Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №5 [Журнал «Домашняя лаборатория»] (fb2) читать онлайн

Annotation

Интернет-журнал колхозников, инженеров и разнорабочих науки. Журнал содержит материалы найденные в Интернет или написанные для Интернет и является полностью некоммерческим.

Журнал «Домашняя лаборатория»

МНЕНИЯ

Техношок или сложность?

ЛИТПОРТАЛ

Ретрогенетика

ГОСТИНАЯ

У нас в гостях журнал «Компьютерра»[1]

Расшифровка прошлого

Неандертальцы снова выйдут на мамонтов?

Поход за разумом

Вопросы по делу и не очень[3]

Заразные гены

… И парадоксы систематики

Где скрываются снежные люди

ЛИКБЕЗ

Лекции по биологии (продолжение)

Митоз, мейоз, гаметогенез, оплодотворение и эмбриональное развитие

Основные принципы наследования и наследственности

Связь генотипа и фенотипа: варианты проявления менделевских закономерностей

Сцепление и рекомбинация. мутации: роль в эволюции и индивидуальном развитии

Геномика

Геномика (часть 2)

Изменение популяционных частот аллелей у человека в различной природной и культурной среде

Экология

Нейробиология и генетика поведения

Эволюционная теория пола. биотехнологии. иммунология. передача сигналов в организме

Биоинформатика

Некоторые методы молекулярной биологии

Словарь терминов

КОМПЬЮТЕР

Базовый курс: Windows и Интернет

Лекция 1

Лекция 2

Лекция 3

Лекция 4

Лекция 5

Лекция 6

Лекция 7

Лекция 8

Лекция 9

Лекция 10

Лекция 11

Лекция 12

ЭЛЕКТРОНИКА

Термометр цифровой

Универсальный регулятор мощности

ТЕХНОЛОГИИ

Производство грибов

Глава 1

Глава 2

Глава 3

Глава 4

АКЦЕНТ

Муравьи-грибоводы

ЮМОР

Что должен знать каждый таракан об оружии массового поражения (памятка)

notes

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

Журнал «Домашняя лаборатория»

2008, № 5

МНЕНИЯ

Техношок или сложность?

Леонид АШКИНАЗИ

Утюг не вызывает у вас никаких эмоций — он прост; вы знаете, как он работает. Кусок металла, из коего он сделан, также не вызывает ни восторга, ни ужаса — хотя вы и не знаете, ни как он (металл) устроен, ни как он работает. Компьютеры и интернет вызвали море эмоций и бурю экстаза на нем: видимо, они лежат в каком-то смысле между утюгом и железом. В каком?

Утюг прост именно потому, что мы знаем, как он работает. Металл кажется нам простым, потому что мы не знаем его структуры или не заморачиваемся ее наличием. Увидь мы, как герой «Соляриса», все эти многоразличные атомы и бирнамский лес дислокаций — возопили бы: «Почему все это не рассыпается? Как все это передает тепло? Почему течет ток?!» Похоже, что ощущение непонимания возникает, когда мы наглядно представляем себе сложность структуры, но не можем проследить ее работу, функции, связи.

Заметим, что сложность определяется не количеством элементов. Цепь или транспортер просты и понятны при любом количестве элементов, и даже «молния» или веревка, состоящая из отдельных нитей, кажутся нам простыми и легкими для понимания (хотя насчет веревки мы обманываемся). Дело в сложности структуры.

Структура радиоприемника для меня проста, и его работа мне ясна. Структура Земли или звезды, пространственное распределение элементов в них мне не ясны, но непонимание работы связей меня не пугает — я не вижу сложностей связей там, где не вижу сложности структуры. Видите ли вы сложность структуры компьютера или интернета? Увы, да. Компьютеры и интернет вызывают шок у людей тогда, когда они понимают, знают или в некоторой степени представляют себе, как они сложны. Платы видел всякий, по крайней мере — на рекламе. Видел, но — хоть убей — не понимает, что там и как из одной коробочки в другую бегает. И главное — почему!

Как человек может защититься от стресса и как чаще всего он это делает? Первый, самый простой и очевидный способ, — не заглядывать внутрь компа и не глазеть на рекламу. Работает, потому что должно работать. Как водопровод — работает, потому что должен. А если не работает — есть специалисты, которые знают, как сделать так, чтобы работал. Второй, более сложный, — разобраться, как оно работает. Третий, это который и используется чаще всего, — построение псевдообъяснений.

Псевдообъяснение — это текст (иногда одна фраза), который содержит слова, относящиеся к наблюдаемому явлению, и слова, обычно используемые в действительных моделях. Это слова: «все», «потому что», «всегда», «влияет», «связано», «который» и многие другие. Слова эти можно разделить на несколько групп: слова, устанавливающие категории, объединяющие объекты в группы; слова, выделяющие объекты, присваивающие им какие-то свойства; слова, прямо указывающие на связи между объектами. Стало быть, эти слова можно назвать просто и вульгарно — «ученые слова». Но это не то, что обычно называют «учеными словами» — всякие непонятные термины, имена объектов и явлений, а «на самом деле» ученые слова. Т. е. слова, несущие научную информацию, указывающие на признаки (выделяющие или объединяющие), либо на связи. Сами имена учеными словами не являются — они становятся ими лишь тогда, когда мы знаем, что за ними стоит. «Глокая куздра» — бессмыслица, и даже утверждение «Петя — глокая куздра» — бессмыслица, пока я не знаю, что такое эта «куздра». А вот фраза «Петя — глокая куздра, и поэтому он кудланул» — уже наука.

Почему же ученые слова проливают бальзам на душу пипла? Почему вместо понимания экономики пипл изрекает «все воруют», и ему делается хорошо? Почему вместо исследования психологии конкретного человека пипл изрекает «потому что пьет», и все понимающе кивают? Почему эти слова обладают столь сладостным магнетическим действием? Потому что несчастный пипл учился в школе. И в том его трепетном возрасте, когда все так безнадежно и жестоко врезается в память, уродуя нежную, только начавшую миелинизироваться, кору головного мозга, в этом самом суперчувствительном возрасте деспот-препод со сверкающими глазами и капающим с ногтей зеленым ядом вдолбил… Сухой остаток: человек запомнил этот словарь, который в детстве сопровождал его попытки что-то понять. Тогда это было отчасти настоящее понимание (не купил игрушку, потому что нет денег; летает вокруг Земли, потому что Земля притягивает; не хочет, потому что нашла другого), отчасти — и с течением времени все больше и больше — псевдообъяснение.

А для расширения применимости есть еще такой прием: само слово толкуется не совсем четко или вообще говорится одно, а понимается — в силу особенностей психологии — другое. Вот один пример: в любом издании нынче можно прочесть

«Ученые установили, что А связано с В». Написано так, но пипл читает — «из А следует В». Сегодня читаю: «Ученые установили, что полные женщины получают меньшие зарплаты». Ага, — думает читатель, — мужики не любят полных и не дают им хороших должностей. Или наоборот: они их любят, злятся, что те не любят их, и поэтому не дают им хороших должностей. То есть можно думать любую глупость или вообще никакой, но «понимание» достигнуто, связь выявлена. На самом деле (если это вообще не простое вранье) ситуация такова: полнота иногда является следствием низкого уровня культуры, он коррелирует с низким образовательным уровнем, а уж он имеет следствием меньшую зарплату (в некоторых странах). Но пришлось напрягаться, и никакого тебе удовольствия. Гораздо лучше, если пресса кормит псевдообъяснениями, а читатель радостно ими хрумкает.

Почему такая ситуация устойчива? Потому что есть система, которая по чисто коммерческим причинам кормит потребителя «этим». Пипл хавает, отчего же его не кормить? Система проста — она дает человеку то, чего ему хочется, за что он готов платить. А хочется ему легкого. В некапиталистической, а еще лучше — тоталитарной системе все может быть наоборот. Приходит диктатор и говорит: всем ползти зигзугой, к завтрему выучить четвертый — как его? — закон Ньютона и все объяснять посредством него. Физик радуется и прыгает. «А как насчет русского языка?» — жалобно спрашивает гуманитарий. «А этим займется следующий диктатор», — отвечает философ. Историк благоразумно молчит…

Не надо понимать этот пафос как призыв к диктатуре. Тем более что он бесполезен — люди хотят жить хорошо, поэтому на больших временных интервалах диктатура обречена. А то, что прогресс науки и техники вместе с ростом производительности труда превращает большую часть человечества в грядку с овощами — увы. Можно, конечно, предложить кое-что, но, во-первых, все это уже рассматривалось в литературе, а во-вторых, речь не о прогнозе на сотни лет, а о сегодняшнем дне.

Вернемся к определениям. Что такое сложность? Интуитивное ощущение сложности возникает, если элементов много, структура соединений (граф, схема) сложна, типов элементов много. Иногда, впрочем, большие числа и не нужны. «Молния» состоит из двух типов элементов (зубья и ползунок), а можете ли вы объяснить, как она работает? Ну, еще есть упругие нити ткани… Веревка состоит из элементов двух (плетеная, с осевыми нитями) или даже одного типа (крученая). А как она работает? Поведение и «молнии», и веревки кажется простым, но… Так что, видимо, придется ввести две сложности — сложность функционирования и сложность понимания этого функционирования. Но, о ужас, как без понимания — если его нет — оценить сложность? Можно ли сказать, что сложность — это непредсказуемость? Но как быть с бросанием монетки? Можно исключить случайное поведение, потребовав, чтобы при одинаковых исходных условиях достигался одинаковый результат — но так исключаются из анализа сложные природные системы, например, человек (поди, создай для него сто раз одинаковые условия).

Вам не кажется, что по мере углубления в вопрос он становится все более интересным и все менее пугающим? И про техношок мы уже забыли, и сердчишко бьется ровно… Это и есть единственная реакция на сложность этого мира, за которую не должно быть стыдно мыслящему существу.

P.S. А началось-то все с мелочи. У Ст. Лема есть такой образ — «черная туча». Весьма сложно ведущая себя система из элементов одного типа. Вопрос — возможно ли такое?

Кстати — это сложный вопрос. У него, похоже, есть структура…

ЛИТПОРТАЛ

Ретрогенетика

Кир Булычев

Славный майский день завершился небольшой образцово-показательной грозой с несколькими яркими молниями, жестяным нестрашным громом, пятиминутным ливнем и приятной свежестью в воздухе, напоенном запахом сирени. Районный центр Великий Гусляр нежился в этой свежести и запахах.

Пенсионер Николай Ложкин вышел на курчавый от молодой зелени, чистый и даже кокетливый по весне двор с большой книгой в руках. По двору гулял плотный лысый мужчина — профессор Лев Христофорович Минц, который приехал в тихий Гусляр для поправки здоровья, подорванного напряженной научной деятельностью.

Николай Ложкин любил побеседовать с профессором на умственные темы, даже порой поспорить, так как сам считал себя знатоком природы.

— Чем увлекаетесь? — спросил профессор. — Что за книгу вы так любовно прижимаете к груди?

