Развитие основных биологических концепций

Особенности биологического уровня организации материи. Главные свойства всех живых организмов на Земле, отличающие их от объектов неживой природы, - размножение и обмен веществ с окружающей средой. Все живые организмы на Земле содержат белки и нуклеиновые кислоты.

Наименьшей структурной и функциональной единицей, а также единицей размножения и развития живых организмов, обитающих на Земле, является клетка.

Развитие представлений о живой природе. Первые систематические попытки познания живой природы были сделаны античными врачами Гиппократом (V–IV века до н.э.) и Галеном (II век до н.э.) и древнегреческими философами Аристотелем (IV век до н.э.) и Теофрастом (372–287 до н.э.). Их труды, продолженные в эпоху Возрождения, положили начало ботанике и зоологии, а также анатомии и физиологии человека. Естествоиспытатель А.Везалий (1514–1564) одним из первых стал изучать тело человека путем вскрытий и на основе результатов таких исследований дал научное описание строения всех органов и систем.

В XVII–XVIII веках в биологии стали использоваться экспериментальные методы. На основе количественных измерений и применения законов гидравлики английский врач У.Гарвей (1578–1657) в 1628 г. открыл механизм кровообращения. Изобретение микроскопа раздвинуло границы известного мира живых существ и расширило представления об их строении. Микроскоп в биологических исследованиях стали одними из первых использовать нидерландский натуралист А. ван Левенгук (1632–1723) и английский ученый Р.Гук (1635-1703). Одним из главных достижений того времени является создание в 1735 г. шведским ученым К.Линнеем (1707–1778) системы классификации растений и животных.

Р.Гук установил, проводя исследования растительных и животных тканей, что они состоят из мелких образований, названных им клетками. Немецкие ученые Т.Шванн (1810–1882) и Р.Вирхов (1821–1902) разработали клеточную теорию, согласно которой все живые организмы имеют клеточное строение. Основные положения современной клеточной теории:

– клетка является структурной и функциональной единицей, а также единицей развития и размножения всех живых организмов на Земле;

– клетки имеют мембранное строение;

– клетка размножается только делением;

– клеточное строение организмов свидетельствует о том, что они имеют единое происхождение.

Начало эволюционной биологии, изучающей развитие живой природы на Земле, положило эволюционное учение французского естествоиспытателя Ж.Б.Ламарка (1744–1829), который провозгласил принцип эволюции всеобщим законом живой природы. Ламарк считал, что виды животных и растений постоянно меняются, усложняясь в своей организации в результате влияния внешней среды, упражнения или неупражнения органов и внутреннего стремления всех организмов к усовершенствованию. Он полагал, что каждый вид представляет собой независимую эволюционную линию, возникшую от исходных форм жизни. В 1802 г. он и немецкий ученый Г.Р.Тревиранус (1776–1837) ввели термин «биология».

Подлинный переворот в биологии произвела эволюционная теория английского ученого Ч.Дарвина (1809–1882), основные идеи которой он изложил в 1859 г. в книге «Происхождение видов». Ч.Дарвин открыл движущие силы эволюции живых организмов на Земле: изменчивость, наследственность, естественный отбор. Он утверждал, что изменчивость является основой образования новых признаков у живых организмов, наследственность закрепляет эти признаки путем передачи их следующим поколениям, а естественный отбор устраняет организмы, не приспособленные к условиям существования. Таким образом накапливаются функции приспособления, что приводит к формированию новых видов.

В 1865 г. австрийский естествоиспытатель Г.Мендель (1822–1884) открыл законы наследственности. В своих знаменитых опытах по скрещиванию различных сортов гороха он установил, что наследственные задатки родителей в организмах потомства не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде обособленных дискретных единиц. Такие единицы представлены у особей видов с половым размножением парами (одна единица от матери, другая – от отца) и передаются последующим поколениям в мужских и женских половых клетках, в которых находится по одной единице из пары. В 1909 г. датский биолог Ф.Я.Иогансен (1867–1913) (один из основоположников современной генетики) назвал эти единицы генами, а совокупность всех генов организма – генотипом. В 1911 г. американский генетик Т.Морган (1866–1945) установил, что гены находятся в ядерных клеточных структурах – хромосомах. Термин «хромосомы» предложен в 1888 г. немецким ученым В.Вальдейером (1836–1921). Русский биолог Н.К.Кольцов (1872–1940) в 1928 г. высказал идею о связи генов с конкретным химическим веществом. В результате экспериментов, проведенных на микроорганизмах, в 1944 г. было установлено, что веществом наследственности, с которым передается из поколения в поколение информация о всех свойствах организма, является не белок (как полагали ранее), а дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК.

