Законы часть 11

Законы часть 11

Науки о жизни

Генетический код
Три пары оснований молекулы ДНК кодируют одну аминокислоту в белке
•
1865
1908
ЗАКОНЫ МЕНДЕЛЯ ЗАКОН
•
1953
ХАРДИ—ВАЙНБЕРГА ДРЕЙФ ГЕНОВ
нач. 1960-х

ДНК
1961

РОДСТВЕННЫЙ ОТБОР
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
2000

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ

ПРОЕКТ «ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА»

Сегодня ни для кого не секрет, что программа жизнедеятельности всех живых организмов записана на молекуле ДНК. Проще всего представить молекулу ДНК в виде длинной лестницы. Вертикальные стойки этой лестницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Вся важная рабочая информация в молекуле записана на перекладинах лестницы — они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — азотистые основания — называются аденин, гуанин, тимин и цитозин, но обычно их обозначают просто буквами А, Г, Т и Ц. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного типа. Это связи между основаниями А и Т и между основаниями Г и Ц (образованную таким образом пару называют «парой оснований»). Других типов связи в молекуле ДНК быть не может.
Спускаясь по ступенькам вдоль одной цепи молекулы ДНК, вы получите последовательность оснований. Именно это сообщение в виде последовательности оснований и определяет поток химических реакций в клетке и, следовательно, особенности организма, обладающего данной ДНК. Согласно ЦЕНТРАЛЬНОЙ ДОГМЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ, на молекуле ДНК закодирована информация о БЕЛКАХ, которые, в свою очередь, выступая в роли ферментов (см. КАТАЛИЗАТОРЫ И ФЕРМЕНТЫ), регулируют все химические реакции в живых организмах.
Строгое соответствие между последовательностью пар оснований в молекуле ДНК и последовательностью аминокислот, составляющих белковые ферменты, называется генетическим кодом. Генетический код был расшифрован вскоре после открытия двуспиральной структуры ДНК. Было известно, что недавно открытая молекула информационной, или матричной РНК (иРНК, или мРНК), несет информацию, записанную на ДНК. Биохимики Маршалл Уоррен Ниренберг (Marshall W. Nirenberg) и Дж. Генрих Маттеи (J. Heinrich Matthaei) из Национального института здравоохранения в городке Бетезда под Вашингтоном, округ Колумбия, поставили первые эксперименты, которые привели к разгадке генетического кода.
Они начали с того, что синтезировали искусственные молекулы иРНК, состоявшие только из повторяющегося азотистого основания урацила (который является аналогом тимина, Т, и образует связи только с аденином, А, из молекулы ДНК). Они добавляли эти иРНК в тестовые пробирки со смесью аминокислот, причем в каждой пробирке лишь одна из аминокислот была помечена радиоактивной меткой. исследователи обнаружили, что искусственно синтезированная ими иРНК инициировала образование белка лишь в одной пробирке, где находилась меченая аминокислота фенилаланин. Так они установили, что последовательность -У-У-У- на молекуле иРНК (и, следовательно, эквивалентную ей последовательность -А-А-А- на молекуле ДНК) кодирует белок, состоящий только из аминокис-

лоты фенилаланина. Это было первым шагом к расшифровке генетического кода.
Сегодня известно, что три пары оснований молекулы ДНК (такой триплет получил название кодон) кодируют одну аминокислоту в белке. Выполняя эксперименты, аналогичные описанному выше, генетики в конце концов расшифровали весь генетический код, в котором каждому из 64 возможных кодонов соответствует определенная аминокислота.

Астрономия

Гипотеза газопылевого облака
Солнечная система образовалась в результате сжатия газопылевого облака