— Увлекся антропологией, — сказал Ложкин. — Интересуюсь проблемой происхождения человека от обезьяны.

— Ну и как, что-нибудь новенькое?

— Боюсь, что наука в тупике, — пожаловался Ложкин. — Сколько всего откопали, а до главного не докопались: как, где и когда обезьяна превратилась в человека.

— Да, момент этот уловить трудно, — согласился Лев Христофорович. — Может быть, его и не было?

— Должен быть, — убежденно ответил Ложкин. — Не могло не быть такого момента. Ведь что получается? Выкопают где-нибудь в Индонезии или Африке отдельный доисторический зуб и гадают: человек его обронил или обезьяна. Один скажет — "человек". И назовет этого человека, скажем, древнеантропом. А другой поглядит на тот же зуб и отвечает: "Нет, это зуб обезьяний и принадлежал он, конечно, древнепитеку". Казалось бы, какая разница, — никто не знает! А разница в принципе!

Минц наклонил умную лысую голову, скрестил руки на тугом, обтянутом пиджаком животе и спросил строго:

— И что же вы предлагаете?

— Ума не приложу, — сознался Ложкин. — Надо бы туда заглянуть. Но как? Ведь путешествие во времени вроде бы невозможно.

— Совершенная чепуха, — ответил Минц. — Я пытался сконструировать машину времени, забрался во вчерашний день и там остался.

— Не может быть! — воскликнул Ложкин. — Так и не вернулись?

— Так и не вернулся, — сказал Минц.

— А как же я вас наблюдаю?

— Ошибка зрения. Что для вас сегодня, для меня вчерашний день, — загадочно ответил Минц.

— Значит, никакой надежды? Профессор глубоко задумался и ничего не ответил. Дня через три профессор встретил Ложкина на улице.

— Послушайте, Ложкин, — сказал он. — Я вам очень благодарен.

— За что? — удивился Ложкин.

— За грандиозную идею.

— Что же, — ответил Ложкин, который не страдал излишней скромностью. Пользуйтесь, мне не жалко.

— Вы открыли новое направление в биологии!

— Какое же? — поинтересовался Ложкин.

— Вы открыли генетику наоборот.

— Поясните, — сказал Ложкин ученым голосом.

— Помните нашу беседу о недостающем звене, о происхождении человека?

— Как же не помнить.

— И ваше желание заглянуть во мглу веков, чтобы отыскать момент превращения обезьяны в человека?

— Помню.

— Тогда я задумался: что такое жизнь на Земле? И сам себе ответил: непрерывная цепь генетических изменений. Вот среди амеб появился счастливый мутант, он быстрее других плавал в первобытном океане или глотка у него была шире… От него пошло прожорливое и шустрое потомство. Встретился внук этой амебы с жуткой хищной амебихой — вот и еще шаг в эволюции. И так далее, вплоть до человека. Улавливаете связь времен?

— Улавливаю, — ответил Ложкин и добавил: — В беседе со мной нет нужды прибегать к упрощениям.

— Хорошо. Мы, люди, активно вмешиваемся в этот процесс. Мы подглядели, как это делает природа, и продолжаем за нее скрещивание, отбор, создаем новые сорта пшеницы, продолжаем эволюцию собственными руками.

— Продолжаем, — согласился Ложкин. — Хочу на досуге вывести быстрорастущий забор.

— Молодец. Всегда у вас свежая идея. Так вот, после беседы с вами я задумался, а всегда ли правильно мы следуем за природой? Природа слепа. Она знает лишь один путь — вперед, независимо от того, хорош он или плох.

— Путь вперед всегда прогрессивен, — заметил Ложкин.

— Тонкое наблюдение. А если нарушить порядок? Если все перевернуть? Вы сказали: как бы увидеть недостающее звено? Отвечаю — распутать цепь наследственности. Прокрутить эволюцию наоборот. Углубляясь в историю, добраться до ее истоков.

— Нам и без этого дел хватает, — возразил Ложкин.

— А перспективы? — спросил профессор, наклонив голову и прищурившись.

— Это не перспективы, а ретроспективы, — сказал Ложкин.

— Великолепно! — воскликнул Минц. — Чем пользуется генетика? Скрещиванием, и отбором. Нашу с вами новую науку мы назовем ретрогенетикой. Ретрогенетика будет пользоваться раскрещиванием, открещиванием и разбором. Генетика будет выводить новую породу овец, которой еще нет, а ретрогенетика — ту породу, которой уже нет. И ученым не надо будет копаться в земле. Заказал палеонтолог в лаборатории: выведите мне первого неандертальца, хочу поглядеть, как он выглядел. Ему отвечают: будет сделано.

— Слабое место, — заявил Ложкин.

— Слабое место? У меня?

— Ваш неандерталец жил миллион лет назад. Вы что же, собираетесь миллион лет ждать, пока его снова выведете?

— Слушайте, Ложкин. Если бы мы отдавались на милость природе, то сорта пшеницы, которые колосятся на колхозных полях, вывелись бы сами по себе через миллион лет. А может, и не выведись бы, потому что природе они не нужны.

— Ну, не миллион лет, так тысячу, — не сдавался Ложкин. — Пока ваш неандерталец родится, да еще своих предков народит…

— Нет, нет и еще раз нет, — сказал профессор. — Зачем же нам реализовывать все поколения? В каждой клетке закодирована ее история. Все будет, дорогой друг, на молекулярном уровне, как учит академик Энгельгардт.

— Ну ладно, выведете вы, что было раньше. А что дальше? Какая польза от этого народному хозяйству?

Ответ на свой вопрос Ложкин получил через три месяца, когда пожелтели липы в городском саду и дети вернулись из пионерских лагерей.

Лев Христофорович стоял у ворот и чего-то ждал, когда Ложкин, возвращаясь из магазина с кефиром, увидел его.

— Как успехи? — поинтересовался он. — Когда увидим живого неандертальца?

— Мы его не увидим, — отрезал профессор. Он осунулся за последние недели: видно, много было умственной работы. — Есть более важные проблемы.

— Какие же?

— Вы знакомы с Иваном Сидоровичем Хатой?

— Не приходилось, — сказал Ложкии.

— Достойный человек, заведующий фермой нашего пригородного хозяйства "Гуслярец". Зоотехник, смелый, рискованный. Большой души человек.

Тут в ворота въехал газик, из которого выскочил шустрый очкастый человечек большой души.

— Поехали? — предложил он, поздоровавшись.

— С нами Ложкин, — сказал Минц. — Представитель общественности. Пора общественность знакомить.

— Не рано ли? — обеспокоился Хата. — Спугнут…

— Нам ли опасаться гласности? — спросил Минц. После короткого путешествия газик достиг животноводческой фермы. Рядом с коровником стоял новый высокий сарай.

— Ну что же, заходите, только халат наденьте. Хата выдал Ложкину и Минцу халаты и сам тоже облачился. Ложкин ощутил покалывание в желудке и приготовился увидеть что-нибудь необычное. Может, даже страшное. Но ничего страшного не увидел.

Под потолком горело несколько ярких ламп, освещая кучку мохнатых животных, жевавших сено в дальнем углу.

Ложкин присмотрелся. Животные были странными, таких ему раньше видеть не приходилось. Они были покрыты длинной рыжей шерстью, носы у них были длинные, ноги толстые, как столбы. При виде вошедших людей животные перестали жевать и уставились на них маленькими черными глазками. И вдруг захрюкали, заревели и со всех ног бросились навстречу Хате и Минцу, чуть не сшибли их, ластились, неуклюже прыгали, а профессор начал доставать из карманов халата куски сахара и угощать животных.

— Что за звери? — спросил Ложкин, отошедший к стенке, подальше от суматохи.

— Почему не знаю?

— Не догадались? — удивился Хата. — Мамонтята. Каждому ясно.

— Мне не ясно, — сказал Ложкин, отступая перед мамонтенком, который тянул к нему недоразвитый хоботок, требуя угощения. — Где бивни, где хоботы? Почему мелкий размер?

— Все будет, — успокоил Ложкина Минц, оттаскивая мамонтенка за короткий хвостик, чтобы не приставал к гостю. — Все с возрастом отрастет. Ваше удивление мне понятно, потому что вам не приходилось еще сталкиваться с юными представителями этого славного рода.

— Я и со старыми не сталкивался, — возразил Ложкин. — И прожил, не жалуюсь. Откуда вы их откопали?

Неужели не догадались? Они же выведены методом ретрогенетики раскрещиванием и разбором. Из слона мы получили предка слонов и мамонтов близкого к мастодонтам. Потом люди пошли обратно и вывели мамонта.

— Так быстро?

— На молекулярном уровне, Ложкин, на молекулярном уровне. Под электронным микроскопом. Методом раскрещивания, открещиваиия и разбора. И вы понимаете теперь, почему я отказался от соблазнительной идеи отыскать недостающее звено, а занялся мамонтами?

— Не понимаю, — сказал Ложкин.

— Вы, товарищ, видно, далеки от проблем животноводства, — вмешался Иван Хата, — Ни черта не понимаете, а критикуете. Нам мамонт совершенно необходим. Для нашей природной зоны.

— Жили без мамонта и прожили бы еще, — упорствовал Ложкин.

— Эх, товарищ Ложкин, — в голосе Хаты звучало сострадание. — Вы когда-нибудь думали, что мы имеем с мамонта?

— Не думал. Не было у меня мамонта.

— С мамонта мы имеем шерсть. С мамонта мы имеем питательное мясо, калорийное молоко и даже мамонтовую кость…

— Но главное, — воскликнул Минц, — бесстойловое содержание! Круглый год на открытом воздухе, ни тебе утепленных коровников, ни специальной пищи. А подумайте о труднодоступных районах Крайнего Севера: мамонт там — незаменимое транспортное средство для геологов и изыскателей.

Прошло еще три месяца.

Однажды к дому № 16 по Пушкинской, где проживал Лев Христофорович, подъехала сизая "волга", из которой вышел скромный на вид человек средних лет в дубленке. Он вынул изо рта трубку, поправил массивные очки, снисходительно оглядел непритязательный двор, и его взгляд остановился на Ксении Удаловой, которая развешивала белье:

— Скажите, гражданка, если меня не ввели в заблуждение…

— Вы корреспондент будете? — спросила Ксения.

— Вот именно. Из Москвы. А как вы догадались?

— А чего не догадаться, — ответила Ксения. — Восемнадцатый за неделю. Поднимитесь на второй этаж, дверь открыта. Лев Христофорович отдыхает.

Поднимаясь по скрипучей лестнице в скромную обитель великого профессора, журналист бормотал: "Шарлатанство. Ясно, шарлатанство. Вводят в заблуждение общественность…"

— Заходите, — откликнулся на стук профессор Минц. Он в тот момент отдыхал, а именно: читал "Химию и жизнь", слушал последние известия по радио, смотрел хоккей по телевизору, гладил брюки и думал.

— Из Москвы. Журналист, — сказал гость, протягивая удостоверение. — Это вы тут мамонтов разводите?

Журналист произнес это таким тоном, словно подразумевал: "Это вы водите за нос общественность?"