В ХХ веке в изучении биологических явлений сформировались два взаимосвязанных подхода. С одной стороны, возникло представление о качественно различных уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционно-видовом. С другой стороны, стремление к целостному познанию живой природы способствовало развитию биологических наук, изучающих определенные свойства живых организмов на всех структурных уровнях. К таким наукам относятся биологическая систематика, эволюционная биология и молекулярная биология.

Огромных успехов, начиная с 50–х годов ХХ века, достигла молекулярная биология (изучение живых объектов на молекулярном уровне), открывшая химические основы наследственности, оказавшиеся универсальными для всех живых организмов: строение ДНК и РНК, генетический код, матричный принцип синтеза биополимеров.

Учение В.И.Вернадского (1863–1945) о биосфере (биосфера – оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь; термин «биосфера» введен в 1875 г. австрийским геологом Э.Зюссом (1831–1914)) как особой оболочке Земли раскрыло масштабы геохимической деятельности живых организмов и их неразрывную связь с неживой природой.

Развитие представлений о клетках и процессах, происходящих в них. Клетки, имеющие оформленное ядро (центральную часть), называются эукариотными, а организмы, построенные из таких клеток, – эукариотами. К эукариотам относятся растения, животные, грибы и лишайники. Клетки, не имеющие оформленного ядра, называются прокариотными, а организмы с такими клетками – прокариотами. К ним относятся все бактерии.

Цитоплазма (внутренняя жидкая клеточная среда) объединяет все находящиеся в ней клеточные структуры в единый взаимодействующий комплекс и является местом отложения запасных питательных веществ и продуктов, подлежащих выведению, а также средой для протекания различных биохимических процессов, свойственных данной клетке.

В основе структурной организации клетки лежит мембранный принцип строения. Мембраны состоят из белков и жиров. Они ограничивают многие структуры клетки. Через цитоплазматическую мембрану происходят перенос веществ в клетку и выведение из клетки различных веществ.

Вещество наследственности (ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота)состоит из генов – участков ДНК, несущих информацию о признаках организма. Гены находятся в хромосомах Хромосомы состоят из одной или нескольких молекул ДНК, соединенных с белками. Совокупность всех хромосомных генов называется геномом. Хромосомы способны к самоудвоению при делении клеток. Большая часть генов в эукариотных клетках находится в хромосомах клеточного ядра, а меньшая часть – в митохондриях или хлоропластах. В прокариотных клетках хромосомы, содержащие гены, находятся, как и другие клеточные структуры, непосредственно в цитоплазме, окруженной клеточной мембраной.

Каждый вид живых организмов характеризуется определенным хромосомным набором. В ядрах соматических клеток число хромосом четное (двойной, или диплоидный, набор хромосом): половина хромосом от материнского организма, другая половина – от отцовского. Так, например, соматические клетки человека содержат 46 хромосом (это было установлено в 1956 г.), а соматические клетки человекообразных обезьян – 48 хромосом. Для половых клеток (гамет) характерен гаплоидный (одинарный) набор хромосом. При оплодотворении двойной набор хромосом восстанавливается.

При делении клеток возможны нарушения, приводящие к мутациям – случайно возникшим стойким дискретным изменениям генотипа, затрагивающим целые хромосомы, их части или отдельные гены. Мутации являются редкими событиями (у человека на каждый миллион делящихся клеток приходится одна мутантная) и могут быть полезными, вредными и нейтральными для организмов. Эти положения составляют основу мутационной теории, которую разработал нидерландский генетик Х. Де Фриз (1848–1935). Большинство мутаций у особей, для которых характерно половое размножение, происходит в соматических клетках и не наследуется. Потомству могут быть переданы только мутации, которые произошли в половых клетках. У людей мутантной является в среднем одна из десяти гамет. Вероятность мутаций увеличивают различные факторы внешней среды, которые называют мутагенами. К ним относятся: радиация, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, химические вещества, повышенная температура, вирусы.

Геномные мутации приводят к изменению числа хромосом в клетках (например, нерасхождение парных хромосом при образовании половых клеток из соматических приводит к формированию гамет с увеличенным или уменьшенным числом хромосом).

Хромосомные мутации – это различные изменения структуры хромосомы (участок хромосомы может удвоиться или, наоборот, выпасть; он может переместиться на другое место и т.д.).

