Потенциал покоя
Нейрон в неактивном состоянии считают пребывающим в покое. В этом состоянии у него отрицательный заряд внутри и положительный снаружи благодаря тому, что некоторые заряженные ионы могут проходить через полупроницаемую мембрану клетки, а другие нет. Отрицательно заряженные ионы хлора не могут покинуть клетку, создавая таким образом отрицательный заряд внутри. Положительно заряженные ионы калия свободно перемещаются через мембрану в любом направлении, а потому могут наполнить клетку и выровнять разницу зарядов с любой стороны. Кроме того, аксон пропускает положительно заряженные ионы натрия быстрее, чем проникают внутрь положительно заряженные ионы калия. Все эти перемещения требуют энергии, что отчасти объясняет, почему человеческому мозгу нужно 20 % запаса топлива тела. Питание необходимо мозгу, даже когда он, казалось бы, почти ничего не делает. Разница в напряжении внутри и снаружи аксона называется потенциалом покоя и составляет около –70 милливольт (мВ).
Химический стимул
Если аксон получает инструкцию отправить сигнал, химический стимул от нейрона открывает каналы в мембране аксона рядом с главной частью клетки. Открытые каналы позволяют положительно заряженным ионам натрия вернуться в клетку, изменяя потенциал в этой части аксона. Если потенциал превышает критический уровень в –55 мВ, процесс ускоряется, и открывается больше каналов для натрия. Тогда снаружи аксона наблюдается отрицательный заряд, а внутри – положительный. Итак, полярность поменялась. Затем система возвращается в нормальное состояние, ионы натрия выходят из аксона, и восстанавливается потенциал покоя. Но изменение полярности передается дальше по аксону, повторяя процесс снова и снова и создавая пик «потенциала действия». Пик – это нервный импульс, а потенциал действия двигательного нейрона заставляет мышцы сокращаться.
Алан Ходжкин в своей лаборатории в 1963 г. – в год, когда он получил Нобелевскую премию совместно с Эндрю Хаксли и Джоном Экклсом.
Двойная спираль
Открытие структуры ДНК было одной из самых сложных, но ключевых задач, над разрешением который бились биохимики. Когда она наконец поддалась, возникла совершенно новая наука.
К 1928 г. все научное сообщество согласилось с тем, что ДНК – это тот самый генетический материал, о котором писал Грегор Мендель. Теперь перед биологами встала важная задача: определить, каким образом компоненты ДНК передают наследственную информацию.
Команды соперников
К началу 1950-х гг. строение ДНК искали несколько исследовательских лабораторий. Разобраться с такой крупной и сложной молекулой было весьма нелегко. Наиболее надежным подходом для определения геометрии ДНК сочли использование рентгенокристаллографии. В Кавендишской лаборатории в Кембридже физик Фрэнсис Крик, после войны занявшийся биологией, объединил усилия с американцем Джеймсом Уотсоном: они попытались создать модель ДНК, используя все имевшиеся свидетельства. Уотсон и Крик были убеждены, что нашли ответ, когда предложили спираль из трех нитей с нуклеиновыми кислотами с внешней стороны молекулы и отрицательно заряженными фосфатными группами внутри. Но возникла проблема: многочисленные отрицательно заряженные фосфат-ионы в ядре отталкивались бы друг от друга и разорвали бы молекулу. Ученые предположили, что заряды уравновешиваются положительными ионами кальция или магния, и попросили Мориса Уилкинса и его ассистентку Розалинд Франклин из Королевского колледжа в Лондоне проверить предложенную модель. Франклин обозначила основную проблему: любые положительные ионы в ядре ДНК были бы окружены водой, и это не позволило бы им уравновесить разрушительное воздействие отрицательно заряженных частиц.
Франклин, английский химик и специалист по рентгенокристаллографии, известна преимущественно своей работой над ДНК. В числе полученных ею изображений с преломлением рентгеновских лучей и фотография 51, которая выявила двойную спираль в основе молекулы и проложила дорогу генетике как науке. К сожалению, до того, как была широко признана ее роль в исследованиях ДНК.
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик (на фото) совместно с Морисом Уилкинсом получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1962 г. за открытие строения ДНК.
Окончательный прорыв
В мае 1952 г. Розалинд Франклин, наблюдая за преломлением рентгеновских лучей, получила изображение ДНК. Одно из этих изображений – знаменитая фотография 51 – показало, что ДНК состоит из двух нитей, вытянутых по спирали, что это двойная спираль. Морис Уилкинс показал фотографию Джеймсу Уотсону. С ее помощью Уотсон и Крик составили новую модель ДНК, о которой и сообщили в следующем году.