— И мамонтов, — скромно ответил профессор, прислушиваясь к сообщениям из

Канберры и радуясь мастерству лучшего в сезоне хоккеиста.

— С помощью… — журналист извлек из замшевого кармана записную книжку, — ретро, простите, генетики?

Доверчивый Минц не уловил иронии в голосе журналиста.

— Именно так, — подтвердил он и набрал из стакана в рот воды, чтобы обрызгать брюки.

— И есть результаты?

Минц провел раскаленным утюгом по складке, поднялось облако пара.

— С этим надо что-то делать, — сказал Минц. Он имел в виду брюки и ситуацию в Австралии.

— И все-таки, — настаивал журналист. — Можно взглянуть на ваших мамонтов?

— А почему бы и нет? Они в поле пасутся. Добывают корм из-под снега.

— Ясно. А еще каких-нибудь животных вы можете вывести?

— Будете проходить мимо речки, — сказал Минц, — поглядите в полынью. Там бронтозавры. Думаем потом отправить их в Среднюю Азию для расчистки ирригационных сооружений.

В этот момент в окно постучала длинным, усеянным острыми зубами клювом образина. Крылья у образины были перепончатые, как у летучей мыши. Образина гаркнула так, что зазвенели стекла и форточка сама собой открылась.

— Не может быть! — сказал журналист, отступая к стене. — Это что такое? Ма монт?

— Мамонт? Нет, это Фомка. Фомка — птеродактиль. Когда вырастет, размахнет свои крылья на восемь метров.

Минц отыскал под столом пакет с тресковым филе, подошел к форточке и бросил пакет в разинутый клюв образине. Птеродактиль подхватил пакет и заглотнул, не разворачивая.

— Зачем вам птеродактиль? — спросил журналист. — Только людей пугать.

Он был уже не так скептически настроен, как в первый момент.

— Как зачем? Птеродактили нам позарез нужны. Из их крыльев мы будем делать плащи-болоньи, парашюты, зонтики, наконец. К тому же научим их пасти овец и охранять стада от волков.

— От волков? Ну да, конечно… — Журналист прекратил расспросы и вскоре удалился.

"Возможно, это, до определенной степени, и не шарлатанство, — думал он, спускаясь по лестнице к своей машине, — но, по большому счету, это все-таки шарлатанство".

Весь день до обеда корреспондент ездил по городу, издали наблюдал за играми молодых мамонтов, недовольно морщился, когда на него падала тень пролетающего птеродактиля, и вздрагивал, заслышав рев пещерного медвежонка.

— Нет, не шарлатанство, — повторял он упрямо. — Но кое в чем хуже, чем шарлатанство.

Весной в журнале, где состоял тот корреспондент, появилась статья под суровым заглавием: "ПЛОДЫ ЛЕГКОМЫСЛИЯ".

Нет смысла передавать опасения и измышления гостя. Он предупреждал, что новые звери нарушат и без того неустойчивый экологический баланс, что пещерные медведи и мамонты представляют опасность для детей и взрослых. А в заключение журналист развернул страшную картину перспектив ретрогенетики:

"Безответственность периферийного ученого и пошедших у него на поводу практических работников гуслярского животноводства заставляет меня бить тревогу. Эксперимент, не проверенный на мелких и безобидных тварях (жуках, кроликах и т. д.), наверняка приведет к плачевным результатам. Где гарантия тому, что мамонты не взбесятся и не потопчут зеленые насаждения? Что они не убегут в леса? Где гарантия тому, что бронтозавры не выползут на берег и не отправятся на поиски новых водоемов? Представьте себе этих рептилий, ползущих по улицам, сносящих столбы и киоски. Я убежден, что птеродактили, вместо того, чтобы пасти овец и жертвовать крыльями на изготовление зонтиков, начнут охотиться на домашнюю птицу, а может быть, на тех же овец. И все кончится тем, что на ликвидацию последствий непродуманного эксперимента придется мобилизовать трудящихся и тратить народные средства…"

Статья попалась на глаза профессору Минцу лишь летом. Читая ее, профессор лукаво улыбался, а потом захватил журнал с собой на открытие межрайонной выставки.

Центром выставки, как и следовало, предполагать, был павильон "Ретрогенетика". Именно сюда спешили люди со всех сторон, из других городов, областей и государств.

Пробившись сквозь интернациональную толпу к павильону, Лев Христофорович оказался у вольеры, где гуляли мамонты.

Было жарко, поэтому мамонты были коротко острижены и казались поджарыми, словно собаки породы эрдельтерьер. У некоторых уже прорезались бивни. Птеродактили сидели у них на спинах и выклевывали паразитов. В круглом бассейне посреди павильона плавали два бронтозавра. Время от времени они тяжело поднимались на задние лапы и, прижимая передние к блестящей груди, выпрашивали у зрителей плюшки. У кого из зрителей не было плюшки, кидали пятаки.

Здесь, между вольерой и бассейном, Минц увидел Ложкина и Хату и прочел друзьям скептическую статью.

Смеялись не только люди. Булькали от хохота бронтозавры, трубили мамонты, а один птеродактиль так расхохотался, что не мог закрыть пасть, пока не прибежал служитель и не стукнул весельчаку как следует деревянным молотком по нижней челюсти.

— Неужели, — сказал профессор, когда все отсмеялись, — этот наивный человек полагает, что мы стали бы выводить вымерших чудовищ, если бы не привили им генетически любви и уважения к человеку?

— Никогда, — отрезал Ложкин. — Ни в коем случае. Птеродактиль, все еще вздрагивая от смеха, стуча когтями по полу, подошел к профессору, и тот угостил его конфетой. Маленькие дети по очереди катались верхом на мамонтах, подложив под попки подушечки, чтобы не колола остриженная жесткая шерсть. Бронтозавры собирали со дна бассейна монетки и честно передавали их служителям. В стороне скулил пещерный медведь, потому что его с утра никто не приласкал.

…В тот день столичного журналиста, неудачливого пророка, до полусмерти искусала его домашняя сиамская кошка.

ГОСТИНАЯ

У нас в гостях журнал «Компьютерра»^[1]

Расшифровка прошлого

Юрий Ильин

"Чудища" из прошлого, которого человечество не может помнить, для большинства людей не являют собой ничего более картинок в школьных учебниках, констатации факта, что да, были и такие твари на Земле, но теперь их нет. И может, хорошо, что нет: едва ли благочинного обывателя порадовало бы соседство с тиранозаврами, — даже на одной планете.

Какими были вымершие животные, и почему они погибли? Кроме динозавров, которые исчезли задолго до появления человечества, были существа, сосуществовавшие с людьми. Что случилось с мамонтами или, к примеру, нашими собственными непонятными родственниками — неандертальцами? Действительно ли они оказались тупиковой ветвью, или мы соседствуем с их прямыми или не очень потомка-

Над расшифровкой геномов шерстистых мамонтов и неандертальцев учёные кропотливо работают и даже добились некоторых результатов. А вот с динозаврами… В обозримом будущем материализации "Парка Юрского периода" можно не ждать. Хотя…

Эластичные ткани

Ранней весной 2005 года палеонтологи из Университета Северной Каролины наделали шуму известием, что им удалось извлечь из окаменелых, казалось бы, костей тиранозавра, фрагменты эластичных тканей.

Палеонтолог Мэри Швайцер и её коллеги с помощью специального состава, растворяющего содержащие кальций структуры, выделили фрагменты мягкой, гибкой структуры, напоминающей кровеносные сосуды. Мало того, их строение чрезвычайно сильно (просто-таки до идентичности) напоминало кровеносные сосуды современных страусов, что в очередной раз доказывает высокую степень родства современных птиц с древними ящерами.

Спустя несколько месяцев та же команда палеонтологов сообщила о ещё более интересной подробности. Оказалось, что те самые недоокаменелые останки принадлежали молодой самке тиранозавра, погибшей в период вызревания яиц.

По мнению исследователей, та эластичная ткань представляла собой тонкий слой так называемой медуллярной ткани — пронизанной сосудами костной ткани, который встречается в полых костях ног у самок современных птиц в период овуляции. Когда последнее вызревшее яйцо отложено, она полностью рассасывается в организме.

По словам Мэри Швайцер, медуллярная ткань, извлечённая из окаменелых останков тиранозавра, и фрагменты такой ткани у современных страусов оказались "практически идентичными по структуре, расположению и даже цвету". Это, вероятно, отчасти отвечает на вопрос, кто сегодня на самом деле является ближайшими родственниками динозавров.

Когда стало известно об извлечении эластичной ткани, естественно встал вопрос: уцелели ли в ней белки? Удастся ли их извлечь? Если это произойдёт, то можно получить целую ДНК тиранозавра?

Похоже, что сделать это, увы, пока не удалось. По крайней мере, никаких новостей на этот счёт с прошлого года не поступало. И, скорее всего, это вообще невозможно. Вероятность обнаружить ткани, где белки не замещены минералами после миллионов лет лежания в земле, стремится к нулю.

А вот с шерстистым мамонтом всё обещало быть намного интереснее…

Дело о мамонте

В 1986 году на Чукотке из вечной мерзлоты выкопали неплохо сохранившиеся останки шерстистого мамонта. Радиоуглеродный анализ показал, что им приблизительно 33 тысячи лет.

В начале февраля 2006 года международная группа генетиков во главе с профессором Евгением Рогаевым объявила, что им удалось полностью расшифровать митохондриальную ДНК шерстистого мамонта, основываясь как раз на том материале, который был извлечён ещё двадцать лет назад на Чукотке.

Несколькими месяцами ранее немецкие генетики отрапортовали о том, что они смогли расшифровать фрагменты митохондриальной ДНК мамонта. Учёные использо вали крошечный образец мамонтовой кости (массой всего 200 мг) из кладбища мамонтов у реки Бёрёлёх в Якутии. Им удалось извлечь, расшифровать и затем объединить 23 фрагмента митохондриальной ДНК мамонта.

Расшифровать фрагменты митохондриальной ДНК удавалось и ранее, но реконструировать всю последовательность длиной 16 842 нуклеотидов — секвенсировать, удалось только профессору Рогаеву.

С помощью митохондриальной ДНК клонировать живое существо невозможно, а вот для эволюционных реконструкций она оказывается как нельзя кстати: митохондриальная ДНК передается только по материнской линии и не рекомбинирует, то есть отцовские гены не перемешиваются с материнскими.

Благодаря расшифровке удалось установить, что популяция мамонтов, распространившаяся по всей Сибири, была в генетическом плане очень однородна. Рогаев и его коллеги также пришли к выводу, что генетически сибирские мамонты наиболее близки к индийским слонам, — хотя и отличаются от них довольно существенно. Общим предком был африканский слон, а разделение последующих ветвей произошло, по мнению команды Рогаева, где-то около 4 миллионов лет назад. Его немецкие коллеги называли несколько иной срок — 5,5 миллионов лет назад.