Изменение числа хромосом в клетках или изменение строения отдельных хромосом являются причиной хромосомных болезней (заболевание синдром Дауна вызвано наличием третьей хромосомы в 21-й паре хромосом у человека).

Генные мутации связаны с изменением структуры отдельных генов в молекуле ДНК. Этот тип мутаций связан с ошибками, возникающими в процессе удвоения молекул ДНК.

В состав клеток живых организмов входят 80 химических элементов таблицы Д.И.Менделеева. Элементов, свойственных только живой материи, в природе не существует. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. В среднем 70%÷85% массы клетки составляет вода, 10%÷20% – белки, 1%÷5% – жиры, 0.2%÷2% – углеводы, 1%÷2% – нуклеиновые кислоты, 0.1%÷0.5% – низкомолекулярные органические соединения, 1%÷1.5% – неорганические вещества. Исключение составляют клетки жировой и костной тканей, в которых воды только около 25%.

Тело взрослого человека состоит приблизительно из 10¹⁴ клеток, число различных типов клеток у человека ~ 100.

В качестве растворителя вода обеспечивает как приток в клетку веществ, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности. Хорошая теплопроводность и большая теплоемкость воды обеспечивают живым организмам сохранение жизненных функций при резких изменениях температуры окружающей среды.

Белки определяют свойства клеток и индивидуальные различия (признаки) живых организмов. Они имеют полимерную структуру, а их мономерами являются аминокислоты – органические соединения, состоящие из карбоксильной группы –СООН, аминогруппы –NH₂ и радикала, имеющего углеводородную основу. Аминокислоты отличаются друг от друга составом радикала. Если белки содержат только одни аминокислоты, то они называются простыми. Сложные белки, кроме аминокислот, имеют в своем составе другие органические вещества, металлы или соединения фосфора. Из известных в природе аминокислот в состав большинства белков живых организмов входят только 20 из них. Животные организмы не способны синтезировать некоторые аминокислоты, например, триптофан, метионин, лизин и др. Поэтому они обязательно должны поступать в организм животного и человека с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. Белковая молекула состоит в среднем из 200–500 аминокислот.

В строении молекулы белка различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Первичная структура определяется порядком чередования аминокислот в линейной цепи белка, соединенных пептидными связями (–СО–NH–), которые образуются путем соединения аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты и выделением при этом молекулы воды. Все связи в первичной структуре являются ковалентными. Вторичная структура является спиральной. Она формируется за счет образования водородных связей между остатками карбоксильной и аминной групп разных аминокислот, составляющих линейную (первичную) структуру Третичная структура является шарообразной, или глобулярной. Четвертичная структура представляет собой объединение нескольких молекул с третичной организацией. Такое строение имеет гемоглобин, молекула которого состоит из четырех белковых молекул (двух α- и двух β-цепей), каждая из которых связана с железосодержащим комплексным соединением –гемом.

Аминокислоты могут соединяться в белках в любых последовательностях, поэтому в клетках живых организмов может создаваться огромное количество различных белков. В простейших организмах синтезируются несколько тысяч различных белков, а у людей – около 30-50 тысяч.

Функции белков в живых организмах: 1) строительная (участие в образовании всех клеточных и внеклеточных структур); 2) транспортная (присоединение химических веществ и перенос их к различным тканям и органам живого организма); 3) двигательная (обеспечение всех видов движений в клетках и организме в целом); 4) энергетическая (белки являются источником энергии для клетки; при окислении 1 г белка выделяется 20 кДж энергии); 5) защитная (в ответ на поступление в организм чужеродных белков или микроорганизмов в лейкоцитах образуются особые белки – антитела); 6) регуляторная (белки выполняют функции гормонов – веществ, влияющих на активность ферментов (биокатализаторов)); 7) рецепторная,или сигнальная (факторы внешней среды вызывают обратимые изменения в структуре белка, способствующие возникновению химических реакций, обеспечивающих ответ клетки на внешнее раздражение); 8) каталитическая (белки-ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в клетках).

Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу наследственной информации в живых организмах, т.е. информации об их признаках. Они имеют полимерную структуру. Различают два вида нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота ). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, в состав которых входит одно из азотистых оснований (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц) или урацил (У)), остаток фосфорной кислоты и углевод (рибоза С₅Н₁₀О₅ или дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄). ДНК состоит из азотистых оснований аденина, гуанина, тимина, цитозина, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты; РНК содержит вместо тимина урацил, а вместо дезоксирибозы – рибозу.

