убедиться, что клетки выросших колоний на среде с тетрациклином действительно содержат рекомбинантные молекулы ДНК, их проверяют с помощью так называемого «спот-теста» на паре чашек с плотной средой, одна их которых содержит ам-пициллин, тогда как другая лишена этого антибиотика. Клонируемые ДНК содержатся лишь в трансформантах, резистентных к тетрациклину (рис. 228). Что касается трансформантов, резистентных одновременно к ампициллину и тетрациклину (АрТс), то они содержат плазмидные (векторные) молекулы, которые спонтанно приобрели кольцевую форму без включения в них чужеродной (клонируемой) ДНК. Другой способ обнаружения инсерции чужеродных (клонируемых) фрагментов в плазмидный вектор основан на использовании вектора, содержащего ген (3-галактозидазы. Инсерция чужеродной ДНК в этот ген неизбежно инак-тивирует синтез р-галактозидаза, что может быть обнаружено посевом трансформированных клеток на среду, которая содержит субстраты р-галактозидазы. Эта среда позволяет селекцию окрашенных колоний клеток.

Как уже отмечено, рестрикционные линейные фрагменты векторной ДНК способны к восстановлению кольцевой структуры без включения в них клонируемых сегментов. Чтобы уменьшить частоту спонтанного образования таких кольцевых молекул векторной ДНК, рестрикты векторной ДНК обрабатывают фосфатазой. В результате этого образование кольцевых молекул ДНК становится невозможным, поскольку будут отсутствовать концы 5'-РО^, необходимые для действия лигазы.

Совокупность колоций-трансформантов, выросших на селективной среде, представляет собой совокупность клеток, содержащих клоны разных фрагментов (генов) клонируемой геномной или кДНК. Коллекции этих клонов формируют так называемые библиотеки ДНК, широко используемые в генноинженерных работах.

Заключительной стадией клонирования генов является выделение и исследование клонированной ДНК, включая секвениро-вание.

Перспективные штаммы бактерий или соматических клеток, содержащих рекомбинантные молекулы ДНК, которые контролируют синтез интересующих белков, имеющих коммерческую ценность, передают в промышленность.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Что понимают под генной, клеточной и генетической инженерией? Есть ли разница между этими понятиями и понятием о молекулярном клонировании?

2. В чем заключается прогрессивность генетической инженерии по сравнению с другими методами, используемыми в биологии?

3. Перечислите основные «инструменты» генной инженерии.

4. Что представляют собой ферменты-рестриктазы, каковы их свойства и какова их роль в генной инженерии?

5. Все ли рестриктазы образуют «липкие» концы исследуемой ДНК и зависит ли структура «липких» концов от вида рестриктазы?

6. Дайте определение генетическим векторам. Существуют ли природные векторы?

7. Как получают генетические векторы в лабораторных условиях? Какие биологические объекты являются исходным материалом для получения векторов?

8. Какова предельная длина последовательностей азотистых оснований ДНК, которые еще могут включиться в генетический вектор? Различаются ли векторы по «мощности»?

9. Охарактеризуйте свойства ДНК-лигазы и определите ее роль в генной инженерии.

10. Как смыкают клонируемый сегмент ДНК (ген) с генетическим вектором?

11. Какова частота введения рекомбинантных молекул ДНК в бактериальные клетки?

12. На каком принципе основана селекция бактериальных клеток, содерасащих рекомбинантные молекулы ДНК? Приведите один из примеров такой селекции.

13. Можно ли считать штамм Е. coli, содержащий ген инсулина человека, новым видом бактерий?

14. Многие штаммы бактерий обладают одинаковыми ферментами, практически одинаково обеспечивающими их метаболизм. Между тем нуклеотидная специфичность систем рестрикции-модификации бактерий различна. Можете ли вы объяснить это явление?

15. Почему последовательности ДНК, представляющие собой сайты распознания рестриктазами, не могут содержать более восьми пар оснований?

16. Сколько раз последовательность ГГЦЦ, распознаваемая рестриктазой Нае III, будет встречаться в сегменте ДНК длиной в 50 000 пар оснований с 30%-, 50%- и 70%процентным содержанием ГЦ?

17. Рестриктазы Ват Н I и Bgl I плавят последовательности Г-ГАТЦЦ и Т-ГАТЦА, соответственно. Можно ли включить в сайты Barn H I фрагменты ДНК, продуцированные Bgl 1-рестрикцией? Если да, то почему? Если используемая плазмида (вектор) содержит один сайт для рестрикции Barn H I, то на какой питательной среде можно осуществить селекцию бактерий, содержащих эту плазмиду?

18. Вычислите частоту трансформации бактерий на одну молекулу ДНК, если на плаамидных пар оснований образуется б х 106 трансформантов?

19. Можно ли клонировать 0-пункт репликации ДНК Е. coli и если да, то каким образом?

20. Можно ли определить, сколько необходимо молекул ДНК для трансформации одной клетки Е. coli?

21. Можно ли с помощью полимеразной цепной реакции определить сайт сплайсинга на мРНК?

22. Каким образом можно использовать полимеразную цепную реакцию для того, чтобы ввести желаемый сайт рестрикции в интересующее место на фрагменте ДНК, предназначенном для клонирования?

ЛИТЕРАТУРА

Альберте В., Брей Д., Льюис Дж.. Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М.: Мир. 3.984. Т. 1. 615 стр.

Маниатж Т., Фрич Э„ Сзмбрук Дж, Молекулярное клонирование. М.:

Мир. 1984. 479 стр.

Пехов А. П. Основы плазмидологии. М.: РУДН. 1996. 229 стр. Hunter Ceuera J„ Belt A. Maintaining Cultures for Biotechnology and Industry. Academic Press. 1995. 242 pp.

Kaplitt M; Loewy A. Viral Vectors. Academic Press. 1995. 486 pp. Russo E., Cove D. Genetic Engineering. WH Preeman. 1995. 255 pp.

ГЛАВА XX

КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Как отмечено в начале раздела, клеточной инженерией называют генетические манипуляции с изолированными клетками животных и растений. Эти манипуляции часто осуществляют in vitro, а главной целью они имеют получение генотипов этих организмов с заданными свойствами, в первую очередь, хозяйственно полезными. Что касается человека, то клеточная инженерия оказалась применимой к его половым клеткам.

§ 111 КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ У ЧЕЛОВЕКА

И ЖИВОТНЫХ

Предпосылкой к развитию клеточной инженерии у человека и животных явилась разработка методов культивирования их соматических клеток на искусственных питательных средах, а также получение гибридов соматических клеток, включая межвидовые гибриды. В свою очередь, успехи в культивировании соматических клеток оказали влияние на изучение половых клеток и оплодотворение у человека и животных. Начиная с 60-х гг., в нескольких лабораториях мира были выполнены многочисленные эксперименты по пересадке ядер соматических клеток в яйцеклетки, искусственно лишенные ядер. Результаты этих экспериментов часто были противоречивы, но в целом они привели к открытию способности клеточных ядер обеспечивать нормальное развитие яйцеклеток (см. гл. VIII).

На основе результатов изучения развития оплодотворенных яйцеклеток в 60-е гг. были начаты также исследования по выяснению возможности оплодотворения яйцеклеток вне организма матери. Очень быстро эти исследования привели к открытию возможности оплодотворения яйцеклеток сперматозоидами в пробирке и дальнейшего развития образованных таким путем зародышей при имплантации их в матку женщины. Дальнейшее совершенствование разработанных в этой области методов привело к тому, что рождение «пробирочных» детей стало реальностью. Уже к 1981 г. в мире было рождено 12 детей, жизнь которым была дана в лаборатории, в пробирке. В настоящее время этот раздел клеточной инженерии получил большое распространение, а количество «пробирочных» детей составляет уже десятки тысяч. В нашей стране работы по получению «пробирочных» детей были начаты в 1986 г. В 1993 году была разработана методика получения монозиготных близнецов человека in vitro, путем разделения эмбрионов на блас-томеры и доращивания последних до 32 клеток, после чего они могли быть имплантированы в матку женщины.