Между тем, из останков мамонтов удалось извлечь не только митохондриальную, но и ядерную ДНК. Её расшифровкой активно занимались Хендрик Пойнар и Рос Макфи — сотрудники Центра изучения ДНК древних животных при Университете Макмастера в Гамильтоне (штат Онтарио, США) и Американского музея естественной истории в Нью-Йорке. С помощью системы Genome Sequencer 20 System они секвенсировали 28 миллионов базовых пар из фрагментов ДНК, содержавшихся в одном грамме костной ткани мамонта.

Когда полученные результаты сравнили с 13 миллионами базовых пар генома африканского слона, выяснилось, что совпадает около 98,55 % генома. Это лишний раз подтверждает, что разделение видов случилось приблизительно 5 миллионов лет назад.

В октябре уже этого года Пойнар сообщил на собрании Общества палеонтологии позвоночных в Оттаве, что его соратникам удалось провести несколько дополнительных сеансов анализа с использованием Genome Sequencer 20 и проанализировать ещё 20 миллионов базовых пар.

В теории, результаты этого проекта должны были бы позволить клонировать мамонта и воскресить сгинувший биологический вид. Однако недавно стало известно, что у проекта банально не хватает средств на "продолжение банкета". Для того чтобы оплатить дальнейшую работу на Genome Sequencer 20 им срочно требуются 500 тысяч долларов, которых у учёных нет.

Неандертальцы у ворот?

Школьные учебники биологии гласят, что на сегодняшний день Землю населяет один вид Человека разумного. Сколь бы сильно ни отличались друг от друга внешне представители разных рас, все шесть с лишним миллиардов людей, населяющих планету, относятся к одному и тому же биологическому виду, и генетическое разнообразие оказывается меньшим, чем у разных популяций шимпанзе, населяющих один только Африканский континент. По мнению генетиков, это означает, что около 70 тысяч лет назад общая численность представителей Homo sapiens составляла не более 2000 "голов".

В те времена вид Homo sapiens был ещё не единственным представителем рода Homo. На сегодняшний день главными "конкурентами" считают неандертальцев — Homo neanderthalis. Они соседствовали с Человеком разумным, но полностью исчезли с лица Земли 24–33 тысяч лет назад.

Причины их исчезновения, как и в случае с мамонтами, неизвестны, хотя на этот счёт есть немало гипотез. Одна из гипотез состоит в том, что Homo sapiens оказались более приспособленными к окружающей среде, более способными к разделению труда, и, наконец, производили более эффективный инструментарий и оружие. В итоге люди выжили неандертальцев из пригодных для проживания мест. Согласно другой известной гипотезе, неандертальцы и люди просто слились в один вид.

Генетически Homo neanderthalis и Homo sapiens идентичны примерно на 99,95 %, указывает Эдвард Рубин, сотрудник Объединённого института генетических исследований при Министерстве энергетики США, возглавляющий один из проектов по расшифровке фрагментов ДНК неандертальца.

Сходство, казалось бы, колоссальное, однако, например, и с шимпанзе у нас весьма много общего: 98 с лишним процентов одинаковых генов. Все особенности Человека разумного заключаются в той самой "крошечной разнице".

Полпроцента разницы — это, по всей видимости, куда как существенно. По словам Рубина, никаких признаков того, что в последние примерно 30–40 тысяч лет имело место межвидовое скрещивание, сколько-нибудь повлиявшее на генофонд Homo sapiens или Homo neanderthalis, увидеть пока не удаётся. "Мы не исключаем этого, но признаков скрещивания не видим", — говорит он.

Коллега Рубина, Сванте Паабо из Института эволюционной антропологии имени Макса Планка — один из первых в мире исследователей, занимавшихся расшифровкой ДНК неандертальцев, согласен с тем, что неандертальцы и Homo sapiens друг с другом не скрещивались. Паабо и его сотрудники используют для расшифровки ДНК неандертальцев примерно такой же аппарат, как тот, что использовали Хендрик Пойнар и его коллеги для секвенсирования ДНК мамонта. Через два года они рассчитывают полностью отследить геном неандертальца.

Учёных интересует, что именно сделало нас "людьми разумными"? И хотя все отдают себе отчёт в том, что со всей степенью точности восстановить последовательность исторических событий не удастся, само понимание, какие именно гены и когда изменились, и что могло стать причиной их изменения, позволит человечеству, наконец, более-менее точно установить собственное происхождение. По крайней мере, биологическое.

Пока тайна не разгадана. И если даже это произойдёт, возникают некоторые вопросы, как это может повлиять на самосознание человечества, и повлияет ли вообще. Ведь, в общем и целом, западный мир более-менее свыкся с тем, что "человек произошёл от обезьяны", даром, что ничего такого Дарвин, в сущности, и не говорил, а лишь только называл обезьяну нашим ближайшим родичем… В то же время растёт число тех, кто гневливо потрясая хоругвями, громогласно вопрошает у окружающих, что им больше по душе, быть "потомками обезьяны" или "образом и подобием божьим". И хотя речь, в сущности, совсем о другом, определение тех самых генов, которым мы обязаны наличием у нас разума, так уж ли оно обрадует кого-то, кроме самих учёных?

Неандертальцы снова выйдут на мамонтов?

Дмитрий Шабанов

Главной идеей Николая Федорова, одного из основателей русского космизма, была патрификация — "воскрешение отцов" (умерших поколений людей). Федоров не знал, как естественные науки смогут решить эту задачу, но не сомневался, что они что-то придумают. Благодаря научному чуду, человечество выполнит свое предназначение, и Бог воплотится в нем. Не надо иронизировать над Федоровым — им двигало острое ощущение несправедливости того, что со смертью человека уходит целый мир.

В начале XXI века идеи наподобие федоровских реализуются синтетической геномикой, которая достигла определенных промежуточных успехов. Конечно, пока энтузиастов воскрешения интересуют не конкретные люди, а целые виды. Когда-то распространенная вера, что сущность личности человека исчерпывается его генотипом, теперь стала чем-то вроде веры в плоскую Землю. Увы, представления о том, что сущность вида можно выразить на языке четырех букв генетического алфавита, пока вполне жизнеспособны(хотя имеют столь же ненадежные научные основания).

Каковы же нынешние успехи синтетической геномики? Недавно исследовательский центр Крейга Вентера ["КТ" уже упоминала этого мультимиллионера, одного из лидеров расшифровки генома человека (в значительной части — своего собственного): "Трудно быть богом" ("КТ" #599–600)] сообщил о пересадке бактериального генома. Речь идет о двух видах [Надо понимать, что слово "вид" используется здесь достаточно условно. По крайней мере, вид у микоплазм — совсем не то, что, к примеру, вид у млекопитающих] микоплазм — одних из самых простых клеточных организмов, известных науке. Геном Mycoplasma mycoid.es (возбудителя пневмонии коров) был перенесен в культуру клеток бактерии Mycoplasma capricolum (вызывающей полиартрит у коз). Через некоторое время в этой культуре появлялись клетки вида-донора. Вероятно, микоплазма поглощала чужую хромосому (у этих бактерий нет клеточной стенки), а затем делилась и передавала ее одной из дочерних клеток. Следующий запланированный шаг — пересадка искусственной хромосомы, которую Вентер приравнивает к созданию искусственной жизни.

Что получается с бактериями, получится и с млекопитающими? Специалисты из Института Макса Планка в Лейпциге описали, какие именно нарушения происходят в ископаемой ДНК — например, ДНК неандертальца. Зная правила изменения генетического текста, можно будет определить его исходный вид. Например, детальное сравнение наследственной информации Homo neandertalensis и Homo sapiens должно помочь определить те белки, с изменением которых связано наше эволюционное становление. Это может быть важно, например, для медицины — можно создать управляющие этими белками лекарства.

Лекарства лекарствами, но энтузиасты и в Европе, и в Америке увидели в этой ситуации шанс на восстановление недавно вымерших видов. Соберем полные геномы мамонтов и неандертальцев, поместим их в яйцеклетки слона и современного человека (соответственно), и, глядишь, воскрешенные неандертальцы снова смогут охотиться на воскрешенных мамонтов! Дает ли перестановка геномов бактерий шанс на такую перспективу?

Большинству из грамотных и культурных людей (а все прочие вообще не заморачиваются подобными вопросами) кажется, что механизмы развития должны быть в главных чертах общими для всех организмов, от бактерий до млекопитающих. Мифология синтетической теории эволюции предусматривает, что эволюция началась со случайного возникновения механизма наследственности, в котором случайные ошибки матричного копирования обеспечивают изменчивость, достаточную для того, чтобы из бактерий появились секвойи, киты и люди. Но погодите, эволюция ведь — способ выработки адаптаций (приспособлений), приведения индивидуального развития в соответствие с возможностями, предоставляемыми внешней средой. В соревновании за жизнь выигрывали те группы, которые вырабатывали требуемые адаптации быстрее. С ходом времени количество взаимосвязей между геномом и клеткой в целом стремительно росло. Клетка "училась" управлять своим геномом, одной из своих многих подсистем. Наследственная информация — не причина и не квинтэссенция клетки, а один из ее инструментов для приспособления к среде!

Эволюция эволюции привела к тому, что индивидуальное и историческое развитие бактерий и людей существенно отличается. Сегодня нет никаких надежд повторить на мамонтах или неандертальцах результат, полученный на микоплазмах. Бактерия — молекулярный робот, а в наших клетках количество взаимосвязей между элементами несоизмеримо выше. Чтобы клонировать упомянутые виды, нужны не их геномы, а их живые клетки, которые неоткуда взять [Хотя на сегодняшнем уровне развития биологи не смогли бы сладить даже с живой клеткой — клонирование млекопитающих продолжает сталкиваться с серьезными проблемами].

Появится ли когда-то такая возможность? Помните классический пример ошибочности заявлений об ограниченности науки? В качестве примера фундаментально недоступного знания Огюст Конт назвал химический состав звезд. Прошло не так много времени, и был открыт спектральный анализ. Завтра сообщат о фундаментальном прорыве в изучении регуляции онтогенеза? Я первый этому порадуюсь: мне будет интересно. Впрочем, надежды на такой прорыв у меня мало, ведь сложность рассматриваемых процессов многократно превосходит сложность любых задач, когда бы то ни было решенных человечеством. Оно решит их не сейчас, а позже? Когда? Путь, который нужно пройти, очень долог. Просуществует ли требуемое время само человечество, будет ли оно практиковать фундаментальные научные исследования?

И подумайте, какие сложности вызовет воскрешение неандертальцев. Как решить: надо будет их содержать в зоопарках или они будут получать паспорта и водительские удостоверения?

Без комментариев.

Поход за разумом

Елена Наймарк

В конце XIX века человечество взволнованно обсуждало, действительно ли предок Его Величества Человека — презренная обезьяна. Одним для смиренного признания животных прародителей оказалось достаточно стройной логики Дарвина. Другим требовалось что-то более осязаемое, нежели логика и косвенные доводы.

