Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)

Научно-популярное издание

Издано при содействии сети клиник «Скандинавия»

Главный редактор: Лана Богомаз

Руководитель проекта: Ирина Останина

Арт-директор: Таня Галябович

Научные редакторы: Екатерина Черняева, Александр Егоров

Литературные редакторы: Анастасия Липина, Ольга Дергачева

Корректоры: Ольга Дергачева, Зоя Скобелкина

Макет и обложка: Аня Журко

Верстка: Стефан Розов, Ольга Макаренко

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Стоянова Э., Потапова Н., текст, 2024

© Журко А., иллюстрации, 2024

© ООО «Альпина Паблишер», 2024

* * *

Т. Э. Малиновской, что привила любовь к биологии, и А. К. Ханину-Новгородскому, что вдохновлял нас

Введение

Известные нам формы жизни бесконечно разнообразны. Синий кит – самое большое животное, а бактерии настолько малы, что их не увидишь невооруженным глазом. Есть ящерицы, способные стрелять кровью из глаз, и невероятные рыбы-жабы.

Поразительных созданий на планете великое множество, и человек – одно из них. Каждое живое существо уникально: отличается от других размерами, оттенками и формами и занимает собственное место в мире. Но есть и кое-что общее: все на Земле стремятся передать своему потомству, детенышам, информацию о том, кто они и как устроен их организм. Эти сложные и интересные знания о жизни закодированы в генетическом коде, скрытом в специальных молекулах. Тебе наверняка доводилось слышать об одной из них – ДНК.

Ученые уже расшифровали удивительный язык этих молекул. Это помогло больше узнать о первых живых существах на планете и о том, как, постоянно меняясь, они смогли стать нами – людьми. Опираясь на знания о ДНК, исследователи изучают микроорганизмы, живущие вокруг нас, разрабатывают новые лекарства и делают еще много всего интересного и полезного. Используя информацию о ДНК, можно даже искать преступников и оправдывать невиновных!

В этой книге ты познакомишься с невероятными возможностями, которые открывает перед нами генетика. Ты узнаешь, чем различаются близнецы, от чего зависит рисунок полос у тигра и зачем ученым в лабораториях шпорцевые лягушки и осьминоги.

Что такое генетика?

Почему генетика – это круто

Генетика – самая настоящая супернаука с невероятными возможностями, меняющими мир к лучшему. Как именно? Постараемся ответить на этот вопрос.

Например, она помогает бороться с голодом. Во многих странах мира климат не позволяет получать хороший урожай. А генетика своей суперсилой может поменять свойства растений, сделать их устойчивыми к засухе, нехватке минералов и микроэлементов в почве, паразитам и другим вредителям.

Генетика приходит на помощь людям, когда те болеют. Ее суперсила поддерживает пациентов в тяжелых случаях, которые раньше считались безнадежными. Например, у младенцев один укол специального препарата останавливает развитие смертельно опасного заболевания – спинальной мышечной атрофии. И мышцы человека, которые постепенно умирали, снова начинают жить.

«Прочитать код» грозного льва и разобраться, откуда у него такая шикарная грива? Проще простого. Восстановить справедливость и узнать, не выдает ли торговец на рынке недорогую рыбу за очень ценную и редкую? Без проблем. Генетика справится и с этим. Объяснить, как выглядит ДНК, где она находится и как информация, которая в ней содержится, определяет внешний вид и поведение всего живого? Пожалуйста!

Генетики знают, как работают в организме молекулы, как трудятся наши органы и почему мы устроены именно так, а не иначе. А если чего-то пока не знают, то пытаются докопаться до истины и проводят сложнейшие исследования. Чем больше суперспособностей, тем лучше!

Генетика – невероятно мощная наука. Она помогает человеку справиться со многими настоящими и будущими трудностями, а еще – узнать о происхождении всего живого на планете.

Генетика: знакомимся поближе

Перейдем к более точному определению.

Генетика – это наука о наследственности. Она объясняет механизмы воплощения в жизнь информации, которую организм получил от родителей и передаст своим детям. Именно генетика может объяснить, почему в семьях некоторых маглов рождаются волшебники. Скорее всего, дело в изменчивости – способности детей приобретать признаки, отличающие их от родителей.

Наследственность и изменчивость связаны. Мы похожи на своих родителей, но не на 100 % и отличаемся от них именно благодаря изменчивости. Одна из ее причин – мутации. Есть ли существа, у которых изменчивости нет? Конечно! Например, растения, которые размножаются отростками. Можно сказать, что они клоны.

Поприветствуем – ДНК!

Организмы передают наследственную информацию своим потомкам через молекулы ДНК. Вирусы могут использовать для этого и РНК, но об этом чуть позже. Молекулы ДНК и РНК – предмет изучения ученых-генетиков. ДНК – краткое название дезоксирибонуклеиновой кислоты. (Нет, это не грозное заклинание, можно спокойно произнести вслух – и никто не пострадает.) ДНК находится внутри ядра каждой из твоих клеток, кроме эритроцитов.

Эритроциты – это клетки крови, которые доставляют кислород в разные ткани организма и забирают оттуда углекислый газ. Тканями называют группы клеток, похожих друг на друга по строению и с одинаковыми функциями, например мышцы или кожу. В эритроцитах нет ядер. Так остается больше свободного пространства, чтобы транспортировать молекулы газа. Так что конструкция у эритроцита упрощенная – ради вместительности.