1736 • ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА

1755 • ГИПОТЕЗА
ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА

XX • эволюция ЗВЕЗД

1940 • ГИПОТЕЗА
ГИГАНТСКОГО СТОЛКНОВЕНИЯ

Гипотезы о том, как сформировалась Солнечная система, относятся к области космогонии — одного из старейших разделов теоретической астрономии. Первым такую гипотезу, исходя из общих умозрительных соображений, выдвинул немецкий философ Иммануил Кант (Immanuel Kant, 1724-1804), однако по-настоящему научное развитие она получила в трудах Пьера Симона Лапласа, первым предпринявшего попытку объяснить механику образования Солнечной системы в рамках ЗАКОНА ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА.
В начале сценария предполагается наличие газопылевой туманности. По чистой случайности отдельные области этой туманности оказываются плотнее окружающего их вещества и, следовательно, обладают большей массой. Тут в действие вступает сила тяготения, и окружающая материя начинает устремляться к этим центрам повышенной плотности, масса которых все возрастает. В конечном итоге материя в области каждого такого центра уплотняется настолько, что в результате гравитационного коллапса в каждой такой точке образуется звезда. Сегодня астрономы наблюдают в нашей Галактике достаточно много подобных центров формирования звезд.
В целом, остаточное газопылевое облако вокруг формирующейся звезды ведет себя хаотично, и частицы материи движутся внутри него во всех направлениях. и тут, опять же по чистой случайности, может оказаться, что большая часть газа и пыли оказываются «закрученными» в одну сторону. Соответственно, газопылевое облако вокруг формирующейся звезды приобретает чистый угловой момент количества движения. В соответствии с ЗАКОНОМ СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА дальнейшее сжатие (конденсация) облака в направлении центра приводит к увеличению угловой скорости вращения материи вокруг центральной части. В итоге после завершения стадии коллапса газопылевого облака, подавляющая часть его массы оказывается сосредоточенной в центре (где впоследствии сформируется звезда), а незначительная периферийная масса облака оказывается распределенной в экваториальной плоскости вращения протозвезды вокруг собственной оси. Происходит это в результате «сплющивания» остатков распыленного раскрученного вещества под действием центробежной силы. из вещества этого остаточного диска в дальнейшем формируются планеты.
В окружающем протозвезду остаточном газопылевом диске в результате хаотичных соударений частиц также начинают формироваться сгустки материи, которые в свою очередь начинают служить центрами притяжения для распыленного вокруг вещества. Вокруг них сначала формируются протопланеты, которые также выступают в роли источников гравитационного притяжения, в результате чего околосолнечное вещество расслаивается в кольца, а затем собирается в сгустки на определенных орбитах, из которых в конечном итоге и формируются планеты. Типоразмеры планет зависят от расстояния до новорожденной звезды. На небольшом