В 1893 году голландский антрополог Дюбуа нашел на острове Ява череп, сочетающий в себе обезьяньи и человеческие черты. Его обладателя так и назвали питекантропом, то есть "обезьяночеловеком", а много позже все-таки причислили к человеческому роду под именем "человек прямоходящий". Вскоре в Германии были найдены неандертальцы, а во Франции — кроманьонцы. В 1925 году Раймонд Дарт откопал в Южной Африке древнейшие останки обезьяноподобного существа с маленькой черепной коробкой, ходившего на двух ногах и имевшего человеческие зубы. Это существо получило имя австралопитек — "южная обезьяна". Спустя треть века Льюис и Мэри Лики в ущелье Олдувай (Танзания) обнаружили останки двуногого существа, изготовлявшего примитивные каменные орудия из речной гальки, и назвали его Homo habilis, то есть человек умелый.

Таким образом, необходимые звенья цепи превращений обезьяны в человека были собраны. Дотошные любители фактических подтверждений были удовлетворены. Все выстроилось в простую линию: человекообразные обезьяны спустились с деревьев на землю и стали двуногими австралопитеками. Из-за прямохождения у древних гоминид освободились руки, что привело к эволюции руки и увеличению мозга — и вот появился "человек умелый". Он, в свою очередь, эволюционировал, совершенствуя навыки ручной работы и структуру мозга, и мало-помалу превратился в "человека прямоходящего". Дальнейшая его эволюция привела к образованию охотника-неандертальца и через него человека разумного. (Поначалу неандертальцев считали предками Homo sapiens, но вскоре их сочли тупиковой ветвью эволюции Homo.) Человек постепенно становился на ноги и выпрямлялся, умнел и потихоньку учился разговаривать — все в рамках теории естественного отбора и неторопливого накопления полезных признаков. За столетний период изучения сформировалось совершено определенное представление, кого называть человеком, то есть относить к роду Homo. По словам Льюиса Лики, человек — это двуногое прямоходящее существо с объемом черепа не меньше 600 см³. Иными словами, австралопитеков с когортой их обезьяньих предков оставляем за чертой Homo, а все, что появилось после австралопитеков, причисляем к людям. Почти все новые находки, кроме черепа человека с озера Рудольф (Homo rudolfensis), попавшие к ученым в течение XX века, хорошо укладывались и в теорию постепенного превращения обезьяны в человека, так что это определение человека было вполне оправдано. Соответствие теории и фактов было до того успокаивающим, что недоверчивое отношение к эволюционному превращению обезьян в людей считалось либо невежеством, либо социальным эпатажем.

Лавка древностей

В 1974 году антрополог Джохансон откопал в Эфиопии остатки австралопитека, точнее, австралопитечки, которая жила около 3 млн. лет назад, то есть раньше, чем все ее известные сородичи. Именно эта древняя дама, названная Люси, была признана тогда нашей древнейшей праматерью. Через двадцать лет (1995) в Кении Мив Лики обнаружила еще более древних австралопитеков, возрастом 4 млн. лет.

Ни находка Люси, ни обнаружение ее предков не нарушили линейной человеческой истории, только "удревнили" ее корни.

Но вот в конце XX века появились сообщения о двух новых видах австралопитеков — Australopithecus garhi и А. bahrelghazali, которые жили около 2,5 млн. лет назад — одновременно с другими видами австралопитеков. Теперь уже невозможно было выстроить линейную цепочку от самого древнего и примитивного австралопитека к "самому двуногому и рукастому" человеку. Ведь не меньше четырех видов древних гоминид претендовали на роль предков человека умелого. Все запуталось.

Еще большую путаницу внесли находки нескольких фрагментов костей, извлеченные на свет божий тремя годами позже все тем же кланом Лики. Древние кости лежали в слоях вулканического пепла возрастом 3,5 млн. лет. Принадлежали они человекоподобному существу, ходившему на двух конечностях, с небольшой черепной коробкой, но плоским лицом и мелкими зубами. По всем признакам это был не австралопитек, но и не Homo. Тогда кто же он и какое отношение имеет к превращению обезьяны в человека? Лики назвали новоявленного члена человеческой семьи кениантропом плосколицым, подыскав ему среди ранее известных загадочных черепов близкого потомка — Homo rudolfensis. Кениантроп по ряду признаков больше походил на представителей рода Homo, чем австралопитеки. Перед антропологами встал вопрос, с каким родом следует соотносить кениантропа и от кого вести род Homo: от австралопитеков или кениантропов? Если непосредственными предками человеческого рода считать кениантропов, то его прямым потомком будет Homo rudolfensis; тогда в стороне от дел останутся человек умелый и поздние австралопитеки, от которых раньше тянули линию людей. Если же оставить предками человека австралопитеков, то куда девать ветвь кениантропов?

Пока ученые гадали, какие перестановки сделать в эволюционном ряду древних гоминид, Мартин Пикфорд отправился в Кению за новым материалом. И вот среди холмов Туджен в 2000 году экспедиция обнаруживает остатки нового, доселе неизвестного представителя гоминид. По характерным особенностям скелета ученые установили, что он обладал небольшим мозгом, но вполне человеческими зубами и довольно уверенно ходил на двух ногах. По этим признакам существо следовало бы отнести к непосредственным предкам Homo. Но возраст этих существ составлял 6 млн. лет! Они жили на 2 млн. лет раньше австралопитеков и на 2,5 млн. лет раньше кениантропа! Orrorin tugenensis — такое ученое название получило это существо, а публика дала ему пышное прозвище — "Millennium Man" — человек тысячелетия.

В том же году появились сообщения еще об одном представителе гоминид — ардипитеке кадабба, найденном международной антропологической командой в Эфиопии, в слоях с датировками 5,8–5,7 млн. лет, то есть чуть моложе оррорина. Его имя говорит само за себя: "кадабба" на местном афарском языке означает "основатель рода". Как и оррорин, кадабба обитал в лесистой местности, но ходил на двух ногах, и клыки у него были маленькие, не обезьяньи.

Вскоре на юге Сахары, в пустыне Дьюраб, был найден еще один древнейший прачеловек — сахелантроп. Превосходно сохранившийся череп одной особи и фрагментарные остатки еще пяти особей позволили воспроизвести облик сахелантропа: относительно плоское лицо, маленькая черепная коробка объемом не больше 350 см³, вытянутая в затылочной части наподобие обезьяньей, и вместе с тем непохожие на обезьяньи слабые клыки. Он жил около большого озера, бродил по его берегам на двух ногах. Это самый древний из известных гоминид, живший 6–7 млн. лет назад. Слава открытия древнейшего прародителя разделилась по крупицам: сахелантропа описала целая международная команда из 38 ученых. И правильно: пусть древнейший человек принадлежит всему человечеству.

Последняя сенсационная антропологическая находка — человек с острова Флорес. На этом маленьком островке на востоке Индонезии ученые обнаружили прекрасно сохранившиеся кости крошечного существа, ростом с пятилетнего ребенка, однако по всем анатомическим признакам вполне взрослого. Телосложением он напоминал уменьшенных питекантропов с объемом мозга около 380 см³, без шерстистого покрова и с плоским лицом, на котором выступали вперед челюсти с крупными зубами. Он пользовался отнюдь не примитивными каменными орудиями и охотился на местных карликовых слонов стегодонов. Эти люди, названные Homo floresiensis, но немедленно получившие кличку "хоббиты", жили 38–18 тысяч лет назад. Получается, что они были современниками и неандертальцев, и кроманьонцев… Предполагается, что 850 тысяч лет назад одна из ветвей "человека прямоходящего" — питекантропа — во время миграции в Азию попала на остров. После этого их эволюция шла изолированно, что привело к появлению мелкого островного вида. Для многих островных видов самых разных животных и растений характерны более мелкие размеры, чем у их континентальных прародителей. Правда, находятся и скептики, утверждающие, что остатки "хоббитов" принадлежат уродливым или больным особям сапиенсов. Дабы установить истину, ученые продолжают раскопки в ожидании нового материала.

Согласно данным молекулярной биологии, линии людей и человекообразных обезьян разошлись около 6–6,5 млн. лет назад. Датировки находок сахелантропа, оррорина и кадаббы лежат совсем близко от этого узла. Выходит, что многие человеческие признаки: двуногость, прямохождение, мелкие зубы, плоское лицо — появились в эволюционной ветви гоминид почти сразу после размежевания с обезьянами. И никакого постепенного превращения обезьяны в человека не было. Были существа, получившие в дар от эволюции по кусочку от этого человеческого пирога. И дальше они уже развивались обособленно, кто как мог.

Нужно заметить, что эволюция различных групп животных и растений, к которым эволюционисты, да и широкая общественность относятся не так трепетно, как к гоминидам, отнюдь не линейна. В начале развития каждой крупной группы животных и растений появляются представители с различными наборами примитивных и продвинутых признаков. Признаки перемешиваются почти случайным образом: ранний представитель группы может получить совершенный ротовой аппарат и малопригодные ноги или глаза. А рядом с ним часто обнаруживается и такой, который обладает совершенными глазами, а пережевывать пищу умеет плохо и передвигается наподобие древнего червя. Такая картина ученых не удивляет: это скорее правило, чем исключение. Другое дело, что мозаика признаков пока не имеет внятного научного объяснения. Судя по новейшим находкам, и человеческую историю не миновал этот необъяснимый эволюционный рок мозаики признаков.

Так или иначе, мы теперь знаем, что превращение обезьяны в человека вовсе не было прямым и постепенным, и кандидатов в человеческие предки оказалось много. На заре человеческой истории целый букет различных видов гоминид начал эволюционный поход к современному разуму. Подробности этого похода нам пока неизвестны — известны только его многочисленные и разномастные участники.

Первые пешеходы

Человек, чтобы распрощаться с животным прошлым, должен был подняться во весь рост. То есть встать на ноги. Сразу же возникают три вопроса: скептика — "а точно ли?", лентяя — "а зачем?" и инженера — "а как?". И антрополог вынужден изворачиваться, чтобы на них ответить.

Скептиков, не веривших, что древние люди ходили на двух ногах, а не опирались на передние конечности и не висели на деревьях, убедить было проще всего. Тут в арсенале антрополога полно фактов. В 1976 году Мэри Лики обнаружила на окаменевшем вулканическом пепле отпечатки ног. Возраст слоя с пеплом — около 3,5 млн. лет, то есть по этому месту в то давнее время бродил на двух ногах австралопитек. А следы-то были вполне человеческие — с пятками и пальцами ног. На некоторых следах видно, что большие пальцы прилегают к остальным, а не противопоставлены им, а это уже, несомненно, признак человеческий, а не обезьяний. Да и походка у того австралопитека была вполне человеческая: он ступал на пятку, потом переносил тяжесть на плюсну и отталкивался пальца-

Помимо прямых доказательств — цепочки следов — есть и ряд надежных анатомических признаков прямохождения. Это строение костей ступни и щиколотки, строение шейки бедра, костей таза. По костям одного лишь мизинца ученые способны заключить, как передвигался его обладатель. Также хорошо увязывается с прямохождением положение затылочного отверстия в черепе. Оно показывает, вертикально или под углом находилась голова к оси тела, а значит, определяется и наиболее характерная поза. Кроме того, о прямохождении судят по местам прикрепления шейных мышц и мышц плеча. Иными словами, признаков таких много, и необязательно иметь фотографический портрет предка, чтобы восстановить его облик. Для этого достаточно найти небольшой набор его костей. Поэтому в конце XX века, когда у Человека разумного объявилось множество новых предков, не составило труда выяснить, как они двигались.