Под влиянием результатов, связанных с получением «пробирочных» детей, у животных тоже была разработана технология, получившая название трансплантации эмбрионов. Она связана с разработкой способа индукции полиовуляции, способов искусственного оплодотворения яйцеклеток и имплантации зародышей в организм животных — приемных матерей. Суть этой технологии сводится к следующему. Высокопродуктивной корове вводят гормоны, в результате чего наступает полиовуляция, заключающаяся в созревании сразу 10—20 клеток. Затем яйцеклетки искусственно оплодотворяются мужскими половыми клетками в яйцеводе. На 7-8-й день зародышей вымывают из матки и трансплантируют в матки другим коровам (приемным матерям), которые затем дают жизнь телятам-близнецам. Телята наследуют генетический статус своих подлинных родителей.

Другой областью клеточной инженерии у животных является получение трансгенных животных. Наиболее простой способ получения таких животных заключается во введении в яйцеклетки исходных животных линейных молекул ДНК. Животные, развившиеся из оплодотворенных таким образом яйцеклеток, будут содержать в одной из своих хромосом копию введенного гена. Больше того, они и будут передавать этот ген по наследству. Более сложный способ получения трансгенных животных разработан на мышах, различающихся по окраске шерстного покрова и сводится к следующему. Вначале из организма беременной серой мыши извлекают четырехдневных зародышей и измельчают их на отдельные клетки. Затем из эмбриональных клеток извлекают ядра, переносят их в яйцеклетки черных мышей, предварительно лишенные ядер. Яйцеклетки черных мышей, содержащие чужие ядра, помещают в пробирки с питательным раствором для дальнейшего развития. Развившиеся из яйцеклетки черных мышей зародыши имплантируют в матки белых мышей. В выполненных по этой методике экспериментах от пяти белых мышей («приемных матерей») было получено 36 мышей, среди которых трое были серыми. Таким образом, в этих экспериментах удалось получить клон мышей с серой окраской шерстного покрова, т. е. клонировать эмбриональные клетки с заданными свойствами. В § 35 мы рассмотрели результаты оплодотворения искусственно лишенных ядер яйцеклеток овец ядерным материалом соматических клеток животных этого же вида. В частности, из яйцеклеток овец удаляли ядра, а затем в такие яйцеклетки вводили ядра соматических клеток (эмбриональных, плодовых или клеток взрослых животных), после чего оплодотворенные таким образом яйцеклетки вводят в матки взрослых овец. Рождающиеся ягнята оказались идентичными овце-донору. Как было отмечено в § 35, такое получение трансгенных животных представляет собой прямой путь клонирования животных с хозяйственнополезными признаками, включая особей определенного пола.

Трансгенные животные получены также при использовании исходного материала, принадлежащего разным видам, в частности, известен способ передачи гена, контролирующего гормон роста, от крыс в яйцеклетки мышей, а также способ комбинирования блас-томеров овцы с бластомерами козы, что привело к получению гибридных животных (ковец). Эти эксперименты указывают на возможность преодоления видовой несовместимости на самых ранних этапах развития. Особенно заманчивые перспективы открываются (если видовая несовместимость будет преодолена полностью) на пути оплодотворения яйцеклеток одного вида ядрами соматических клеток другого вида. Речь идет о реальной перспективе получения хозяйственно-ценных гибридов животных, которых невозможно получить путем скрещиваний.

Следует отметить, что ядерно-трансплантационные работы еще не очень эффективны. Эксперименты, выполненные на земноводных и млекопитающих, в целом показали, что их результативность является небольшой, причем она зависит от несовместимости между донорскими ядрами и реципиентными овоцитами. Кроме того, препятствием на пути к успехам являются также образующиеся хромосомные аберрации в трансплантированных ядрах в ходе дальнейшего развития, которые сопровождаются гибелью трансгенных животных.

На стыке работ по изучению гибридизации клеток и иммуноло-гических исследований возникла проблематика, связанная с получением и изучением так называемых моноклональных антител. Как отмечено выше (см. § 96), антитела, продуцируемые организмом в ответ на введение антигена (бактерии, вирусы, эритроциты и т. д.), представляют собой белки, называемые иммуноглобулинами и составляющие фундаментальную часть защитной системы организма против возбудителей болезней. Но любое чужеродное тело, вводимое в организм, представляет собой смесь разных антигенов, которые будут возбуждать продукцию разных антител. Например, эритроциты человека обладают антигенами не только для групп крови А (II) и В (III), но и многими другими антигенами, включая резус-фактор. Далее, белки клеточной стенки бактерий или капси-да вирусов также могут действовать в качестве разных антигенов, вызывающих образование разных антител. В то же время лимфо-идные клетки иммунной системы организма обычно представлены клонами. Значит, даже только по этой причине в сыворотке крови иммунизированных животных антитела всегда представляют собой смесь, состоящую из антител, продуцируемых клетками разных клонов. Между тем для практических потребностей необходимы антитела только одного типа, т.е. необходимы так называемые моноспецифические сыворотки, содержащие антитела только одного типа, или, как их называют, моноклональные антитела.

В поисках методов получения моноклональных антител швейцарскими исследователями в 1975 г. был открыт способ получения гибридов между лимфоцитами мышей, иммунизированных тем или иным антигеном, и культивируемыми опухолевыми клетками костного мозга. Такие гибриды получили название «гибридомы». От «лим-фоцитарной» части, представленной лимфоцитом одного клона, одиночная гибридома наследует способность вызывать образование необходимых антител, причем одного типа, а благодаря «опухолевой (миэломной)» части она становится способной, как и все опухолевые клетки, бесконечно долго размножаться на искусственных питательных средах, давая многочисленную популяцию гибридом. На рис. 229 показана схема выделения клеточных линий, синтезирующих моноклональные антитела. Линии мышиных клеток, синтезирующих моноклональные антитела, выделяют путем слияния миеломных клеток с лимфоцитами из селезенки мыши, иммунизированной за пять дней до этого желаемым антигеном. Слияние клеток достигают смешиванием их в присутствии полиэтиленгликоля, который индуцирует слияние клеточных мембран, а затем в высеве их на питательную среду, позволяющую рост и размножение только гибридных клеток (гибридом). Размножение гибридомы разводят в жидкой среде, где они растут далее и секретируют антитела в культуральную жидкость, причем только одного типа, к тому же в неограниченных количествах. Эти антитела получили название моноклональных.

Чтобы повысить частоту образования антител, прибегают к клонированию гибридом, т. е. к селекции отдельных колоний гибридом, способных вызывать образование наибольшего количества антител желаемого типа. Моноклональные антитела нашли широкое применение в медицине для диагностики и лечения ряда болезней (см. § 115). В то же время важнейшее преимущество моноклональной технологии заключается в том, что с ее помощью могут быть получены антитела против материалов, которые невозможно очистить. Напротив, можно получить моноклональные антитела против клеточных (плазматических) мембран нейронов животных. Для этого мышей иммунизируют выделенными мембранами нейронов, после чего их селезеночные лимфоциты объединяют с миеломными клетками, а дальше поступают, как описано выше.

§ 112 КЛЕТОЧНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ У РАСТЕНИЙ

Клеточная инженерия у растений заключается в получении растений из одной клетки, а также в генетических манипуляциях с изолированными клетками, направленными на преобразование их генотипов.