удалении от нее температуры из-за начавшейся внутри звезды термоядерной реакции (см. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД) оказываются слишком высокими, и все легкоплавкие летучие вещества в основном просто испаряются в пространство, не имея возможности сконденсироваться в жидкое или твердое состояние. В результате ближние планеты земного типа оказываются небольшими и относительно плотными из-за преобладания в их составе тяжелых химических элементов — в Солнечной системе к этой категории относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс.
Вообще, этот период в эволюции Солнечной системы выглядит несколько странно, если исходить из основных современных гипотез и результатов компьютерного моделирования, полученных согласно этим гипотезам. С одной стороны, накопление вещества вокруг ядер-зародышей современных планет действительно должно было происходить в соответствии с вышеописанной моделью; с другой — такое моделирование предсказывает образование еще 10-12 планет размером с Марс. Сегодня выдвигается гипотеза, что эти протопланеты попросту рассыпались в результате затяжной партии в небесный бильярд, в которую они оказались втянутыми, после чего часть их вещества осела на «успешно» сформировавшихся планетах, избежавших разрушения в результате череды соударений, а часть вещества была буквально вышвырнута на периферию Солнечной системы под воздействием мощного гравитационного поля Юпитера. Таким образом, в нашей Солнечной системе, скорее всего, до сих пор кружится, по большей части на большом удалении от Солнца, значительная масса про-топланетных тел.
Луна — естественный спутник Земли — часто также классифицируется астрономами как самостоятельная планета земного типа, однако последние данные свидетельствуют, скорее, в пользу ГИПОТЕЗЫ ГИГАНТСКОГО СТОЛКНОВЕНИЯ, согласно которой Луна сформировалась позже других планет земного пояса в результате падения на раннюю Землю еще одной планеты размером с Марс и последующего выброса вещества на околоземную орбиту. Вообще, подобные столкновения на ранней стадии формирования Солнечной системы были явлением распространенным. Это, кстати, объясняет и еще одну загадку Солнечной системы. Угловые скорости вращения планет вокруг собственной оси (иными словами, продолжительность солнечных «суток» на планетах) варьируют в весьма широких пределах. В случае Венеры наблюдается уникальное явление ретроградного суточного вращения: эта планета вращается в противоположную по сравнению со всеми прочими планетами сторону. Такое отличие трудно увязать с размеренным, упорядоченным формированием планетной системы. Однако, если предположить, что итоговое собственное вращение планеты вокруг оси сложилось в результате суммы импульсов, полученных ею в результате мощных соударений с другими протопланетами, все становится на свои места.
На большем удалении от молодого Солнца на ранней стадии формирования планетной системы было не так жарко, и там сформировались планеты иного типа. Достаточно низкие температуры не препятствовали конденсации и кристаллизации относительно легких химических элементов, в результате чего сформировались сверхмассивные твердокристаллические ядра из скальных пород и льда. Обладая мощным гравитационным полем, они захватили из окрестных газопылевых скоплений значительные объемы легких и летучих веществ — гелия и водорода, образовавших их океаны и/или атмосферу, — и стали еще массивнее (планеты земного типа с их слабым гравитационным полем на это оказались не способны). К категории так называемых газовых гигантов нашей Солнечной системы относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. При огромных по сравнению с планетами земного типа размерах эти планеты характеризуются очень низкой средней плотностью вещества. Плотность Сатурна, например, вообще ниже плотности воды, так что, если бы нашелся океан сопоставимых с этой планетой размеров, Сатурн плавал бы в нем, как поплавок. Тем не менее, согласно современным гипотезам, внутри этих газожидкостных гигантов все-таки есть достаточно массивное плотное ядро из твердого вещества, напоминающее собой планету земного типа и образовавшееся аналогичным образом.
Особый случай представляет собой Плутон, — последняя из открытых «настоящих» планет Солнечной системы. По размеру он сопоставим с планетами земной группы и представляет собой, по сути, огромную глыбу льда летучих элементов. Долгое время ученые считали Плутон не то курьезным недоразумением, не то захваченным Солнечной системой инородным телом. Однако открытие в 1990-х годах так называемого «пояса Койпера», подобного поясу астероидов, — еще одного пояса малых планет, многие из которых движутся по очень вытянутым, «неправильным» орбитам, — заставило астрофизиков пересмотреть свои взгляды. Расположенный за орбитой Нептуна пояс Койпера — основной «поставщик» комет, залетающих в окрестности Солнца. Согласно современным взглядам, Плутон скорее всего представляет собой все-таки самое крупное небесное тело пояса Койпера — зародыш так и не сформировавшейся крупной планеты, вращающийся среди миллионов более мелких «отбросов» Солнечной системы.
Такая картина формирования планетной системы хорошо объясняет многие наблюдаемые характеристики Солнечной системы: небольшие размеры, тяжелый элементный состав и конденсированное состояние внутренних планет; большие размеры, легкий элементный состав и жидкостно-газообразное состояние внешних планет; единое направление движения планет по орбитам вокруг Солнца. В 1995 году астрономами были получены первые доказательства существования планетных систем у других звезд и выяснены некоторые их характеристики (это удалось сделать по замерам циклических отклонений звезд от их среднестатистичес

кого положения в пространстве, вызванных силой гравитационного притяжения обращающихся вокруг них планет). Благодаря этому сегодня мы точно знаем о том, что за пределами Солнечной системы планет существует гораздо больше, чем внутри нее: на момент написания этой статьи открыто 83 планеты в 71 звездной системе (теперь, когда вы читаете эти строки, число открытых планет еще возросло). Однако лишь одна из открытых планетных систем похожа на нашу Солнечную систему. Во всех остальных, судя по всему, планеты движутся вокруг своей звезды по сильно вытянутым эллиптическим траекториям, в то время как в нашей Солнечной системе орбиты всех планет, за исключением Плутона, приближаются к круговым. Кроме того, в большинстве этих систем все планеты обращаются вокруг звезд на расстояниях, не превышающих радиус орбиты Меркурия. У некоторых планет период обращения вокруг их солнца и вовсе составляет всего несколько земных суток.
Кроме планетных систем астрономам на сегодняшний день удалось открыть целый ряд околозвездных дисков — сплющенных газопылевых облаков вокруг молодых звезд. А это служит хорошим подтверждением гипотезы образования планетных систем из газопылевых облаков, пусть даже планетных систем, подобных нашей, открыты лишь считанные единицы.