От сахелантропа (6–6,5 млн. лет) нашли целый череп и несколько фрагментов скелета. О его двуногости судят по положению затылочного гребня. К этому гребню крепились мышцы, поддерживающие голову в нужной позиции.

От оррорина (6 млн.) сохранилось бедро. Как говорят специалисты, его строение "не исключает возможность бипедализма" (то есть двуногости), но, к сожалению, и не доказывает его строго.

Ардипитек кадабба (5,2–5,8 млн.) предоставил исследователям челюсть с зубами, несколько фрагментов костей рук и ног и палец ноги. В данном случае даже одного пальца достаточно, чтобы признать кадабба двуногим. Вдобавок кости его конечностей очень похожи на кости Люси. А уж про эту древнюю даму, от которой остался почти целый скелет, известно досконально — она ходила на своих двоих.

От близкого вида Ардипитек рамидус (4,4 млн.) сначала нашли только куски черепа и челюсти, но потом откопали еще несколько костей, включая и плечевую. Она, очевидно, не несла нагрузки, то есть не использовалась при ходьбе. Да и затылочное отверстие черепа сдвинуто вперед.

Недавняя находка в Эфиопии явила человечеству нашего предка, жившего около 4 млн. лет назад. Руководитель раскопок Джохансон Хайле-Сайласси пока не берется судить, к какому роду причислить находку, но общий облик этого прачеловека восстанавливается без труда. Он завещал науке скелет исключительной сохранности, так что имеется возможность досконально изучить анатомию и эволюцию прямохождения древних людей. Кстати, ученые надеются, что столь полная информация поможет ответить на вопрос инженера — "как?". Как двигался человек и как должны были измениться конструкция суставов и перераспределиться нагрузки?

При исследовании этого прачеловека открылась любопытная деталь, связанная с эволюцией прямохождения. Оказалось, что он имел весьма длинные ноги, значит, был способен быстро ходить и бегать. У австралопитечки Люси, жившей на полмиллиона лет позже, ноги заметно короче. Но ведь в ходе эволюции ноги у человека не укорачиваются, а удлиняются! Как же вышло, что у более древнего представителя гоминид ноги длиннее, чем у более позднего? Этот факт удивляет тех ученых, которые все еще пытаются уложить эволюцию гоминид в прокрустово ложе направленных и постепенных изменений. Если же помнить о возможности мозаичного распределения признаков, то ничего сверхъестественного в длинных ногах древнейшего человека нет.

Итак, антропологи доказали, что даже самые древние представители гоминид предпочитали ходить на двух ногах. Теперь предстояло ответить лентяям: а зачем людям было вставать на ноги?

До недавних находок ответ представлялся простым. Обезьяны спустились с деревьев для того, чтобы осваивать саванну. По плоской саванне быстрее бегать на двух конечностях. Именно бегать, а не ходить, так как двуногие получают преимущество в скорости только при беге, но не при ходьбе. Не случайно самые быстрые динозавры оторвали передние лапы от земли, да и некоторые современные ящерицы спасаются бегством на двух конечностях. (Правда, у тех и у других важную роль в технике бега играет длинный хвост, которого с самого начала были лишены человекообразные.) А обезьяны были к тому же предрасположены к двуногости: у них ноги и руки выполняют разные функции и по-разному иннервируются. Для принятия этой простой гипотезы нужно было совсем немного: показать, что древнейшие двуногие жили в саванне. Но факты оказались несговорчивыми.

Так, останки ардипитека и оррорина соседствуют с ископаемой лесной растительностью. Значит, эти люди жили в лесу, а вовсе не в саванне. А если вокруг был обезьяний древесный рай, то зачем оррорину ходить на двух ногах? Получалось, что древнейший предок спустился с деревьев вовсе не затем, чтобы побегать по безлесным саваннам.

В связи с этим была выдвинута гипотеза, что двуногость могла поначалу сформироваться как приспособление для плавания и передвижения в воде. Например, шимпанзе, самый близкий к человеку примат, находясь в воде, стоит и передвигается на двух ногах 90 % времени и только 10 % опирается на руки. Сторонники "водной гипотезы" происхождения двуногости приводят и другие аргументы. У Люси оказался необычно плоский таз и особенный бедренный сустав. Он устроен так, что ноги лучше двигались не вперед-назад, а в стороны, то есть Люси и ходила враскорячку, и бегать быстро не могла. С такими особенностями удобнее плавать, чем ходить. Кроме того, самый древний человек сахелантроп жил на берегу большого озера и питался моллюсками и рыбой. И вообще в человеческом мозгу много незаменимых жирных кислот (организм может получить их только с пищей, а сам синтезировать не способен), которые ближе всего по составу к рыбьим или содержащимся в теле моллюсков. Чтобы развить мозг и поумнеть, древний человек должен был поедать водяную живность в большом количестве. Оставим ученым судить о весомости этих аргументов.

Другие специалисты доказывали, что человек перестал висеть на ветках и начал карабкаться по стволам (оррорин имеет явные признаки подобного "ствололаза"). Третьи защищают идею об изначальном передвижении на двух ногах при вспомогательной опоре на костяшки пальцев рук. Так могли передвигаться, например, лесные аутсайдеры — те, кого конкуренция заставила искать новое место под солнцем, будь оно в лесу, на берегу озера или в саванне.

Гипотез много, общепринятой — ни одной. Но разнообразие мнений не должно смущать — оно указывает лишь на то, что у науки пока нет удовлетворительного представления об эволюции прямохождения.

На древней кухне

С появлением новых молекулярных методов исследования стали ясны детали истории и биологии некоторых из них. Например, чем питались австралопитеки, зачем-то поменявшие кроны деревьев на травянистые равнины? Раньше полагали, что австралопитеки были падальщиками, доедали то, что оставляли насытившиеся гиены и саблезубые тигры. По другим версиям, они унаследовали от своих обезьяньих предков растительноядность. Оказалось, что эти гипотезы можно проверить, изучив изотопный состав зубной эмали австралопитеков. Австралопитеки действительно добывали пищу в саваннах, но их диета была чрезвычайно разнообразной: от кореньев и плодов до насекомых и падали. Мясная доля в их рационе со временем возрастала: у самых древних австралопитеков больше изотопов, маркирующих растительные компоненты пищи, а у поздних таковых гораздо меньше. Вероятно, древние гоминиды постепенно учились отгонять хищников от недоеденной добычи. Жившие одновременно с австралопитеками парантропы, видимо, тоже были всеядными (всем другим лакомствам предпочитавшие термитов). Раньше предполагалось, что мощные зубы и челюсти были нужны парантропам для пережевывания жесткой волокнистой пищи — в основном кореньев и плодов. Новые данные об их рационе заставляют пересматривать эту гипотезу: сейчас неясно, зачем паран тропам понадобились столь внушительные челюсти и зубы.

По изотопному составу коллагена костей определили и рацион живших после австралопитеков человека умелого и питекантропа. Они были мясоеды, и пищей им служили остатки трапез крупных хищников. В тех случаях, когда на костях травоядных жертв имеются и следы зубов хищников, и следы каменных рубил, — царапины, оставленные каменными орудиями, всегда располагаются поверх зубных отметин. Похоже, что Человек умелый не мог добыть себе мясо охотой и добирался до туши уже после хищника. А питекантропы умели более эффективно отгонять хищников от жертвы — может быть, из-за того, что ростом стали повыше, а может быть, они пользовались для этого огнем. Ведь именно питекантропы стали первыми обитателями Земли, кому покорился Красный цветок.

Пищевые пристрастия потомков питекантропов не изменились: они остались верны мясной диете. Однако уже гейдельбергский человек не удовлетворился презренным занятием падальщика и стал учиться охоте. В его арсенале появилось копье. В Германии, в Шенингене, найдены охотничьи метательные копья возрастом 400 тысяч лет — из стволов елей, без наконечников, заостренные огнем. Центр тяжести у них находится в 1/3 длины от острия — точно как у современных метательных копий.

Виды гоминид, известные ныне, и вероятные филогенетические связи между ними.

_{А — по Senut В; Б — по Libermann. ЧО — современные человекообразные обезьяны (не гоминиды); Hs — Homo sapiens, включая неандертальцев; Hh — H.heidelbergensis; Her — H.ergaster; He — H.erectus; H/Ah — Homo (либо Australopithecus) habilis; Kr — Kenyanthropus rudolfiensis; Kp — K. platypos; P-s — вновь «сконструированный» французами род Praeanthropus; Ag — Australopithecus garhi; Ab — A.bahrelghazali; Aaf — A.afarensis; Aan — A. anamensis; Aa — A. africanus; Pb — Parantrophus boisei; Pr — P.robustus; Pa — P. aethiopicus; Arr — Aridipithecus ramidus ramidus; Ark — A.r. kadabba; Ot — Orrorin tugenensis; St — Sahelantrophus tchadensis}

Неандертальцы и сапиенсы тоже умели пользоваться копьями. Но копья у этих видов были разными. Неандертальцы использовали древко с каменным наконечником для ближнего боя, а у сапиенсов копье с наконечником служило для дальних бросков. Ближний бой с хищником не сулит ничего хорошего, поэтому находят множество костей неандертальцев с характерными повреждениями, полученными в подобных схватках. Такие же повреждения встречаются и у кроманьонцев, но не столь часто. Сапиенсы держались подальше от крупного зверя и убивали его с безопасного расстояния. И неандертальцы, и первые сапиенсы были мясоеды, почти весь их рацион состоял из животной пищи. Сапиенсы, в отличие от неандертальцев, разнообразили свое меню рыбой и моллюсками. Переход к земледелию, разумеется, повлиял на ход эволюции. Ведь это привело к резкому увеличению доли растительной пищи, и человек изменил своей исконной диете.

Неандертальцы и сапиенсы в течение многих тысячелетий обитали на одной территории. Воображение рисует жестокие схватки между агрессивными приземистыми неандертальцами и тощими хитрыми сапиенсами. Но если битвы и случались, то, видимо, не они сыграли главную роль в вымирании неандертальцев. Неандертальцы и сапиенсы были приспособлены к различным климатическим условиям и тяготели к разным ландшафтам. В израильских пещерах Схул и Казеф найдены многочисленные остатки древних людей и их орудий. Ничего удивительного в том, что древние люди жили в пещерах, нет. Удивительно чередование обитателей этих пещер, не раз переходивших "из рук в руки": до 130 тысяч лет назад там жили неандертальцы. Между 130 и 80 тысячами лет — люди современного типа. Выше — опять находятся кости неандертальцев возрастом 65–47 тысяч лет. Еще выше — снова сапиенсы. Очевидно, что первая попытка сапиенсов закрепиться в этом районе закончилась неудачей. В заманчивом жилище вновь поселились неандертальцы. Нет никаких признаков того, что в этой борьбе сапиенсы располагали более совершенной технологией, чем неандертальцы: в этом отношении они были равны. Исследователи предполагают, что свою роль тут сыграли изменения климата: при похолоданиях одерживали верх неандертальцы, при потеплениях — более теплолюбивые сапиенсы. Примерно 75 тысяч лет назад действительно было похолодание, которое могло способствовать "возвращению" неандертальцев и отступлению сапиенсов. Кроме того, известно, что пребывание неандертальцев в этих местах сопровождается более засушливым климатом, а сапиенсов — более влажным. Древние сапиенсы явно предпочитали более комфортный климат, нежели неандертальцы.

