100 великих научных открытий

Очевидно, в будущем ученые научатся клонировать органы человека, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания.

Генетический код

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение. И почему дети – идет ли речь о людях, животных, растениях или микроорганизмах – похожи на своих родителей, бабушек, дедушек, дальних родственников?..

После открытия ДНК – молекулы, которая содержит инструкции для производства белков, выполняющих всю основную работу в клетке, – ученым захотелось выяснить подробности процесса копирования и переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка. Уже было известно, что белки – это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) 20 аминокислот. Все виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Ученые догадывались, что эти последовательности задаются генами – базовыми «кирпичиками» жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес один из авторов теории Большого взрыва, физик Георгий Гамов – сотрудник Университета Джорджа Вашингтона. Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген – это определенный участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев-нуклеотидов.

В каждой такой последовательности заключена наследственная информация. Наименьшей ее единицей после нуклеотида являются три соседствующих нуклеотида – триплет. Расположенные один за другим триплеты и составляют ген. Поскольку каждый нуклеотид – это одно из четырех азотистых оснований (аденин – А, гуанин – Г, цитозин – Ц, тимин – Т), нужно было выяснить, как четыре элемента могут кодировать 20 аминокислот. В этом и состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х ученые установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах – своего рода «фабриках» внутри клетки. Приступая к синтезу белка, фермент приближается к матрице ДНК, распознает информацию, закодированную чередованием нуклеотидов на определенном участке цепи, и синтезирует копию гена в виде маленькой одноцепочечной РНК (ее называют матричной, или мРНК от англ. messenger – переносчик, посланник). Это процесс транскрипции. На следующем этапе мРНК переносит информацию из ядра в цитоплазму, к рибосоме – важнейшей органелле клетки, где синтезируется белок. Внутри рибосомы к кодонам мРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны транспортной РНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, пептидной связью – сцепляя -аминогруппу (-NH₂) одной аминокислоты и -карбоксильную группу (-СООН) другой. Получается белок. Это – трансляция. Первичная структура определяет не только способ формирования молекулы белка, но и ее ферментативную, структурную либо регуляторную функцию.

То, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида, Фрэнсис Крик выяснил в ходе экспериментов с вирусом фаг Т4. Триплет – единица кода – получила название «кодон». Оставалось понять, как действует шифр.

Сделать это удалось ученым М. Ниренбергу и Г. Маттеи, которые искусственно получили (синтезировали) РНК, состоящую из многократно повторяющегося урацила (поли-У), и использовали ее в качестве мРНК. В каждой из 20 пробирок ученые соединили бесклеточный экстракт Е. coli, содержавший все необходимые компоненты для синтеза белка (рибосомы, тРНК, АТФ и прочие ферменты), поли-У и одну из известных аминокислот. Анализ содержимого пробирок показал, что полипептид образовался только в том сосуде, который содержал аминокислоту фенилаланин.

Так было доказано, что кодон УУУ, входящий в мРНК, шифрует аминокислоту фенилаланин. Аналогичные опыты показали, что триплет ЦЦЦ кодирует аминокислоту пролин, а триплет ААА – лизин. Это открытие стало первым шагом к расшифровке генетического кода.

На основании же дальнейших исследований сформировались его основные свойства:

1. Генетический код триплетен: каждый из 64 кодонов представляет собой три нуклеотида и кодирует, то есть шифрует, только одну аминокислоту.

2. Генетический код является вырожденным: каждая аминокислота может шифроваться более чем одним кодоном. Происходит так из-за того, что у кодонов, определяющих одну и ту же аминокислоту, первые два основания фиксированные, а третье «плавает» и может заменяться другим основанием. Лишь метионин и триптофан кодируются всего одним триплетом. Кодон, соответствующий метионину (АУГ), отвечает за считывание и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК. Триплеты УАГ, УАА, УГА вообще не кодируют аминокислот, потому называются бессмысленными, или нонсенс-кодонами.

3. Генетический код неперекрываем – один и тот же нуклеотид не может входить в два рядом стоящих триплета одновременно.

4. Генетический код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех живых существ на Земле независимо от уровня их организации.

В 1961 г. Ниренберг и Маттеи впервые доложили о своих результатах на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967 г. генетический код полностью расшифровали.

Открытие структуры ДНК и генетического кода переориентировало биологические исследования. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. А недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил заметно продвинуть вперед генную инженерию.

Условные рефлексы

Начало развитию науки о высшей нервной деятельности положил Иван Павлов – выдающийся врач, физиолог и ученый, который открыл условный рефлекс.

Процессами, протекающими в человеческом мозгу, и, в частности, рефлексами Павлов заинтересовался в 1869 г., когда еще учился в рязанской духовной семинарии. Однажды в руки ему попала книга профессора И. Сеченова «Рефлексы головного мозга», и оттуда Павлов узнал, что все происходящее в организме сводится к рефлексам. Как пояснял автор, нервные пути рефлекса образуют рефлекторную дугу, которая состоит из чувствительной ветви, передающей в мозг сигналы от органов чувств, и двигательной ветви, отходящей от мозга и идущей к «рабочим органам» – мышцам и железам. Загоревшись желанием изучить эту теорию глубже, Иван поступил в Петербургский университет на курс физиологии животных, после выпуска устроился на работу в физиологическую лабораторию Устимовича, а затем возглавил собственную лабораторию при клинике Боткина. Именно там он активно занялся вопросами пищеварения, точнее, причинами секреции (выделения) слюны и желудочного сока.

Казалось бы, железистые клетки стенок желудка начинают выделять сок в ответ на поступление пищи. Однако в ходе двух опытов на собаках Павлов доказал, что такое объяснение неверно. Разрезав пищевод собаки, ученый вывел его часть наружу через шею, а на желудок наложил фистулу – трубочку, один конец которой вставляется в стенку органа, а другой выводится на поверхность живота. В результате каждый проглоченный животным кусок еды выпадал, однако сок в желудке все равно образовывался и капал в специальный сосуд. Эти исследования показали, что при каждом приеме пищи желудочный сок вырабатывается независимо от того, попадает ли еда в желудок или нет.

Затем Павлов задался целью измерить количество выделяемой слюны в разных ситуациях и для этого наложил фистулу на околоушную слюнную железу, что оказалось непросто, ведь трубка должна была точно входить в выделительный проток железы. Но опыт удался, и, когда Павлов давал подготовленной собаке маленькие кусочки мяса, слюна капала из фистулы в специальный измерительный сосуд.

В последующих экспериментах ученый стал сочетать кормление со звуковым раздражителем – звонком или сигналом зуммера. В обычных условиях шум не вызывал у собаки выделения слюны, но все менялось, если звуковые эффекты повторялись перед кормлением, причем неоднократно. Возникал условный рефлекс, который, в отличие от врожденного, безусловного (выделения слюны каждый раз, когда в рот попадает пища), формируется постепенно, в зависимости от определенных обстоятельств.

Надо заметить, в конце XIX в. еще встречались люди (даже среди ученых), которые считали, что любые процессы в организме объясняются действием духовных сил. Однако Павлов понимал – объяснение явлений, наблюдаемых при выделении слюны, вполне материально, и его следует искать путем точных исследований.

Поразмыслив, ученый предположил, что при каждом воздействии раздражителя на вкусовые рецепторы возбуждается соответствующий центр мозга, после чего возбуждение передается в другой центр, управляющий деятельностью слюнной железы. Так объяснялся механизм безусловного рефлекса.