Два продольных края спирали, напоминающей веревочную лестницу, состоят из рибозы и соединяются фосфатами. Пары нуклеотидов образуют «ступеньки» лестницы. Их названия – производные от имен четырех азотистых оснований, и каждое из них связывается строго с заданным «партнером»: цитозин – с гуанином, а тимин – с аденином. В модели Уотсона и Крика использовался код, где цитозин, гуанин, тимин и аденин были представлены буквами CGTA. Так, ген – это нить ДНК с уникальной последовательностью оснований. Открытие ученых заложило основу для новой науки, генетики, но все же оставляло и много вопросов. Хотя сегодня о ДНК известно куда больше – как она наследуется и каковы ее функции, – механизмы, которые претворяют код в жизнь, формируют наши тела, до конца не изучены.
Молекула ДНК, как известно сегодня, похожа на веревочную лестницу, скрученную по всей длине. Ступеньки образованы парой нуклеотидов, соединенных водородными связями.
Экологическая ниша
Экологическая ниша – это место, которое растение, животное или другой организм занимает в среде. Также это его роль в ней
Зоолог британского происхождения Джордж Эвелин Хатчинсон – его иногда называют отцом экологии, – который работал в Йельском университете, стремился применить к экологии всеобъемлющий, строгий научный подход: он принимал во внимание все процессы, текущие в экосистемах – и физические, и химические, и геологические. В 1957 г. он определил экологическую нишу как многомерную, причем число измерениий равно n. Измерения – это природные факторы, которые позволяют видам выжить. Ученый предположил, что роль организма состоит в том, как он кормится, воспроизводится, находит укрытие и взаимодействует с другими формами жизни и неодушевленной средой. Работа Хатчинсона вдохновила других ученых на изучение разнообразия ресурсов, которые использует один вид (ширина ниши), различных способов использования окружающей среды конкурирующими видами для сосуществования (разделение ниши) и пересечений в использовании ресурсов разными видами (перекрытий).
Волоклюй собирает клещей со шкуры буйвола. У этих животных разные потребности, но они тем не менее делят одну среду обитания.
Биофизика
Биофизика – это один из способов с точки зрения физики взглянуть на биологические системы. Открытия в биологии последних лет невозможно представить без значительного вмешательства со стороны физиков.
Биология и физика всегда имели много точек соприкосновения, но термин «биофизика» был использован только в 1892 г. Дисциплину же с таким названием признали только в 1958 г. – тогда в США было основано Биофизическое общество. Биофизики изучают жизнь на всех уровнях: от атомов и молекул до строения и поведения клеток, организмов и сред обитания. С помощью методов, разработанных для описания физических процессов, они отвечают на вопросы биологии, которые сложно решить по-другому. Например, структура ДНК была распознана с помощью рентгеновских лучей – инструмента физиков. Сегодня биофизиков занимают такие вопросы: каким образом квантовая физика применима к метаболизму, особенно при фотосинтезе? какую механическую функцию в клетках выполняют белки и как их можно использовать в других местах? как биологические нейронные сети используют коды для передачи сообщений?
Тандем атомной физики и биологии позволяет ученым понять, как сложные белки, подобные этому аденовирусу, реагируют на химические вещества.
Центральная догма
Центральная догма молекулярной биологии объясняет, как генетическая информация проходит по организму. Догму сформулировал в 1958 г. Фрэнсис Крик, один из ученых, открывших строение ДНК.
Фрэнсис Крик, один из открывателей спиральной структуры ДНК, показал, что генетическую информацию можно записать кодом из четырех букв, обозначающих последовательность четырех азотистых оснований: аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G). ДНК – это хранилище информации. Но информации о чем? В 1955 г. ученые обнаружили, что генетический код – это инструкция для выстраивания белков определенным образом. Их клетка использует в качестве ферментов или других функциональных химических веществ. Белки – сложные полимеры, состоящие из длинных цепочек, включающих несколько десятков аминокислот. Код каждого гена транслирует уникальную последовательность аминокислот. Крик охарактеризовал процесс превращения генов в белки как догму, чтобы подчеркнуть тот факт, что генетическая информация поступает только в одном направлении: данные, хранящиеся в коде ДНК, передаются клетке при помощи РНК, которая выстраивает, или синтезирует, конкретный белок. Но при этом состав белка никогда не используется для кодирования ДНК. Кроме того, центральная догма применима ко всем формам жизни: код и система расшифровки универсальны.
В клетке существует множество типов РНК, но центральная догма опирается только на четыре из них. Матричная РНК (мРНК) кодирует последовательность аминокислот в белке. Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты к рибосомам во время расшифровки. Рибосомная РНК (рРНК) с рибосомными белками формирует рибосомы. И, наконец, низкомолекулярная ядерная РНК (няРНК) образует комплексы с белками, которые используются при обработке РНК. Такая РНК встречается только у эукариотических организмов.