Почему же сапиенсы в концов концов взяли верх над сильными, выносливыми и неглупыми (объем их мозга не уступал нашему) неандертальцами? Некоторые специалисты считают, что главной причиной была более совершенная общественная организация сапиенсов, их способность к согласованным коллективным действиям. Об этом свидетельствуют более развитые лобные доли головного мозга сапиенсов. Одна из важнейших функций лобных долей как раз и состоит в способности обуздывать собственные желания, если те идут вразрез с волей коллектива.

Сапиенсы — переселенцы или захватчики?

Человек со своей уникальной способностью существовать практически в любых условиях ("одежда, жилища — вот что нам нужно" — говорил Страшила Мудрый) приспособил под жилье практически всю землю. Но так было не всегда. У человека, то есть у рода Homo, была своя родина. В начале XX века таковой считалась Юго-Восточная и Центральная Азия. Это мнение основывалось на географии самых древних находок представителей рода человеческого, то есть питекантропов. В середине века родину человека перенесли в Африку — там нашлись и человек умелый, и питекантропы, более древние, чем азиатские. А теперь нам стало известно, насколько интенсивной была эволюция гоминид в Африке 6–2 млн. лет назад, так что африканские корни человечества на сегодня выглядят практически узаконенными паспортными данными.

Почти любая группа животных или растений после выхода на эволюционную арену начинает расселяться по свету. Этот эволюционный период называется фазой расцвета. Так же и род человеческий, зародившись в африканских тропиках, пустился в путь. Можно, конечно, утверждать, что человеком двигало присущее высшему разуму любопытство или нетерпеливость, однако расселительная фаза присуща и другим земным обитателям.

Питекантропы отправились в долгий поход из Африки в Европу и Азию около 2 млн. лет назад. Они несли с собой орудия примитивной галечной культуры. Это обработанная галька и кремневые отщепы. В период потепления человек вместе со слонами и носорогами преодолел преображенную аравийскую пустыню и вышел на просторы Евразии. Самые ранние находки переселенцев датируются 1,8–1,6 млн. лет и в Юго-Восточной Азии, и в Европе. Благодаря недавним находкам, сделанным в Грузии, в Дманиси, мы знаем, что человек смог столь же рано "прописаться" и в Европе. "Человек грузинский" — так назвали свою находку исследователи этой древнейшей европейской стоянки. Они восстановили облик древнейших обитателей Грузии по челюстным костям и черепным крышкам четырех особей. Рядом с костями найдены и галечные орудия. Эти люди сочетали признаки и человека умелого, и питекантропа. Объяснить смешение признаков двух видов ученые пока не берутся. Но наиболее вероятный путь европейских питекантропов проходил по западному берегу Каспия, именно там найдено большинство раннепалеолитических стоянок. В Азии питекантропы расселялись через Иран, Индию, Казахстан и далее в Китай и на Юго-Восток.

Тем временем оставшиеся в Африке люди изобретали новые технологии. Их ноу-хау представляло собой двухстороннее, заостренное по периметру серией мелких сколов каменное рубило, так называемый бифас. Вооруженные новой техникой и подбодренные хорошей погодой — пошла новая волна потепления, — африканские питекантропы вновь пустились в путь. Распространение бифасов и других орудий, изготовленных по той же технологии, вычерчивает на карте Евразии их путь. Это снова Ближний Восток, а оттуда транзитом в Европу и Центральную Азию, потом в Монголию и Сибирь. Эволюция выходцев второй волны привела к появлению неандертальцев. К той эпохе относятся замечательные свидетельства человеческой жизни. Пещерная стоянка, названная "Денисова пещера", сохранила непрерывные следы деятельности наших предков от 300 тысяч лет назад (а возможно, даже 500 тысяч) до современности! Археологи по каменным орудиям, кухонным остаткам, остаткам растений и животных восстанавливают образ жизни обитателей пещеры. Охотники с каменными бифасами постепенно сменялись обладателями костяных изделий. Потом на их место пришли люди с копьями, металлическими орудиями, за ними скифы, тюрки. Последний обитатель пещеры монах-отшельник Дионисий потерял там свой крест. Крест достался археологам, и именем монаха была названа эта пещера.

Еще одно удивительное свидетельство неандертальской культуры обнаружено в конце XX века в Монголии. Там в южной Гоби располагалась Кремневая долина — гигантская орудийная мастерская возрастом около 300 тысяч лет. На каждом метре этой мастерской — а площадь ее 20 кв. км! — в среднем откапывают шестьсот обработанных кремневых артефактов. По предварительным подсчетам, эта мастерская просуществовала примерно 200 тысяч лет. Так что есть все основания надеяться, что вскоре мы детально узнаем, как совершенствовались технологии азиатских неандертальцев.

Примерно 100 тысяч лет назад из Африки снова двинулся отряд людей. На сей раз в поход отправились самые передовые представители человеческого рода — Homo sapiens, которые несли с собой новые технологии и новые орудия, костяные и каменные. На просторах Азии и Европы они встретились со своими сородичами неандертальцами. Какой была эта встреча?

Тут к археологам подключились генетики. По изменчивости отдельных генов людей из разных частей планеты можно установить, где находится "точка сборки", то есть очертить территорию существования "изначального" гена. Обычно для анализа используют гены митохондрий, которые передаются строго по женской линии — от матери к детям, а также гены мужской Y-хромосомы, которая передается строго по мужской линии — от отца к сыну. Генетики высчитали, что и митохондриальная Ева — прародительница всех женщин, и Y-хромосомный Адам проживали в Африке около 150 тысяч лет назад. И все современное человечество происходит от этой пары. Конечно, это не значит, что данная счастливая пара жила в одиночестве, размножилась и дала плодовитое потомство. Это означает, что от большой африканской популяции в современном мире остались только митохондрии одной женщины и Y-хромосома одного мужчины, живших 150 тысяч лет назад. Зато другие гены человечество унаследовало от других, в том числе и более древних сапиенсов. Так что можно говорить и о лактазных Адаме и Еве, живших 1,9 млн. лет назад (питекантропах), гемоглобиновых Адаме и Еве, давших потомство 650 тысяч лет назад, и многих других Адамах и Евах, смотря какой ген анализировать. Так или иначе, генетики настаивают на отсутствии смешения неандертальских и сапиентных генов. Это означает, что сапиенсы, даже если и встречались с неандертальцами, не скрещивались с ними, или от таких пар не могло быть потомства.

Существует гипотеза о захватнических кампаниях сапиенсов: лучше социализированные, они легко побеждали неандертальских охотников-одиночек^[2] и, в конце концов, вытеснили их. Другая гипотеза утверждает, что сапиенсы и неандертальцы долго жили бок о бок. Ведь в пещерах не видно никаких скачков при переходе от неандертальской к сапиентной культуре, будто люди бережно сохраняли наследие предков, кем бы те ни были. Наконец, есть предположение, что азиатская популяция неандертальцев, в отличие от европейской, все-таки могла скрещиваться с сапиенсами и, в конце концов, полностью смешалась с пришельцами. Эта смелая гипотеза основана на некоторых находках человеческих костей древнего возраста, имеющих смешанный комплекс неандертальских и сапиентных признаков. Остается подождать, пока генетики не расшифруют побольше генов неандертальцев и древнейших сапиенсов. А пока слишком мало данных, чтобы уверенно судить о том, как вели себя наши древние предки на новом месте. Будем надеяться, что более мирно и воспитанно, чем их потомки.

Вопросы по делу и не очень^[3]

Зачем бесконечность?

Как могла возникнуть способность оперировать понятием бесконечности — в частности, воспринимать натуральный ряд как целое? Вряд ли эта способность могла быть фактором приспособленности?

— Эволюционным путем возник наш многофункциональный мозг, способный ко многим вещам, в том числе и к абстрагированию. Но само абстрактное мышление развилось в ходе не биологической, а культурной эволюции. В языках некоторых народов хорошо видна неразвитость абстрагирования. Например, у айнов (древний народ, живущий на Сахалине и в Японии) к началу XX века были разные числительные для предметов разной формы и разного размера. Попав в современные школы, эти люди столкнулись с неожиданными трудностями. Если учитель задавал вопрос: было пять деревьев, одно срубили — сколько осталось? — следовал встречный вопрос ученика: а какие были деревья — высокие или низкие? Учитель не понимал, в чем дело, а ученик не мог сосчитать, потому что у него для высоких деревьев одна система числительных, для низких — другая.

Где спецификации?

Возьмем вид животного, обладающий некоторым набором "умений", и его эволюционного предка, этим набором не обладающего. Можно ли предъявить хотя бы гипотетическую последовательность жизнеспособных переходных форм? Можно ли на генетическом уровне отследить эти переходы?

— Такие переходы часто связаны с тем, что одна и та же структура организма может приобретать некоторую дополнительную функцию, которая потом становится основной. Плавательный пузырь у рыб изначально был выростом пищевода. Рыба заглатывала туда воздух, и это давало повышенную плавучесть. Но ведь в оболочке пузыря есть кровеносные сосуды, там идет диффузия газов, поэтому он с самого начала выполнял и другую функцию, второстепенную, малозначительную — функцию газообмена. Но когда естественный отбор начал этому способствовать — на основе пузыря возникло легкое. Мягкие ткани практически не сохраняются, поэтому промежуточные формы сложно проследить на ископаемых рыбах. Но сравнительная анатомия для современных двоякодышащих рыб (протоптеруса, например) четко показывает гомологию (соответствие по положению относительно других органов и по динамике индивидуального развития) плавательного пузыря и легких. Есть и другие доказательства "эволюционной преемственности" этих органов, и все вместе это обеспечивает достаточную строгость выводов по современным меркам естественных наук. Таких примеров много.

Но можно ли дать ответ на уровне инструкции по сборке автомобиля — сначала ставим эту гайку, потом крепим эту ось, и так далее?

— С такой подробностью отследить эти процессы невозможно в принципе! В биологии таких ответов не было, нет, и никогда не будет. Если принимать только такие ответы, а все остальное считать недостоверным, то биологию надо закрывать. Как мы можем во всех деталях проследить, кто кого родил? Это нереально.

Как это работает у микробов?

Ограничимся бактериями — можно ли в этом случае проследить или искусственно стимулировать появление новых видов?