Метод получения растений из одной клетки основан на способности тканей растений ряда видов к неорганическому росту на специальных искусственных средах, содержащих питательные вещества и регуляторы роста. При культивировании тканей растений на таких средах многие клетки оказываются способными к неограниченному размножению, образуя слои (массу) недифференцированных клеток, получивших название каллуса. Если затем каллус разделить на отдельные клетки и продолжить культивирование изолированных клеток на питательных средах, то из отдельных (одиночных) клеток могут развиться настоящие растения. Способность одиночных соматических клеток растений развиваться в настоящее (целое) растение, называют тотипотентностыо. Возможно, тотипотентность присуща клеткам всех листостебельных растений. Но пока она обнаружена у растений ограниченного круга. В частности, эта способность обнаружена у клеток картофеля, моркови, табака и ряда других видов сельскохозяйственных культур. Этот метод клеточной инженерии растений уже вошел в широкую практику. Однако растения, развившиеся из одной клетки, характеризуются генетической нестабильностью, что связано с мутациями их хромосом. Поскольку генетическая нестабильность дает разнообразные формы растений, они очень полезны в качестве исходного материала для селекции.

Однако растения можно получить и из так называемых протопластов растительных клеток, под которыми понимают клетки, у которых искусственно с помощью гидролитических ферментов (пек-тиназы и целлюлазы) удалена клеточная стенка. Обычно протопласты получают из клеток листьев, корней, лепестков, прорастающей пыльцы, плодов и других структур растений. Способность протопластов давать начало растениям выявлена у очень большого количества видов.

Получение растений из одной клетки или протопласта часто называют клональным микроразмножением. Главнейшее преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет резко сократить сроки размножения многих видов растений, а также очень быстро воспроизвести одно и то же растение в сотнях тысяч экземпляров, что имеет исключительно важное значение в селекционной работе и в получении посадочного материала, незараженного возбудителями болезней (рис. 230).

Генетические манипуляции, связанные с растительными клетками, направлены на преобразование генотипов клеток растений, что достигают либо путем соматической гибридизации (получения гибридных клеток) либо путем переноса в клетки генетического материала, происходящего от других организмов. Во всех случаях исходным материалом являются протопласты клеток.

Соматическую гибридизацию осуществляют в несколько этапов, а именно:

1. Получение и слияние протопластов, происходящих от клеток растений разных видов.

2. Культивирование гибридных протопластов, используя селективные питательные среды.

3. Регенерация растений из соматических гибридов (гибридов протопластов) через образование последними каллуса.

Как видно, соматическая гибридизация осуществляется по схеме растения — протопласты — каллус — растения. Ее практическая ценность заключается в том, что соматические гибриды используют в селекционной работе.

Перенос генетического материала от одних клеток к другим осуществляют путем трансформации протопластов чужеродной ДНК либо введением в протопласты чужеродной ДНК с помощью плаз-мид. Из образующегося затем каллуса выращивают растения, содержащие интересующий ген. Растения, полученные таким путем, называют трансгенными растениями (рис. 230).

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Что понимают под клеточной инженерией и каково ее отличие от генной инженерии?

2. Каковы биологические основы выращивания растений из одной клетки?

3. Назовите методы клеточной инженерии в применении к растениям. Какова хозяйственная ценность растений, получаемых этими методами?

4. Назовите методы клеточной инженерии в применении к животным. Какова хозяйственная ценность животных, получаемых этими методами?

5. Дайте определение понятиям «трансгенные растения» и «трансгенные животные».

Сохраняют ли трансгенные организмы свою видовую принадлежность или их можно считать организмами новых видов?

6. Что такое гибридомы и моноклональные антитела? Как их получают?

7. Применима ли клеточная инженерия к человеку?

8. Допустим, что инъекция чужеродной ДНК в яйцеклетку мыши и имплантация оплодотворенной таким путем яйцеклетки в организм мыши закончились ее беременностью и рождением мышат, содержащих в гено-ме копии инъецированной ДНК. Однако мышата оказались мозаиками, т. е. одни их клетки содержат копии инъецированной ДНК, другие лишены этой ДНК. Можете ли вы объяснить природу этого явления?

ЛИТЕРАТУРА

Альберте В., Брей Д., Льюис Дж„ Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М.: Мир. 1994. Т. 1. 615 стр.

Пехов А. П., Щипков В. П., Кривская К. С. Новейшие биотехнологические процессы и система современного высшего образования. Вестник РУДН, серия «Фундаментальное естественнонаучное образование», 1999, стр. 120-128.

ГЛАВА XXI

НАПРАВЛЕНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Генетическая инженерия не только повысила эффективность старых отраслей биотехнологии, но и открыла новые направления в различных областях этой практической деятельности человека. Рассмотрим некоторые из этих направлений, начав с такого важнейшего направления для жизни людей, как производство пищи, тем более что именно в связи с острой необходимостью решения продовольственной проблемы в мире идет бурное развитие биологической технологии.

§ 113 ПРОИЗВОДСТВО ПИЩИ Рост народонаселения мира обостряет проблему обеспечения людей пищей. Как показывают расчеты, чтобы обеспечить хотя бы минимальные пищевые потребности населения мира, в ближайшие 20—25 лет необходимо удвоить количество продовольствия, резко увеличить производство пищевого белка, доведя его количество хотя бы до 40-50 млн тонн в год к началу XXI в. Например, по данным Всемирного продовольственного форума ООН, состоявшегося в ноябре 1996 г., производство только риса необходимо увеличить к 2030 г. на 70%.

Из биологических наук прямое отношение к производству пищи имели и имеют микробиология и биохимия, которые непосредственно вовлечены в разработку биотехнологических процессов, основанных на использовании биосинтезирующей способности микроорганизмов.

Уже давно в промышленных условиях осуществляется микробиологический синтез лимонной, щавелевой, итаконовой, глюко-новой и других органических кислот, которые используются в пищевой промышленности.

Как известно, белки растительного происхождения содержат отдельные аминокислоты в очень малых количествах. Это создает значительный дефицит качества кормов, потребляемых сельскохозяйственными животными и птицами. Поэтому еще в начале 60-х гг. в ряде стран был введен промышленный микробиологический синтез аминокислот, включая незаменимые. Сейчас микробиологическим путем получают лизин, аланин, аспараги-новую и глутаминовую кислоты, метионин, триптофан, лейцин и другие аминокислоты, которые широко используют для обогащения кормов.

Значительный удельный вес в микробиологической промышленности занимает производство ферментов. Промышленным путем производят амилолитические, протеолитические, пектиназы и другие ферменты, которые широко используют в пищевой промышленности с целью улучшения вкуса и аромата пищевых продуктов (изготовление сыров, различных кисломолочных продуктов), а также для ферментации соевых бобов и другого сырья.

Определенное значение имеет дешевое производство богатого незаменимыми аминокислотами кормового «одноклеточного» белка (кормовых дрожжей). Подсчитано, что тонны дрожжей, добавленной в корм кур, достаточно для получения дополнительно почти 35 тыс. яиц и 1,5 т куриного мяса. В больших количествах получают также биомассу хлореллы, пасты из которой идут в корм животных, птицы, шелковичного червя. Хлорелла используется также в качестве удобрения.

Микробиологическая промышленность производит в больших количествах различные витамины, которые добавляют в пищевые продукты, а в сочетании с белками добавляют и в корма (белково-витаминный комплекс) для повышения продуктивности животных. Наконец, отметим микробиологическое производство кормовых антибиотиков, используемых для добавки в корм скоту, а также гиб-берелинов и энтомопатогенных препаратов, применяемых в растениеводстве для регуляции роста растений и для защиты их от вредителей.

Сейчас все большее значение приобретают поиски культур микроорганизмов, которые позволили бы придать определенный (желаемый) вкус пищевым продуктам. По грубым подсчетам в мире имеется крупных домашних животных столько же, сколько и людей, т. е. на одного человека приходится одно крупное домашнее животное, а также одна домашняя птица (куры, гуси и Др.), что снижает белковые ресурсы биосферы. Поэтому возникла идея получения пищи из микроорганизмов, минуя животноводство и растениеводство. Специалисты считают вполне возможным получение различных продуктов из микроорганизмов, из которых при сочетании с традиционными видами пищи можно приготовить блюда, сбалансированные по количеству и аминокислотному составу белка и по другим соединениям.