О вирусах мы расскажем подробнее в разделе «Вирусы: гены и белки – в них вся жизнь».

Если сравнивать клетку с домом, то ДНК мы найдем в библиотеке, где размещается семейный архив. В ней хранятся сведения о том, каким должен быть организм. Там же – рекомендации, инструкции, по которым работают гены. Все эти знания имеют огромную ценность. Потому-то ДНК и хранится в отдельной «комнате» – так надежнее. «Помещения» внутри клетки, то есть ее составные части, называют органеллами (или органоидами). Органелла, в которой находится ДНК, – это ядро.

У бактерий ядра нет. ДНК свободно лежит в клетке между другими органеллами, в специальном месте – нуклеоиде.

О том, как устроен геном бактерий, рассказываем больше в разделе «Бактерии: самый древний геном».

Есть еще РНК – рибонуклеиновая кислота (выговорить уже проще, правда?). Она немного отличается от ДНК по строению, но также хранит в себе информацию о том, каким должен быть организм. Ученым известно много вирусов, у которых геном представлен рибонуклеиновой кислотой.

НИКОЛАЙ КОНСТАНТИНОВИЧ КОЛЬЦОВ

Где именно находится информация, которая отвечает за наследование признаков, ученые начали выяснять в конце XIX – начале XX века. Технологии того времени не позволяли дать точный ответ: сложные эксперименты были невозможны. Биолог Николай Константинович Кольцов в 1927 году предположил, что существует молекула, отвечающая за наследственность. Правда, думал он о белках, а не о ДНК и РНК. А в 1916 году он же говорил, что мутации могут возникать из-за воздействия рентгеновских лучей. Его идеи подтвердились только через десять лет! Это позволило изучать влияние мутаций на разные признаки и приступить к исследованию ДНК.

Откуда буквы внутри ДНК?

Вся информация об организме зашифрована в ДНК в виде четырехбуквенного кода. Конечно, это не настоящие печатные буквы, а химические соединения. Если точнее – азотистые основания. В ДНК их четыре: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). К азотистому основанию друг за другом цепляются моносахарид (это такой углевод, самый простой из сахарóв) и остаток фосфорной кислоты. И тогда получается нуклеотид. Из нуклеотидов и построена ДНК. Они соединяются в цепочки: образуют последовательность. Это своего рода алфавит генома.

Гены: программный код жизни

Внутри этой бесконечной последовательности букв удалось выявить закономерности. Это произошло, когда «язык» ДНК расшифровали и смогли читать то, что на нем написано. Знание основ молекулярной биологии, а потом и методы биоинформатики помогли ученым обозначить отдельные участки, которые кодируют белки – основу жизни.

«Язык» ДНК работает так: каждые три буквы генетического кода (то есть каждые три нуклеотида) обозначают аминокислоту. Назовем их словами.

Из множества аминокислот – десятков, сотен, а то и тысяч – состоит белок. Он похож на предложение.

Каждый ген – абзац в нашей книге, и в нем записан один или несколько белков. У такого абзаца есть начало – старт-кодон, а есть конец – стоп-кодон.

Белки – это сложные и разнообразные молекулы, которые выполняют множество функций. Одни входят в состав клеточных стенок и управляют работой органов. Другие превращаются в ферменты, которые помогают переваривать пищу. Третьи становятся гормонами, которые регулируют работу всех твоих органов. Иногда белки называют протеинами. Однако это просто калька с латинского слова protein, мы не будем ее использовать.

А откуда берутся углеводы, жиры и прочие вещества? Это очень хороший вопрос. Все они синтезируются в нашем организме, а также попадают в него с пищей. Особые белки – ферменты – помогают сложным молекулам распадаться на составляющие, из которых потом другие белки собирают нужные организму химические соединения.

Кстати, бактерии, живущие в кишечнике, тоже синтезируют для нас полезные вещества – например, витамины. Чтобы облегчить этим бактериям работу, надо есть здоровую пищу. Любопытный факт, который подтверждает их важность: жирность грудного молока человека примерно как у коровьего, но вспомни, какие пухлые щечки у младенцев! Всё потому, что у них хороший запас подкожно-жировой клетчатки. Однако она не образовалась бы, если бы в материнском молоке не было множества олигосахаридов. Это небольшие по размеру углеводы. В кишечнике малыша живут бактерии, которые питаются олигосахаридами и производят жиры. Вот младенцы и становятся приятно пухленькими на радость мамам и папам.

Ты уже знаешь, что участок ДНК, в котором закодирован белок, называется ген. Каждый ген (или несколько) отвечает за ту или иную характеристику – например, за уникальный рисунок полос у тигра. Окрас, оперение, цвет глаз, форма рогов – все это определяют именно гены. Они занимают всего 1–2 % всей длины ДНК. Остальное – это участки, которые управляют работой генов, но не только: назначение некоторых фрагментов нам до сих пор неизвестно. Ученые много лет разбирались в устройстве ДНК, и сколько же еще предстоит узнать! Работы невпроворот. К счастью, в наши дни людям помогают компьютеры, иначе на обработку такого количества информации понадобилось бы во много раз больше времени.