Пьер Симон ЛАПЛАС (Pierre Simon Marquis de Laplace, 1749-1827) — французский математик, физик и астроном. Родился в семье фермера в местечке Бомон-ан-Ож (Beaumont-en-Auge). Благодаря рано проявленным способностям и благоволению крупного поместного дворянина, у которого отец будущего ученого арендовал землю, окончил местную школу Ордена монахов-бенедиктинцев, после чего получил возможность продолжить образование в университете г. Кан (Caen). В дальнейшем ученый внес огромный вклад в развитие математической физики в рамках классической механики Ньютона, применил ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГО -ТЕНИЯ НЬЮТОНА к теории строения Солнечной системы. Вскоре после Великой французской революции был
исключен из Академии «за недостаток республиканской добродетели и ненависти к королям» и в 1793 году бежал с семьей из Парижа и, находясь, фактически, на нелегальном положении, написал научно-популярную книгу «Изложение системы мира», где и сформулировал свою гипотезу происхождения Солнечной системы. По завершении периода якобинского террора, вернувшись в Париж, опубликовал монументальный многотомный труд «Трактат о небесной механике» (Trait; de m;chanique c;leste, 1796), заложивший основы нового раздела физической науки, который с тех пор так и именуется «небесной механикой». При Наполеоне занимал видные государственные посты, вплоть до поста министра внутренних
дел.

Гипотеза Геи
•
1783
Земля представляет собой единый живой организм
КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ

кон. XVIII • цикл
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

1886 • кРУГОВОРОт АЗОтА
В ПРИРОДЕ

кон. XIX • КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

1910-е • циклы
МилАНкОВичА

1960-е • ТЕКТОНИКА Плит

1979 • ГИПОТЕЗА ГЕИ

Гея — греческая богиня, которая вывела мир из хаоса. Гипотезу Геи выдвинул английский ученый Джеймс Давлок, работавший в НАсА в начале 1960-х годов, в период, когда только начинались поиски жизни в Солнечной системе. Исходя из того факта, что земная атмосфера значительно отличается от атмосфер безжизненных планет, Давлок утверждал, что наша планета и ее биосфера представляют собой некий живой организм. Он говорил: «Земля — больше, чем просто дом, это живой организм, и мы являемся его частью».
Как относиться к этой гипотезе, непонятно. Ведь в ней нет четко определенных выводов, которые можно было бы проверить экспериментально, а такая проверка требуется любой научной теории. Некоторые (в том числе и автор этих строк) считают, что эту гипотезу лучше рассматривать как литературную метафору — возможно, полезную при рассуждении о планетах, но недостаточно точную. Но у нее есть и свои приверженцы среди серьезных ученых (например, американский биолог Динн Маргулис).
сторонники гипотезы отмечают, что она предполагает наличие механизма обратной связи со стороны живых организмов, благодаря чему планета остается пригодной для жизни. Приводится такой пример: повышение содержания углекислого газа в атмосфере приводит к усилению роста растений, что в свою очередь снижает уровень углекислого газа. Однако эти механизмы обратной связи хорошо известны и для их объяснения не требуется гипотеза Геи.
Значение же гипотезы состоит в том, что она способствовала развитию системного подхода к изучению Земли, при котором планета рассматривается как единое целое, а не как набор отдельных частей. Действительно, развитие наук о Земле в последние десятилетия ХХ века стимулировалось пониманием того, что различные части планеты — например, горные породы или океаны — нельзя исследовать в отрыве друг от друга. Именно поэтому соответствующие факультеты в американских университетах стали чаще называться факультетами науки о земных системах, а не геологическими, как раньше. Во многом эта перемена была вызвана прогрессом в развитии вычислительной техники, но и гипотеза Геи также внесла свой вклад.



любых ограничений, связанных с влиянием международных компаний на направление научных исследований. два года спустя обнаружил присутствие в атмосфере хлорфторуглеродов (хФУ) (см. ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ). Яавлок стал широко известен благодаря гипотезе, впервые выдвинутой им в книге «Гея» (1979).