Однако традиционных мер недостаточно в повышении количества и качества пищи. Именно по этой причине производство пищи стало важнейшим направлением генетической инженерии. Задачей этого направления является повышение на принципиально новой основе урожайности сельскохозяйственных растений и, в первую очередь, злаковых культур, как источника хлеба, а также повышение продуктивности сельскохозяйственных животных как источника мяса и мясопродуктов.

В течение длительного периода, начиная с доисторических времен, селекционеры отбирали и размножали растения со свойствами, имеющими агрономический интерес. Этот путь известен в качестве классической селекции.

Однако и древние и современные селекционеры были всегда ограничены в своих успехах, ибо это ограничение определялось ограничениями используемых методов отбора.

Генетическая инженерия распространила свои претензии на создание условий для управления такими процессами, как фиксация азота атмосферы, фотосинтез, цветение растений, водный режим, минеральное питание, транспорт веществ и др., которые, как предполагают, имеют важное значение в формировании агрономически ценных признаков растений.

Говоря о фиксации азота, отметим, что ежегодно во всех странах для повышения урожайности полей в почву вносят около 6 млрд тонн удобрений. Высокоурожайные сорта пшеницы, риса и других культур, внедрение которых в практику в ряде стран вызвало в свое время так называемую «зеленую революцию», нуждаются в огромных количествах азотных удобрений. Однако их производство очень обременено для экономики. Недостатком их является и то, что они усваиваются растениями лишь на 40-50%. Значительная часть их смывается в водоемы дождями и вешними водами, что загрязняет питьевую воду и создает условия для развития в водоемах водорослей, поглощающих кислород.

Между тем, атмосфера состоит на 70% из азота. Но, как известно, главный источник зерна, злаковые, не способны усваивать азот атмосферы. Поэтому возникла идея переноса генов фиксации азота от клубеньковых бактерий, являющихся симбионтами бобовых и способных фиксировать азот атмосферы, к почвенным микроорганизмам, способным обитать в ризосфере злаковых. Результаты уже выполненных генно-инженерных опытов показывают перспективность этой задачи и реальность ее решения в производственном масштабе.

Увеличение продуктивности растений посредством интенсификации фотосинтеза — это одна из старых идей сельскохозяйственной биологии. Однако на пути ее реализации даже генно-инженерным путем имеется много трудностей. Одна из них заключается в том, что мы ничего не знаем о механизмах, которые ограничивают фотосинтез. Именно это пока препятствует использованию генетических манипуляций применительно к фотосинтезу.

Важной задачей генной инженерии являются поиски путей обеспечения растений генами, контролирующими сроки цветения. Такие гены должны контролировать цветение растений лишь в определенное время года, что позволит уменьшить зависимость земледелия от климатических и метеорологических факторов. Этот вопрос решают введением генов от быстрозацветающих растений в клетки растений, зацветающих в более поздние сроки. Например, установлено, что введение генов, контролирующих цветение растений Arabidopsis, в клетки осины сопровождалось развитием трансгенных осин, зацветающих в 7-месячном возрасте. Осины обычно зацветают лишь в 8-летнем возрасте. Известно, что некоторые растения содержат гены резистентности (R-гены), которые обеспечивают их устойчивость к вирусам, бактериям или грибам, являющимся возбудителями болезней растений. Эти гены кодируют в растениях рецепторные белки. Связываясь с продуктами генов, обеспечивающими патогенность микроор1"анизмов, R-контролиру-емые рецепторные белки включают в действие факторы защиты растений. Однако естественной защиты недостаточно во всех случаях для предупреждения болезней культивируемых растений.

Поэтому не меньший интерес представляют также генно-инженер-ные разработки с целью создания растений с повышенной устойчивостью к заболеваниям. Как известно, ресурсы пахотных земель в мире давно исчерпаны, а сейчас даже уменьшаются в связи с деятельностью человека. Между тем одну треть земной поверхности составляют пустыни, полупустыни и сухие саванны. Оскудение ресурсов и рост народонаселения заставляет искать новые сорта и виды сельскохозяйственных растений, которые можно было бы культивировать в пустыне, орошаемой морской водой (неопресненной). Поэтому уже давно ведутся работы, направленные на создание растений — галофитов, способных использовать морскую воду, или растений с меньшей потребностью в воде, когда их культивирование не связано с орошением.

На генетическую инженерию возлагают надежды в плане разработки способов обеспечения растений генами, которые контролируют их устойчивость к заморозкам, засухе и другим неблагоприятным факторам в сельском хозяйстве разных географических зон.

Одно из направлений генетической инженерии в области производства пищи связано с разработкой методов введения генов от животных в геном растений. Как предполагают, это позволит добиться качественного изменения хлеба, сходство его с продуктами животного происхождения. То, что уже удалось ввести гены ин-терферона в табачные и другие растения, делают это направление перспективным.

Как отмечено выше, генетические манипуляции с изолированными клетками растений (клональное микроразмножение растений) позволяют резко сократить сроки размножения многих видов растений, а также вопроизвести одно и то же растение в сотнях тысяч экземпляров, причем незараженных возбудителями болезней, что исключительно важно для сельскохозяйственной практики. Получение сельскохозяйственных растений из одной клетки и дальнейшее клонирование их обещает выведение сортов растений, устойчивых к вирусам, бактериям и грибам, способным вызывать болезни.

Известно, что в сельскохозяйственной практике давно и с успехом используют для повышения урожайности гибридизацию растений и, в частности, отдаленную гибридизацию, под которой понимают скрещивание растений, принадлежащих к разным видам и родам. В разработку теории отдаленной гибридизации и в получение практических результатов в этой области существенный вклад внесли русские ученые Н. И. Вавилов, Г. Д. Карпе-ченко, А. И. Державин, Н. В. Цицин и другие. Однако отдаленная гибридизация растений связана с затратой многих лет работы, ценность генетической инженерии здесь заключается в том, что она открыла перспективы для значительного сокращения сроков получения отдаленных гибридов, а также почти неограниченного использования видового И родового разнообразия растений в качестве исходных форм. Получение отдаленных гибридов стало возможным на основе слияния протопластов отдельных растительных клеток либо на основе трансформации клеток с помощью чужеродной ДНК или с помощью плазмид.

По существу, речь идет о чрезвычайно быстром преодолении генетической несовместимости растений, т. е. о перспективах гибридизации растений отдельных видов или родов с помощью современных методов. Реализация этих перспектив уже привела к некоторым результатам, в частности, к получению новых форм в виде так называемых соккура (соя + кукуруза), сотаба (соя + табак) и табапета (табак + петуния). Осуществлены также эксперименты по получению картомидора (картофель + помидор). Растения, развившиеся из отдельных гибридных клеток, еще не имеют той хозяйственной ценности, которой от них ожидают. Поэтому предстоит еще многое сделать для доработки как самих методов получения отдаленных гибридов, так и сохранения хозяйственнополезных признаков этих гибридов. Но то, что в ряде стран уже культивируют на значительных площадях генно-инженерные сорта кукурузы, сои и томатов, порождает надежду, что в ближайшие годы в сельскохозяйственное производство войдут принципиально новые методы получения растений с заданными свойствами, включая такие растения, которые не существовали в природе раньше.

Поиски новых способов повышения продуктивности животноводства на основе методов генетической инженерии проходят в трех направлениях, а именно: «конструирование» животных с заданными свойствами путем пересадки генов, клонирование животных путем клонирования клеток после разделения эмбрионов и трансплантаций эмбрионов.

Возможность «конструирования» животных с заданными свойствами путем пересадки генов показана в экспериментах, в которых удалось пересадить крысиный ген гормона роста в оплодотворенные яйцеклетки мышей, которые затем были имплантированы в матки мышей — приемных матерей. Некоторые из появившихся на свет мышат продуцировали чужой гормон роста в очень больших количествах и по этой причине значительно переросли своих собратьев, став мышами-гигантами. Исследования в этом направлении углубляются с каждым годом, принося новые результаты. С помощью пересадки генов предполагают вывести коров, вес которых будет в несколько раз большим по сравнению с весом коров существующих пород, а удои будут достигать до 20 000 кг молока в год.