ДНК является носителем наследственной информации в виде последовательности нуклеотидов. Она содержится в хромосомах клеточного ядра, в эквивалентных структурах клеточных митохондрий и хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах.

Молекула ДНК – это двойной неразветвленный линейный полимер, имеющий вид правозакрученной или левозакрученной спирали. Нуклеотиды ДНК соединяются в цепь при помощи ковалентных связей. Цепи нуклеотидов соединяются в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклеотид одной цепи всегда соединяется двумя водородными связями только с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый нуклеотид при помощи трех водородных связей - только с цитозиновым нуклеотидом. Эти пары оснований, как и содержащие их нуклеотиды, называются комплементарными, а принцип формирования двуцепочечной молекулы ДНК – принципом комплементарности. Количество тимина в ДНК равно количеству аденина, а количество гуанина – количеству цитозина. Это правило установлено австрийским биохимиком Э. Чаргаффом в 1950 г. На основе него американский биохимик Дж.Уотсон (р.1928) пришел к выводу, что аденин одной цепи ДНК может соединяться только с тимином другой ее цепочки, а гуанин – с цитозином.

Модель строения ДНК в виде двойной спирали предложена в 1953 г. Дж.Уотсоном и английским биофизиком Ф.Криком (1916-2004) на основе данных рентгеноструктурного анализа, проведенного английской исследовательницей Р.Франклин (1920-1958). В 1962 г. за это открытие Дж.Уотсону и Ф.Крику была присуждена Нобелевская премия. Однако окончательное подтверждение двуспиральной структуры ДНК появилось только в начале 80-х годов ХХ века.

На основе анализа особенностей структуры молекулы ДНК ученые объяснили многие ее свойства и биологические функции, что положило начало молекулярной генетике. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру.

При репликации (копировании) ДНК ее цепи под действием фермента ДНК-полимеразы расплетаются, и каждая из них используется как шаблон для сборки новой комплементарной цепи. В результате получаются две двойные спирали ДНК, каждая из которых содержит одну новую и одну старую цепи. Нуклеотиды в новых цепях подбираются в соответствии с принципом комплементарности, поэтому две новые молекулы ДНК идентичны по чередованию нуклеотидов исходной молекуле ДНК.

ДНК небольшого вируса обычно содержит несколько тысяч нуклеотидов и кодирует небольшое количество белков. В ДНК бактерий насчитывается уже несколько миллионов нуклеотидов, а в ДНК человека – около 3-х млрд. нуклеотидных пар, кодирующих десятки тысяч белков.

РНК являются одноцепочечными полимерами, которые переносят информацию о последовательности аминокислот в белках от ДНК к местам синтеза белков в клетке (рибосомам) и участвуют в синтезе белков. У ряда вирусов двуцепочечные РНК являются хранителями наследственной информации.

Связь между нуклеотидами в цепи РНК осуществляется так же, как и в пределах одной цепи ДНК: через углевод и остаток фосфорной кислоты. Транспортные РНК (т-РНК) переносят аминокислоты к местам синтеза белков – рибосомам; т-РНК содержат 80–100 нуклеотидов. Рибосомные РНК (р-РНК) находятся в рибосомах и участвуют в синтезе белков; р-РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов. Информационная РНК (и-РНК) переносит от ДНК информацию о последовательности аминокислот в белках к местам их синтеза; и-РНК состоят из 300–3000 нуклеотидов.

Биосинтез белка – это процесс создания в клетках белковых молекул из аминокислот. Синтез белков требует больших энергетических затрат. В процессе биосинтеза белка определяющую роль играют свойства генетического кода. Генетический код – это определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК, несущие информацию о структуре белка.

Примитивные организмы имеют гораздо меньше генов, чем животные и растения. Поэтому, возможно, что древние живые организмы на Земле имели еще меньше генов. Увеличение генетического материала в биологической эволюции могло происходить при мутациях, когда участки хромосом в клетках при их делениях удваивались.

После открытия Дж. Уотсона и Ф. Крика двойной спирали ДНК стало ясно, что каждой из 20 аминокислот белкового алфавита живой природы должно соответствовать «слово» из нескольких нуклеотидов алфавита ДНК. Комбинации из двух нуклеотидов дают 16 «слов» (кодонов), что недостаточно для кодировки 20 аминокислот, а комбинации из трех нуклеотидов – 64 «слова», что избыточно. О том, как информация от генов поступает к белкам, в то время еще не знали. Однако было обнаружено, что ДНК и аминокислоты не взаимодействуют друг с другом напрямую.