Гипотеза гигантского столкновения
Возможно, Луна образовалась в результате столкновения Земли с небесным телом, масса которого превышала массу Марса

1755 • ГИПОТЕЗА
ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА

1900 • РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

1940 ^ ГиПОтЕЗА
ГИГАНТСКОГО СТОЛКНОВЕНИЯ

1960-е ^ ТЕКТОНИКА ПЛИТ

среди всех внутренних планет солнечной системы Земля единственная имеет крупный спутник. Происхождение Дуны — одна из древнейших загадок астрономии, однако многие планетологи сегодня считают ее наконец-то решенной. сначала вопрос стоял следующим образом: почему средняя плотность лунного вещества в 1,5 с лишним раза ниже средней плотности земного при практически одинаковом химическом составе того и другого (3,6 против 5,5 ед. плотности воды)? После того как был получен ответ, согласно которому причина такого несоответствия заключается в отсутствии у Дуны в отличие от Земли плотного раскаленного железного ядра, вопрос встал по-другому: почему столь схожие по составу небесные тела — Земля и Дуна — имеют столь различную внутреннюю структуру?
Согласно ГИПОТЕЗЕ ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБДАКА, планетные тела образуются из околозвездного вещества, распределенного в плоскости околосолнечной дисковой туманности, и, как следствие, должны обладать приблизительно одним и тем же химическим составом. Первоначальные теории происхождения Дуны можно условно подразделить на две категории: теории захвата и приливные теории.
Первая и самая древняя из них подразумевала, что Дуна представляет собой независимо сформировавшуюся в солнечной системе планету, оказавшуюся в непосредственной близости от Земли и захваченную ею в качестве спутника. однако эта теория не выдерживает сегодня никакой критики, поскольку динамика процесса захвата, в результате которого тело, двигавшееся по независимой гелиоцентрической орбите вокруг солнца, могло бы перейти на геоцентрическую и практически круговую орбиту вокруг Земли, противоречит всем известным физическим законам.
Конкурирующая приливная теория предполагала, что Земля в далеком прошлом вращалась вокруг своей оси значительно быстрее, чем сегодня, в результате чего на поверхности планеты возбуждались мощные ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ СИЛЫ, под воздействием которых (согласно большинству приливных теорий, их действие было усугублено гравитационным воздействием пролетавшего в непосредственной близости от Земли крупного небесного тела) от нашей планеты оторвался крупный кусок, который и оказался, в конечном итоге, на стационарной орбите вокруг Земли. Выдвигались даже гипотезы, будто Тихоокеанская впадина на поверхности Земли представляет собой «послеродовую травму», понесенную нашей планетой в результате рождения Луны.
исследования химического состава лунного вещества, однако, опровергают обе вышеописанные гипотезы. с одной стороны, Луна слишком близка к Земле по своему химическому составу, чтобы сформироваться вдали от нашей планеты; с другой — недостаточно близка, чтобы быть ее осколком.
В последние десятилетия ХХ века, однако, появилась и еще одна гипотеза, завоевавшая достаточное признание в научных

кругах. На раннем этапе формирования солнечной системы Земля и другие недавно сформировавшиеся планетные тела, будучи, по сути, еще практически целиком жидкими и состоящими из магмы современных геологических пород, подвергались интенсивной бомбардировке множеством более мелких новообразовавшихся тел размером с современные крупные астероиды. Кинетическая энергия падающих на Землю тел была столь высока, что, преобразуясь в тепловую, она поддерживала земное вещество в расплавленном состоянии, в результате чего и происходила его дальнейшая дифференциация: тяжелые железо и никель тонули в направлении центра Земли и формировали ее ядро, а более легкие вещества, шлаки и соли всплывали, образуя мантию и прообраз горных пород будущей земной коры (см. ТЕКТОНИКА ПЛИТ). именно на этой стадии или несколько позже, пока земная кора еще до конца не оформилась, в Землю врезалось небесное тело размером не меньше Марса. В результате этого катаклизма на околоземную орбиту оказалось буквально выплеснуто значительное количество вещества земной мантии и коры, из которых вскоре и сформировалась луна.
Эта теория, получившая название гипотезы гигантского столкновения (а неформально — гипотезы большого выплеска), объясняет и низкую плотность лунного вещества, и близость его химического состава к химическому составу вещества земной коры и мантии, поскольку земное ядро гигантским столкновением затронуто не было и на орбиту не попало. Решающие доводы в пользу этой гипотезы поступили на Землю вместе с образцами лунного грунта, доставленными американскими астронавтами из лунных экспедиций на борту «Аполлонов». В результате анализа соотношения различных изотопов кислорода (см. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД) в них удалось установить точное совпадение возраста лунных и земных минералов.