Большие возможности таит в себе метод клонирования животных, который уже применяют в случае крупного и мелкого рогатого скота. Обычно измельчают эмбрионы, состоящие из 60—80 клеток, которые имплантируют в организм приемных матерей. Следовательно, в принципе можно получать из одного эмбриона несколько десятков животных.

Трансплантации эмбрионов — это, вероятно, наиболее развитое направление в рассматриваемой области, успехи которого связаны, как уже отмечено выше, с разработкой способов индукции полиовуляции, искусственного оплодотворения клеток и имплантации эмбрионов в организм животных. С помощью этого метода уже произведены сотни тысяч телят.

Новые методы обладают чрезвычайно важными преимуществами, обеспечивающими несомненный прогресс в этой области. Они позволяют прежде всего ускорить разведение животных с высокими хозяйственными качествами.

Кроме того, они позволят сохранить ценный генофонд, т. к. «вымытые» эмбрионы можно консервировать замораживанием и хранить неопределенно долгий срок. Этот способ удешевляет транспортировку животных, ибо рентабельнее транспортировать замороженные эмбрионы в пробирке, нежели самих животных.

§ 114 ПРОИЗВОДСТВО ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

И НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Это направление генетической инженерии связано с решением другой глобальной проблемы, которая касается производства энергии и материалов. В связи с неизбежным истощением мировых запасов природных энергоносителей исключительное значение приобрело создание индустрии, связанной с использованием растительного сырья для получения моторного топлива. В обозримом будущем, вероятно, будут найдены заменители нефтепродуктов. Предполагается, что бензин будет полностью заменен этиловым спиртом. Поэтому идут поиски микроорганизмов, пригодных для создания более эффективной технологии получения дешевого этилового спирта из растительного сырья на основе ферментации. Заметим, что дешевый этиловый спирт необходим также для производства растворителей, красок, смазочных и клеящих материалов, детергентов, смол для синтетических волокон, лекарственных веществ и т. д.

Известны попытки создать технологию получения этилового спирта из бумажной макулатуры с помощью генно-инженерных штаммов микроскопических грибов.

Генетическая инженерия вовлечена в разработку способов получения искусственной сырой нефти, а также способов получения «биогаза» из сырья различного происхождения.

С генетической инженерией связывают прогресс в области создания технологии новых материалов. Уже найдены микроорганизмы, которые размножаются в аэрируемой среде, представляющей собой смесь метилового спирта, аммония и других неорганических соединений.

Некоторые из утилизирующих метиловый спирт микроорганизмов способны синтезировать полимер, напоминающий синтетический полиэфир, но отличающийся от него хрупкостью. Сейчас проводятся исследования с целью «уподобить» структуру этого полимера структуре полиэфира и использовать затем этот полимер для изготовления из него тканей с особыми свойствами.

Речь идет о реальной перспективе разработки научных и технологических основ текстильной промышленности нового типа, в которой производителями тканей станут микроорганизмы, сконструированные генно-инженерными методами.

В настоящее время ищут методы ферментативного синтеза окиси пропилена, необходимого в производстве пластических масс. Это направление имеет ряд преимуществ по сравнению с химическим синтезом. Уже найдены микроорганизмы, синтезирующие ферменты для этих целей.

§ 115 ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ И МЕДИЦИНА

Генная инженерия оказалась очень перспективной для медицины, прежде всего, в создании новых технологий получения физиологически активных белков, используемых в качестве лекарств (инсулин, соматостатин, интерфероны, соматотропин и другие). Инсулин используют для лечения больных диабетом, который стоит на третьем месте (после болезней сердца и рака) по частоте вызываемых смертельных случаев. Мировая потребность инсулина составляет несколько десятков килограммов. Традиционно его получают из панкреатических желез свиней и коров, но гормоны этих животных слегка отличаются от инсулина человека. Инсулин свиней различается по одной аминокислоте, а коровий — по трем. Считают, что инсулин животных часто вызывает побочные эффекты. Хотя химический синтез инсулина осуществлен давно, но до сих пор промышленное производство гормона оставалось очень дорогим. Сейчас получают дешевый инсулин с помощью генно-инже-нерного метода путем химикоферментативного синтеза гена инсулина с последующим введением этого гена в кишечную палочку, которая затем синтезирует гормон. Такой инсулин более «биологичен», т. к. химически идентичен инсулину, вырабатываемому клетками поджелудочной железы человека.

Интерфероны — белки, синтезируемые клетками главным образом в ответ на заражение организма вирусами. Интерфероны характеризуются видовой специфичностью. Например, у человека установлены три группы интерферонов, продуцируемых различными клетками под контролем соответствующих генов. Интерес к интерферонам определяется тем, что их широко используют в клинической практике для лечения многих болезней человека, особенно вирусных.

Имея крупные размеры, молекулы интерферона малодоступны для синтеза. Поэтому большинство интерферонов сейчас получают из крови человека, но выход их при таком способе получения небольшой. Между тем потребности в интерфероне исключительно велики. Это поставило задачу изыскать эффективный метод производства интерферона в промышленных количествах. Генетическая инженерия лежит в основе современного производства «бактериального» интерферона.

Усилилось влияние генетической инженерии на технологию тех лекарственных веществ, которые уже давно создаются по биологической технологии.

Еще в 40-50-е годы была создана биологическая промышленность для производства антибиотиков, которые составляют наиболее эффективную часть лекарственного арсенала современной медицины. Однако в последние годы отмечается значительный рост лекарственной устойчивости бактерий, особенно к антибиотикам. Причина заключается в широком распространении в микробном мире плазмид, детерминирующих лекарственную устойчивость бактерий, именно поэтому многие знаменитые ранее антибиотики утратили свою былую эффективность Единственный пока путь преодоления резистентности бактерий к антибиотикам — это поиски новых антибиотиков. По оценкам специалистов в мире ежегодно создают около 300 новых антибиотиков. Однако большинство из них либо неэффективно, либо токсично. В практику же каждый год вводится лишь несколько антибиотиков, что заставляет не только сохранять, но и увеличивать мощности антибиотической промышленности на основе генноинженерных разработок.

Для лечения паразитарных и многих неинфекционных болезней в течение длительного времени используют лекарственные вещества, полученные в процессе химического синтеза, однако некоторые из них вредны для организма.

Поэтому наметилась тенденция расширить производство микробных метаболитов (других, кроме антибиотиков), перспективных в качестве лекарственных веществ. Еще в начале XX в. В. Л. Омелянский разработал теоретические основы учения о трансформирующей активности микроорганизмов. Вызывая окисление, восстановление, гидратацию, дегидратацию, полимеризацию и другие реакции, микроорганизмы многих видов способны изменять субстрат, на который они воздействуют, трансформировать химические соединения. В настоящее время на трансформирующей способности микроорганизмов основан ряд производств, выпускающих из стероидного сырья растительного происхождения вещества с фармакологическими свойствами. Например, с помощью микроскопических грибов трансформируют стероидные соединения в кортизон и гидрокортизон. Актиномицеты и бактерии используются для производства преднизолона, диакабола и т. д., имеющих большое значение в медицине.

Основные задачи генной инженерии в тех технологиях лекарственных веществ, в которых продуцентами лекарств являются микроорганизмы, определяются необходимостью генно-инженерной реконструкции последних с целью повышения их активности. В то же время началась реализация идеи создания лекарств в виде малых молекул, что способствует их большей эффективности.

Иммунная биотехнология связана с производством, прежде всего вакцин нового поколения для профилактики инфекционных болезней человека и животных.