Расшифровка генетического кода, т.е. нахождение соответствия между кодонами (совокупностями нуклеотидов) и кодируемыми ими аминокислотами, осуществлена в ходе экспериментальных работ в 1966 г. американскими биохимиками М.У. Ниренбергом, Р.У. Холли, Х.Г. Кораной и С. Очоа при активном участии Ф. Крика, Г.Гамова и других ученых. В 1968 г. за это открытие М.У. Ниренберг, Р.У. Холли и Х.Г. Корана получили Нобелевскую премию. С. Очоа стал лауреатом Нобелевской премии еще в 1959 г.

Генетический код устанавливает соответствие между четырехбуквенным языком нуклеиновых кислот и двадцатибуквенным языком белков.

Свойства генетического кода:

– триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами – триплетом (кодоном);

– универсальность: принцип кодирования един для всего живого на Земле;

– вырожденность: одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов;

– специфичность (однозначность): каждый триплет кодирует только одну аминокислоту (обнаружены, однако, редкие исключения, когда один кодон соответствует нескольким аминокислотам);

– неперекрываемость: кодоны одного гена не могут одновременно входить в соседний;

– непрерывность: в пределах одного гена считывание генетической информации происходит в одном направлении.

61 кодон из 64 возможных кодирует определенные аминокислоты, 3 кодона являются стоп-кодонами, определяющими окончание синтеза белковой цепи.

Созданный природой код жизни оказался гораздо проще, чем полагали многие ученые до его расшифровки. Но как он возник и почему в нем именно такие правила кодирования? Раньше считалось, что соответствие между кодонами и кодируемыми ими аминокислотами возникло чисто случайно. Однако сравнение канонического (стандартного) генетического кода (кода, который используется большинством организмов) с гипотетическими альтернативными кодами, выполненное в последние годы с помощью компьютерного моделирования, продемонстрировало, что канонический код обладает уникальным свойством – минимизацией последствий ошибок, возникающих в генах и в процессе синтеза белка.

Биосинтез белка состоит из двух этапов: трансляции и транскрипции.

Транскрипция – это биосинтез молекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи ферментов РНК-полимеразы. В клетках синтезируются разновидности т-РНК, ориентированные на перенос 20 видов аминокислот. Нуклеотидный состав кодовых триплетов и-РНК комплементарен нуклеотидному составу триплетов ДНК, а нуклеотидный состав кодовых триплетов т-РНК комплементарен нуклеотидному составу триплетов и-РНК (кодовый триплет т-РНК ЦГА соответствует кодовому триплету и-РНК ГЦУ, а кодовый триплет ДНК АТГ соответствует кодовому триплету и-РНК УАЦ). Выше было отмечено, что т-РНК представляет собой относительно короткую по сравнению с другими видами РНК полимерную молекулу, состоящую примерно из 80-100 нуклеотидов. Три кодирующие аминокислоту нуклеотида (кодовый триплет т-РНК) расположены в ней в строго определенном месте. Другие ее нуклеотиды кодирующего значения не имеют.

В 70-е годы ХХ века было установлено, что большое количество ДНК в хромосомах высших организмов не имеет какой-либо определенной функции. Такую ДНК назвали эгоистичной (существующей в организме в основном только ради себя), или интронами. Кодирующие участки ДНК называют экзонами. У человека на экзоны приходится 1-3% всего генома.

Синтезированная на ДНК-матрице информационная РНК выбрасывает нуклеотидные последовательности, которые не кодируют белки, и соединяет без участия белков-ферментов оставшиеся кодирующие совокупности нуклеотидов. Кодирующие участки могут соединяться в и-РНК в различных сочетаниях, поэтому в среднем у людей один ген кодирует 2-3 белка.

Трансляция – это перевод последовательности нуклеотидов в молекуле и-РНК в последовательность аминокислот в белке. У эукариотов и-РНК через ядерную оболочку поступает в цитоплазму. В цитоплазме на один конец и-РНК нанизывается рибосома, которая перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, триплет за триплетом, предоставляя каждый из них для контакта с т-РНК. Если кодон т-РНК комплементарен кодону и-РНК, то аминокислота, доставленная такой т-РНК, включается в белковую цепь, а рибосома перемещается на следующий триплет и-РНК.