Первыми коммерческими продуктами, созданными с помо1цью генетической инженерии, стали вакцины против гепатита людей', ящура животных и некоторые другие. Исключительно важное направление в этой области связано с производством моноклональных антител, реагентов, необходимых для диагностики возбудителей болезни, а также для очистки гормонов, витаминов, белков различной природы (ферментов, токсинов и других).

Значительный практический интерес представляет метод получения искусственного гемоглобина путем введения гемоглобино-вых генов в растения табака, где под контролем этих генов продуцируются а- и р-цепи глобина, которые объединяются в гемоглобин. Синтезируемый в клетках табачных растений гемоглобин полностью функционален (связывает кислород). Клеточная инженерия в применении к человеку связана не только с решением фундаментальных проблем биологии человека, но и с преодолением прежде всего женского бесплодия. Поскольку частота положительных случаев имплантации в матку женщин эмбрионов, полученных in vitro, является небольшой, то получение монозиготных близнецов-эмбрионов in vitro также имеет значение, поскольку увеличиваются возможности повторных имплантаций за счет «запасных» эмбрионов.

В использовании генетической инженерии применительно к проблемам медицины особое значение приобрела задача разработки генно-инженерных методов радикального лечения наследственных болезней, которые, к сожалению, еще не поддаются лечению существующими методами. Содержание этой задачи заключается в разработке способов исправления (нормализации) мутаций, результатом которых являются наследственные болезни, и в обеспечении передачи «исправлений» по наследству. Считают, что успешной разработке генно-инженерных методов лечения наследственных болезней будут способствовать данные о геноме человека, получаемые в результате выполнения международной научной программы «Геном человека».

§ 116 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ

ИНЖЕНЕРИИ

Подняв на новый уровень биотехнологию, генетическая инженерия нашла также применение в разработке способов определения и устранения загрязнений окружающей среды. В частности, сконструированы штаммы бактерий, которые являются своеобразными индикаторами мутагенной активности химических загрязнителей. С другой стороны, генно-инженерным способом сконструированы штаммы бактерий, которые содержат плазмиды, под контролем которых происходит синтез ферментов, способных разрушать многие химические соединения-загрязнители среды обитания. В частности, некоторые плазмидосодержащие бактерии способны разлагать до безвредных соединений нефть и нефтепродукты, оказавшиеся в среде в результате различных аварий или других неблагоприятных причин.

Однако генетическая инженерия — это превращение генетического материала, которое в природе отсутствует. Следовательно, продукты генной инженерии — это абсолютно новые продукты, не существующие в природе. Поэтому она сама по себе из-за неизвестности ее продуктов таит опасность как для природы и среды обитания, так и для персонала, работающего в лабораториях, где используют методы генетической инженерии или работают со структурами, созданными в ходе генно-инженерных работ.

Поскольку возможности клонирования генов безграничны, то еще в самом начале этих исследований среди ученых возникли вопросы о природе создаваемых организмов. Одновременно были высказаны предположения о ряде нежелательных последствий этой методологии, причем эти предположения нашли поддержку и среди широкой общественности. В частности, появились вопросы о свойствах бактерий, получивших в генно-инженерных экспериментах гены животных. Например, сохраняют ли бактерии Е. coli свою видовую принадлежность из-за содержания введенных в них генов животного происхождения (например, гена инсулина) или их следует считать новым видом? Далее, насколько долговечны такие бактерии, в каких экологических нишах они могут существовать? Но самое главное стало заключаться в появлении опасений, что в ходе производства и манипуляций с рекомбинантными молекулами ДНК могут быть созданы генетические структуры со свойствами, непредвиденными и опасными для здоровья человека, для исторически сложившегося экологического равновесия. Тогда же начались и призывы к мораторию на генетическую инженерию. Эти призывы вызвали международный резонанс и повели к международной конференции, которая состоялась в 1975 г. в США и на которой широко обсуждались возможные последствия исследований в этой области. Затем в странах, в которых стала развиваться генетическая инженерия, были выработаны правила работы с рекомбинантными молекулами ДНК. Эти правила направлены на исключение попадания в среду обитания продуктов деятельности генно-инженерных лабораторий.

Другой аспект нежелательных последствий генно-инженерных работ связан с опасностью для здоровья персонала, работающего в лабораториях, где используют методы генетической инженерии, поскольку в таких лабораториях используют фенол, этидий бромид, УФ-излучение, которые являются вредными для здоровья факторами. Кроме того, в этих лабораториях существует возможность заражения бактериями, содержащими рекомбинантные молекулы ДНК, контролирующие нежелательные свойства, например, лекарственную резистентность бактерий. Эти и другие моменты определяют необходимость повышения уровня техники безопасности в генно-инженерных работах.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. Каковы научные и социальные предпосылки формирования разных направлений в использовании генетической инженерии?

2. Что вы можете сказать о результативности генетической инженерии в растениеводстве?

3. Можно ли с помощью методов генетической инженерии повысить продуктивность животноводства? Если да, то каким образом?

4. Действительно ли реальны надежды на генную инженерию в создании новых источников энергии и новых материалов?

б. Что Вы знаете о роли генетической инженерии в создании лекарств и иммунопрепаратов? Приведите примеры успехов в этой области.

6. Каковы возможности генетической инженерии в охране среды обитания?

7. Существуют ли опасности в работе персонала генно-инженерных лабораторий? Если да, то назовите их.

ЛИТЕРАТУРА

Бирс Р.. Басит Э. (ред). Рекомбинантные молекулы: значение для науки и практики (пер. с англ.). М.: Мир. 1960. 624 стр.

Holland H.,Petersen U. Living Dangerously. Prinston University Press. 1995.

210 pp.

Hunter-Cevera J.. Belt A. Maintaining Cultures for Biotechnology and Industry. Academic Press. 1995. 242 pp.

Russo E., Cove D. Genetic Engineering. WH Freeman. 1995. 255 pp.

ГЛАВА XXII

ФИЛОСОФСКИЕ, СОЦИАЛЬНЫЕ

И ЭТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ

На протяжении многих веков у всех, кто интересовался проблемами жизни, всегда были различия во взглядах на живой мир, в оценках свойств, характерных для живых существ, в обсуждении бытия человека, причем характер этих взглядов зависел от исторической эпохи, в которой они формировались.

Древнегреческие философы, будучи стихийными материалистами, рассматривали мир в качестве единого материального целого, которое находится в вечном возникновении и исчезновении, в непрерывном движении и в изменениях. Эти взгляды в истории философии получили название эллинского мировоззрения.

Особенно большое внимание в эллинском мировоззрении уделялось человеческой природе. Оценивая очень высоко человека вообще, древнегреческая философия придавала большое значение его телу и образу жизни. Греки отстаивали гармоничное развитие всех природных способностей, заложенных в человеке с целью формирования его нравственного поведения. Однако с упадком античной цивилизации оптимистический взгляд на природу человека уступил место новому взгляду, в соответствии с которым тело человека есть оболочка его души, причем тело ничтожно, но душа чиста.

Пренебрежение к телу и возвеличивание души стало одним из важнейших моментов христианства. В IV—V вв. н. э. высшим идеалом стремлений человека в христианстве стало подавление чувственной стороны природы человека. С этого времени латинская церковь ввела даже безбрачие, которое достигло высшего уровня к концу Х — началу XI в. В более поздние времена положение вновь изменилось. Эпоха реформации способствовала возрождению эллинских взглядов на природу и бытие человека. Стала провозглашаться необходимость развития всех естественных свойств человека. Природа человека для французских материалистов оказалась основой их учения о нравственности, причем одинаковой независимо от типа религиозных убеждений людей.

В XIX в. роль философии стала еще большей. Ч. Дарвин анало-гизировал нравственность с «общим благом», под которым он понимал развитие возможно большего числа здоровых и сильных особей, со всеми способностями, в наиболее совершенной степени развития. Однако из-за нерешенности проблема природы человека перешла и в наше время, превратившись в проблему взаимоотношений социальных и биологических факторов в развитии человека (см.

ниже).

В древнейшие времена зародилось также учение, названное витализмом.

Виталисты считали, что в основе жизни лежит особое сверхъестественное непознаваемое начало («жизненная сила», «органическая сила», «архей» и Др.), которое возникает раньше организма, но направляет его. Мысль о создании живого творцом перешла в средневековье (V-XV вв.). В то же время на основе идеализма возникает креационизм (от лат. creator — творец) — учение о создании живого путем акта творения и о неизменяемости всего живого. Исходя из того, что изначальность всего живого создана творцом, креационисты объясняли многообразие живых существ в соответствии с Библией и положениями теологии (от греч. teos — бог, logos — наука), тогда как органическую целесообразность они объясняли теологически (от греч. teleos — стремящийся к цели) — «мудрой предусмотрительностью», «высшей мудростью» творца. Теологические и телеологические взгляды в средневековье совпали с виталистическими представлениями о природе. Эти представления укрепились в период средневековья по той причине, что в то время сложность организации живых существ казалась не поддающейся объяснению. Однако, несмотря на господство креационизма, в средние века все же шла жестокая борьба между рациональными представлениями и теолого-мисти-ческими взглядами на природу, между проявлениями интересов к природе как реально существующей и символикомистическим восприятием мира.

В XVII-XVIII вв. формируются материалистические взгляды на живую природу среди французских философов. Доказывая материальность души, зависимость психики от тела, т. е. отстаивая первичность материи и вторичность сознания, французские философы защищали материализм. В частности, Р. Декарт (1569-1650) ввел понятие о «животном-машине», считая, что животные являются механизмами, возникающими по законам механики, а Ж. Ламет-ри (1709-1751) ввел и обосновал понятие о «человеке-машине». Однако, понимая организмы в качестве суммы частей, действующих в соответствии с законами физики и химии, французские материалисты все же не замечали специфики живого. Несомненно, что их взгляды означали существенное продвижение вперед, но их материализм все же был механистическим.

Чрезвычайно быстрое накопление научных данных о живых организмах в XVII-XVIII вв. вело к дифференциации наук, которая была очень полезной в изучении природы вообще и сопровождалась выяснением закономерностей, которые были очень полезны для развития производительных сил. Но дифференциация наук имела тогда и негативные последствия, ибо вела к безвозвратному расчленению природы в сознании естествоиспытателей и философов. В рамках представлений, обусловленных дифференциацией наук, им казалось, что природа состоит из отдельных предметов и процессов, не связанных между собой, что между природными явлениями нет ни единства, ни взаимосвязи. В результате таких оценок возникали мысли о неизменяемости природы, об отсутствии в ней развития и, самое главное, о том, что природа всегда была такой, какой она есть сейчас. Так формировались метафизические представления. Сейчас можно отметить, что, возможно, это был самый трудный этап в развитии знаний о живой природе. Положение осложнилось еще и тем, что Ф. Бэкон (1561и Д. Локк (1632-1704) перенесли метафизический способ познания природы из естествознания в философию, а это означало укрепление метафизического способа мышления, который, как отмечал еще И. И. Мечников, ничего не имеет общего с наукой.

На основе креационизма в XVII-XVIII вв. возник и значительно распространился преформизм, сторонники которого полагали, что в яйцеклетке (или сперматозоиде) уже содержится преформи-рованный (полностью сформированный) организм и что в дальнейшем все сводится лишь к его росту, увеличению размеров. Будучи метафизическим от начала до конца, преформизм сразу же сомкнулся с распространенными тогда общими метафизическими представлениями о постоянстве (неизменяемости) видов, о неизменяемости органического мира. В практическом плане все это значительно тормозило развитие биологии.

В XVII-XVIII вв. широко распространилось учение и об эпигенезе, сторонники которого полагали, что организм возникает из гомогенной бесструктурной массы. Для своего времени учение об эпигенезе было прогрессивным, ибо близко подходило к материалистическому пониманию развития, что в значительной мере способствовало возникновению эволюционизма в биологии.

Однако оно было односторонним, т. к. в нем не принималось во внимание взаимодействие внутреннего и внешнего в развитии зародышей (организмов).

В противоположность креационизму в XVII в. возник трансформизм (от лат. transformatio — развертываю), в соответствии с которым допускалась изменяемость живого, но вне связи с поступательным характером развития (от низших организмов к высшим). В XVIII в. и в первой половине XIX в. между креационизмом и трансформизмом проходила очень острая борьба, переросшая в борьбу креационизма с эволюционизмом. Поэтому во второй половине XIX в.

борьба идей в биологии пошла в основном вокруг идеи развития вообще и дарвиновской теории эволюции, в частности. Благодаря Ч. Дарвину во второй половине XIX в. из биологии был изгнан креационизм или, по крайней мере, ему был нанесен сокрушительный удар, в результате которого была сокрушена господствовавшая веками метафизическая доктрина неизменяемости видов. Это сопровождалось тем, что идея развития проникла во все биологические науки, вызвав новые подходы к пониманию научной картины мира. Дарвинизм оказался мощнейшим естественнонаучным обоснованием диалектического материализма, который стал философским фундаментом биологии.

Однако в XIX в. значительное распространение получили и антидарвиновские концепции эволюции. С дарвинизмом стали конкурировать концепции неоламаркизма (механоламаркизм, орто-ламаркизм, психоламаркизм). Благодаря Э. Геккелю возник социал-дарвинизм, сторонники которого признавали роль естественного отбора в развитии человеческого общества и возникновении классов. Появилась также теологическая концепция эволюции, по которой органический мир является результатом развития, стремящегося к высшей цели и руководимого разумом (духовным началом).

В XX в. на смену витализма пришел неовитализм, основатель которого немецкий биолог Г. Дриш (1876-1941) считал, что строение и жизнедеятельность организма предопределяется и управляется особой жизненной силой, идеей, существующей вне пространства, но действующей в пространстве и названной заимствованным у Аристотеля термином «энтелехия». Г. Дриш утверждал также, что «энтелехия» является ведущей, если не единственной причиной эволюции. Новая вспышка неовитализма произошла в наше время в результате абсолютизации наиболее эффективных методов изучения молекулярного уровня организации живого, недооценки сущности этого уровня и специфики биологических макромолекул. Неовитализм стал проявляться в стремлении рассматривать макромолекулы нуклеиновых кислот и белков в качестве «живых» молекул. Переоценкой элементарных молекулярных структур современные неовиталисты стараются опровергнуть материалистическую сущность мира, т. е. извратить научную картину мира. На виталистической основе возникли представления о «жизненном плане», носителем которого является «номофор», представляющий собой нематериальный фактор организма. На виталистической основе в последние годы вновь стал проявляться и механицизм, заключающийся в сведении живой материи к простым элементам и в признании существования якобы единой унифицированной структуры материи, гомогенной по своим свойствам и не претерпевающей развития. Многообразие и единство мира механицистами превращается в единообразие, а качественные различия заменяются представлениями о простых количественных различиях в сочетаниях одинаковых молекулярных структур. Как видно, речь идет об отрицании идеи развития.

Виталистические и механистические толкования молекулярного уровня организации живой материи ведут к идеализму. Между тем современные естественно-научные данные подтверждают положение о материальном единстве мира. Структура, рост и размножение клеток происходит по тем же законам, которые определяют поведение различных молекул, находящихся в клетке. Но именно рост и размножение являются важнейшими свойствами живого.

Креационизм, как и витализм, тоже оказался очень живучим. В наше время он вновь возродился, причем даже возникли стремления придать креационизму статус официальной науки, сделать его «научным» и опять противопоставить теории эволюции. Современные креационисты полагают, что Земля и Вселенная (вещество, энергия и жизнь) возникли внезапно и относительно недавно (10 тыс. лет назад), причем «из ничего». Они придают большое значение в истории Земли катастрофам, включая всемирный потоп. Признавая недостаточность мутаций и естественного отбора в эволюции, считают, что она компенсируется действием сверхъестественных сил. «Научные» креационисты развивают положение о раздельном происхождении человека и обезьяны, чем пытаются опровергнуть положение о естественном происхождении человека.