Сборка одной молекулы белка из 200–300 аминокислот составляет 1–2 минуты. После завершения синтеза белковая цепочка отделяется от матрицы – молекулы и-РНК и приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Самовоспроизведение молекул ДНК, строительство на одной из цепей ДНК молекул РНК всех типов, а также синтез в рибосомах с помощью РНК белков происходят только при участии белков-ферментов. Причем для каждого превращения нужен особый фермент, а для получения такого фермента – особый ген ДНК и соответствующие ему структуры РНК.

Так что же появилось раньше: белок, ДНК или РНК? В настоящее время неизвестно, какие из этих биополимеров участвовали в первичных процессах возникновения наблюдаемой нами жизни. Преимущество ДНК в том, что она более приспособлена к комплементарному самовоспроизведению и к лучшему хранению наследственной информации. Преимущество РНК – в способности выполнять некоторые каталитические функции. Однако они менее приспособлены к хранению информации и к самовоспроизведению. Белки очень плохо реплицируются, но даже короткие белковые молекулы со случайной последовательностью аминокислот ускоряют химические реакции в сотни и тысячи раз. РНК проявляют каталитическую активность только, если их молекулы состоят из достаточно большого количества нуклеотидов - нескольких десятков или даже сотен.

Недавно учеными было сделано важное открытие: отдельные гены, звенья ДНК, а также целые молекулы ДНК могут не только собирать с помощью белка-фермента РНК, но и, наоборот, собираться сами с помощью молекул РНК в присутствии особого белка-фермента. В некоторых лабораториях собрали короткую молекулу белка-антибиотика грамицидина без ДНК, РНК и клеточных рибосом. Кодом и ферментом для сборки грамицидина служил другой белок. Из этого следует, что первая жизнь могла появиться на белковой основе, затем она могла усовершенствоваться путем появления РНК, и только после этого возможным могло стать создание ДНК. В 1982 г. американский биохимик Т.Чек открыл РНК, способные самовоспроизводиться без участия белков-ферментов. Однако позже было установлено, что такой способностью обладают в основном только короткие молекулы РНК (длинным последовательностям для самовоспроизводства необходимы белковые ферменты). Тем не менее, РНК могла быть первой биологической молекулой.

В процессе эволюции нуклеиновые кислоты приобрели специализацию: ДНК стала хранить наследственную информацию, а РНК превратилась в посредника между ДНК и белками.

Более 100 лет назад химики установили, что белки состоят из аминокислот и научились синтезировать первые белковоподобные цепи. Белки подробно изучены, и в настоящее время ясно, что из них не возникнет жизнь, если не будет сложной системы других больших молекул.

Отдельно взятые белок или нуклеиновая кислота не могут быть живыми. Бессмысленно говорить о живых молекулах. Для появления и развития жизни необходимо взаимодействие между этими сложными органическими образованиями, которое должно осуществляться в структурах, отделенных от внешней среды специальными оболочками.

Одним из загадочных свойств «живых» полимеров, как установил еще французский ученый Л. Пастер (1822-1895) в XIX в., является наличие у них хиральной чистоты, которая заключается в том, что у живых существ в белках содержатся аминокислоты, закрученные влево (за исключением глицина, который не хирален), а в нуклеиновых кислотах – сахара, закрученные вправо. По этому признаку можно отличать «живые» белки и нуклеиновые кислоты от неживых, в которых правые и левые аминокислоты и сахара содержатся в равных количествах, что называется рацемацией. В экспериментах по абиогенному синтезу аминокислот получают примерно равные количества «правых» и «левых» молекул. В белках, обнаруженных в метеоритах, «правые» и «левые» аминокислоты также содержаться приблизительно в одинаковых количествах.

Переход к хиральной чистоте, который мог осуществиться либо на добиологической стадии развития предорганизмов, либо уже на этапе биологической эволюции, можно связать со спонтанным нарушением симметрии, произошедшим из-за неустойчивости симметричного рацемического состояния.

Опыты последних лет показали, что процесс самоудвоения достаточно длинных молекул ДНК, содержащих минимум несколько сотен нуклеотидов (а именно такие молекулы ДНК имеют современные живые организмы), возможен только тогда, когда она состоит из хирально одинаковых групп. Если азотистые основания ДНК закручены в разные стороны, самоудвоение может происходить только, если в ДНК содержится максимум несколько десятков нуклеотидов. Кроме этого, в живых организмах транспортная РНК к своим «правым» сахарам присоединяет только «левые» аминокислоты.

Ниже приведен стандартный генетический код, используемый большинством живых организмов на Земле, в котором указаны аминокислоты и кодирующие их триплеты ДНК и РНК.