Недостатки биологического образования населения позволили в наше время довольно широкое распространение креационизма. Например, в США по опросам 1991 г. оказалось, что в креационизм верят около 47% опрошенных. Больше того, бывший президент США Р. Рейган в одной из своих речей высказал сомнения относительно справедливости даже теории эволюции. Между тем новейшие достижения биологических наук дали новые подтверждения справедливости теории эволюции, новые свидетельства в пользу естественного происхождения человека. ' Достижения биологических наук обострили ряд старых проблем и выдвинули новые проблемы социального значения. Если в конце XIX — начале XX в. в числе обсуждавшихся проблем социального звучания в нравственном аспекте называли целесообразность продления жизни человека, возможность или невозможность : экспериментов на животных и человеке, а также необходимость а лечения венерических болезней, то в наше время обострился ин-| терес к проблеме, связанной с ростом народонаселения и вытекающими из этого последствиями. На протяжении последнего тысячелетия и особенно в период новейшей истории население мира неуклонно росло. Например, если в 1961 г. оно составило более 3 млрд людей, то в 1996 г. оно уже достигло почти 6 млрд. Удвоение населения мира предполагается и в ближайшие 35 лет.

Каковы последствия этого явления?

Еще до нашей эры выдающийся представитель греческой цивилизации Платон (около 428-348 гг. до н. э.) в своем сочинении «Законы» предлагал регулировать численность популяций (населения), устанавливая его количество соответственно размерам занимаемой территории и наличию достаточного количества жилищ. Платон рассматривал популяции людей в качестве структурных единиц, а граждан государства — в качестве структурных единиц популяции, причем предлагал регулировать численность популяции путем воздействия факторов, повышающих или понижающих размеры популяции. Повышение частоты рождаемости Платон считал «премией», а понижение рождаемости должно было быть результатом устанавливаемого общественным мнением «позора». С точки зрения современной науки рассуждения Платона представляют собой чистейшую спекуляцию, ибо они не могут быть подтверждены научным подходом в виде наблюдения или эксперимента. Тем не менее эта спекуляция оказалась полезной в позднейшие времена для формирования взглядов на структуру и свойства популяций людей.

Аристотель считал полезным принятие закона, ограничивающего рождаемость путем абортов. Следует вспомнить, что аборты не запрещались ни в Древней Греции, ни в Древнем Риме.

В христианском мире к регулированию народонаселения обращались неоднократно.

Особенно интерес к регулированию народонаселения обострился, когда в 1798 г. англичанин Томас Мальтус (1766-1834) представил новый подход к пониманию природы популяций людей. Задавшись целью выяснить, всегда ли подвержены люди бедности, голоду, болезням и войнам и может ли человек улучшить свою жизнь, Т. Мальтус сформулировал представления о факторах (силах), которые регулируют размеры популяции людей, причем его представления основывались на признаниях двух важнейших допущений, а именно: человеку для существования необходима пища, с одной стороны, человек будет репродуцировать себя непрерывно, с другой. Руководствуясь этими допущениями, Т.

Мальтус предположил, что репродукция популяции человека идет в геометрической прогрессии, тогда как количество пищи производится популяцией в арифметической прогрессии (рис. 231). В результате этого размеры популяции неизбежно оказываются ограниченными количеством пищи, т. е. из-за недостатка пищи размеры популяции не могут увеличиваться далее геометрически. В доказательство своих заключений Т. Мальтус приводил данные о росте населения в английской колонии (США) в Америке и в самой Великобритании. В английской колонии (США) население в период с 1643 г. по 1760 г. выросло с 200 человек до 500 тыс, причем размеры популяции удваивались каждые лет, т. е. росли в геометрической прогрессии. Т. Мальтус подчеркивал, что это была популяция, имевшая достаточное жизненное пространство и достаточное количество пищи. За это же время популяция людей (население) на Британских островах увеличилась лишь незначительно, что определилось недостатком пищи и эмиграцией. Кроме того, проследив судьбу свыше 250 известнейших английских семей на протяжении длительного времени и увидев снижение их численности, Т. Мальтус заключил, что размеры популяции зависят от количества пищи, а рост популяции контролируется голодом и болезнями, т. е. идет борьба за существование.

Теория Т. Мальтуса была использована Дарвином для формирования представлений о роли борьбы за существование в естественном отборе. Тем не менее она все время вызывала возражения, т. к. не могла решить вопрос о последствиях роста населения.

В начале нашего века И. И. Мечников также пришел к заключению, что превышение потребностей организмов над средствами к их удовлетворению составляет основной разлад в. природе, который все же может гармонизироваться либо приспособлением организмов к новым условиям, либо уменьшением их плодовитости. Однако в случае человека эта гармонизация может достигаться сознательно либо путем увеличения средств к существованию, либо ограничением рождаемости. Как писал И. И. Мечников в 1907 г. «...по законам природы человек в состоянии очень сильно размножаться, однако идеал его благоденствия требует ограничения плодовитости».

В настоящее время достигнута ясность, что рост мирового народонаселения в современных масштабах, действительно, вызовет трудности в обеспечении людей продовольствием и доброкачественной водой. Важнейшая причина здесь заключается в том, что жизненное пространство (размеры Земли) никогда не увеличится, а рост производительности сельского хозяйства неизбежно будет остановлен на определенном уровне, поскольку конечная урожайность сортов растений и продуктивность пород животных, которая может быть достигнута в обозримом будущем, неизбежно будет ограничена их нормой реакции.

Следовательно, если предположить даже максимально возможный уровень производства продовольствия, то этому уровню могут соответствовать лишь определенные размеры популяций людей. Следовательно, возникнет необходимость регулирования численности населения путем ограничения рождаемости. Между тем решение проблемы регулирования роста народонаселения мира путем ограничения рождаемости встречает серьезные затруднения. Одни считают регулирование нравственным, другие — безнравственным решением. В одних странах ограничение рождаемости невозможно из-за существующих стандартов жизни и образования, тогда как в других, напротив, по религиозным причинам рождаемость стимулируется.

Другой социальной проблемой глобального значения является проблема сохранения экологического равновесия на Земле (сохранения окружающей среды). Сейчас совершенно ясно, что индустриально развитые страны, используя достижения научно-технической революции и безудержно эксплуатируя природные ресурсы, смогли обеспечить высокий уровень потребления. Но при этом нарушение ими экологического равновесия поставило мир перед катастрофой. Стремясь решить свои проблемы, менее развитые страны также увеличивают активность в биосфере, что еще в большей мере повышает экологическую угрозу. Стало ясно, что все действия в мире должны осуществляться в свете понимания этой угрозы и разработки мер по ее недопущению.

В связи с непреодолимо углубляющейся деятельностью человека в биосфере возникла проблема, которая может быть определена как проблема «человек, природа и общество». Речь идет о том, как человек и общество в целом должны строить свои отношения с природой, чтобы не оказаться в какой-то момент лицом к лицу с безнадежно разрушенной природой. В разное время вопросы взаимоотношений человека (общества) с природой решались поразному, но часто не в пользу природы.

Современные данные биологии вообще и экологии в частности помогают формированию мысли о том, что в наше время основной парадигмой мирового развития должно стать обеспечение экологической безопасности. Однако это может быть обеспечено только в результате тесного международного сотрудничества. Между тем разные страны подходят к этой проблеме по-разному. Поэтому их разрозненность сопровождается малой эффективностью, что не позволяет решать проблему на достаточном уровне. Необходимы новые международные отношения, ибо сохранение окружающей среды — это самая приоритетная задача человечества. Заглядывая в будущее человечества, можно сказать, что оно будет связано с качеством жизни, со здоровьем человека, с подлинным осуществлением мер по сокращению среды обитания.