— О да, есть масса работ по искусственной эволюции микробов. Их ставят в определенные условия, и прямо на глазах исследователей начинаются эволюционные изменения. Но можно ли получить новый вид? — казуистический вопрос, потому что всегда можно сказать: "а это не новый вид!" Понятие вида не определено с математической строгостью. Тем более у бактерий, где нет четких эндогамных кластеров — групп особей, которые предпочитают скрещиваться только внутри группы (один из важнейших признаков вида у высших организмов). С одной стороны, скрещивание у бактерий устроено проще, чем у позвоночных, — это прямой обмен генами, часто между совсем далекими формами. С другой стороны, есть формы, которые вообще не обмениваются генами, а размножаются как клоны. Так что понятие вида к микробам трудно приложимо.

Кстати, есть важные эксперименты с мутациями бактерий, проясняющие некоторые аспекты возникновения многоклеточности. Берутся бактерии, которые живут в толще воды и плавают поодиночке. Когда они используют весь кислород в этой толще, преимущество получают те, кто всплывет на поверхность. Но у этих бактерий иногда происходит мутация, в результате которой они выделяют порции липкого вещества. Делясь, мутанты остаются склеенными. Важно, что склеившиеся бактерии автоматически всплывают на поверхность — в отличие от одиночных. На поверхности начинают образовываться круглые пятнышки — колонии бактерий, которые имеют доступ к кислороду. Тем самым мутанты получают преимущество, когда в толще кончается кислород. Но на выделение липкой слизи мутанты тратят энергию. Если же в колонии появляется мутант-обманщик, который живет в колонии, она его держит на поверхности, но сам он слизь не выделяет, — то уже он получает эволюционное преимущество. Мутанты-обманщики начинают активно размножаться — до тех пор, пока колония не разрушится, и все они не потонут. Так процесс и идет.

Колония еще не организм,потому что естественный отбор продолжает действовать на уровне отдельных бактерий. Но эксперименты можно и продолжить. Сначала надо понять, что должно произойти, чтобы решить проблему обманщиков. И так далее, по пути хотя бы к подобию настоящего многоклеточного организма.

А взять всем известный пример эволюции микробов — появление устойчивости к антибиотикам. Прослежено, каким образом она вырабатывается и передается. У микробов, как и в целом в природе, есть приспособления для ускоренной передачи полезных признаков. Представление, что все мутации случайны, что вся эволюция основана только на случайных мутациях, — сильно устарело.

Мутанты и симбионты

Как оптимизируются мутации?

— Хорошо изученный пример — изменение генома в иммунной системе. Это сочетание целенаправленного и случайного поиска. Если в организм проник незнакомый микроб, клетка иммунной системы "не знает", какой нуклеотид нужно заменить в своей ДНК, чтобы убивать именно этот микроб. Но клетка умеет целенаправленно редактировать свой геном. Популяция антител формируется в организме в два этапа. Сначала, в ходе эмбрионального и постэмбрионального развития, определенным образом варьируются определенные участки определенных генов клеток иммунной системы. Из полученного множества лимфоцитов выбраковываются те, которые производят аутоиммунные тела (нападающие на сам организм). Остальные размножаются, и в итоге организм получает набор лимфоцитов, которые атакуют практически любые молекулы, кроме тех, что есть в организме. На этом этапе набор заготовок комбинируется в нескольких миллионах вариантов, и из них в каждом лимфоците собирается один ген антитела. А вот когда в организм попадает инфекция, начинается второй этап, точная подгонка антител. Лимфоциты, которые лучше всего атакуют нового возбудителя, начинают вносить случайные, точечные мутации в гены своих антител. Механизм этого процесса расшифрован. После мутаций проверяется, что получилось. Если не удалось убить нового возбудителя, мутирование продолжается, и так до тех пор, пока не будет нащупан эффективный вариант антитела. Тогда соответствующий лимфоцит начинает бурно размножаться. В итоге мы получаем приобретенный иммунитет. Мутации случайны, но конечный результат закономерен и предсказуем. Мы знаем, что дней через пять после прививки, допустим, оспы нужные антитела появятся.

Но как возникли эти механизмы? Как определились места, где допускаются мутации? Как возник сам генетический код? Такие вопросы можно продолжать бесконечно.

— Да, и я отвечу только на первый из них: точно известно, откуда в иммунной системе взялись белки, отвечающие за вырезание и комбинирование кусочков генома. Они были получены извне. Существуют похожие на вирусы мобильные генетические элементы — транспозоны. Они не так легко, как вирусы, передаются "по горизонтали", но иногда это случается. Главная же особенность транспозонов в том, что они очень хорошо умеют вырезать куски генома и переставлять их с места на место. Они этим живут испокон веков. Вот они-то и принесли эти механизмы в организм позвоночных.

Простейший такой элемент имеет только один ген — ген фермента транспозазы. Этот фермент находит в чужом геноме нужное место и встраивает туда свой мобильный элемент. Когда-то в ходе эволюции произошло важнейшее событие — позвоночные животные вступили в симбиоз с этими элементами, и функция, которая эволюционно возникла для размножения транспозонов, пригодилась для создания приобретенного иммунитета.

Это очень важный принцип эволюции — а может быть, и самый главный. Без симбиоза темпы эволюции были бы в миллионы раз меньше.

Сама эукариотическая (имеющая ядро) клетка возникла в результате серии последовательных симбиозов безъядерных прокариотических клеток — они превратились в митохондрии и другие органеллы. Если бы этого не произошло, на Земле до сих пор жили бы только бактерии — ведь в природе так и не появились многоклеточные прокариотические организмы. Они не раз вплотную подходили к многоклеточности — но не могли преодолеть некий предел сложности организации.

Симбионты и биосфера

Как работает симбиоз в эволюции на более крупных масштабах?

— Иногда он работает в масштабах всей биосферы. Современную биосферу во многом создали растительноядные животные: насекомые, грызуны, жвачные. Они перерабатывают биомассу растений, поддерживают соотношение лесов, степей, болот. Есть теория (которую я разделяю), что нынешняя тундра, тайга и болота в Америке и Евразии сформировались на месте высокопродуктивных мамонтовых степей, после того как исчезли крупные травоядные, опора степной экосистемы. Сейчас в Африке, в парке Серенгети, можно видеть гигантские стада антилоп, стада слонов, носорогов — такая же картина была в Евразии и Северной Америке 10–12 тысяч лет назад. Роль травоядных животных в биосфере огромна — но парадокс в том, что они практически не умеют переваривать растительную пищу. У них так и не выработались нужные ферменты. Тем не менее, свое главное дело они все же делают — за счет симбиоза. У всех травоядных в пищеварительном тракте есть симбионты, которые и переваривают растительную пищу: бактерии, инфузории, жгутиконосцы. В некотором смысле корова служит просто термостатом для развития инфузорий, да еще и обеспечивает их пищей!

То есть корова — устройство, которое создала инфузория для повышения своей приспособленности?

— Здесь была совместная эволюция — если уж прибегать к метафорам, то корова и инфузория совместно создавали друг друга. Причем заметьте, что инфузория тоже ведь не может переварить целлюлозу! Это делают бактерии, живущие в симбиозе с инфузорией. Она глотает кусочки целлюлозы и отдает их своим бактериям — а потом питается той органикой, что производят бактерии. А корова питается тем, что производит инфузория. Если бы не симбиоз, животный мир как таковой не получил бы столь мощного развития. Он был бы вообще не нужен биосфере.

Посмотрим и на растительный мир — сейчас доминируют высшие сосудистые наземные растения. Им всем нужен азот в доступной форме — нитраты или аммоний. Но они не имеют молекулярных механизмов, чтобы эти вещества производить. Перевести азот из атмосферы в усваиваемую растениями форму умеют лишь некоторые бактерии. Без симбиоза с азотофиксирующими бактериями не было бы современного растительного мира. И растительный, и животный мир основаны на глобальных симбиозах.

В эволюции участвуют симбиозы как единое целое, поэтому каждому виду не нужно создавать свои приспособления заново, с нуля. Существует обмен новшествами в пределах биосферы в широчайшем спектре: от горизонтального переноса генов до взаимодействия и кооперации в сообществах.

Что такое "я"?

Есть ли прогнозы о дальнейшей эволюции человека?

— Прогнозы тут ненадежны, факторов слишком много, и мы заведомо знаем далеко не все. Но кое-что сказать можно. Например, эволюционная судьба вида сильно зависит от его численности. Если численность высока, а изолированных популяций практически не осталось, эволюция резко замедляется. Новая мутация не может быстро распространиться на все материки, на миллиарды живущих ныне людей. Даже если она дает какие-то серьезные преимущества, для этого понадобится очень много времени. Быстрые эволюционные изменения происходят в маленькой изолированной популяции. Посадите группу людей на необитаемый остров и не трогайте их в течение миллиона лет. Когда вы придете посмотреть, что получилось, — скорее всего вас встретит новый вид.

Долгожданный новый человек!

— Вот именно. В реальности же за последние 20–30 тысяч лет строение организма, строение мозга не меняется. Разве что одни генетические варианты становятся более распространенными, нежели другие (на языке генетики — меняются частоты аллелей). Например, лактаза, фермент, который расщепляет молочный сахар, образуется только у младенцев. Поэтому практически все взрослые когда-то не могли пить молоко. Но вот появилось животноводство, и в тех районах, где оно было особенно развито (в Северной Европе, например), мутанты, у которых этот фермент продолжал работать во взрослом возрасте, получали преимущество — они лучше питались, быстрее росли, производили больше детей. Сегодня в Китае, других странах Азии, где нет традиционной культуры молочного животноводства, 70–80 % взрослых людей не могут пить цельное молоко. А в Швеции — наоборот, почти все могут.

Еще интересный пример — в районах, где высока опасность малярии, получила распространение мутация, вызывающая серповидно-клеточную анемию. Это тяжелое наследственное заболевание, однако, такие мутанты не болеют малярией — а анемией заболевают, только если у них обе копии соответствующего гена мутантны. Если же мутантна одна копия, то и анемии у них нет, и малярией они не болеют — то есть получают эволюционное преимущество (хотя, по сути, мутация вредная).

Каковы перспективы искусственной эволюции?

— Это сложнейшая тема. Для иллюстрации приведу лишь один пример. Недавно выяснилось, что у некоторых человекообразных обезьян имеется врожденный иммунитет к вирусу ВИЧ. У человека соответствующий белок немного другой, он защищает нас от давным-давно вымершего вируса, который бушевал в Африке 2–3 млн. лет назад. Так вот, можно сделать трансгенных людей, от рождения невосприимчивых к ВИЧ. Для этого вы должны отдать свою яйцеклетку, генетики над ней будут колдовать, вставлять какие-то плазмиды, и если все сработает, у ваших детей, развившихся из такой яйцеклетки, будет это свойство. Но как отшлифовать подобные технологии? Неудачные эксперименты здесь невозможны.

Сегодня уже достаточно хорошо известно, какие зоны в мозге отвечают за те или иные интеллектуальные функции. В последние годы достигнут огромный прогресс и в понимании механизмов памяти. Так что, в принципе, можно представить себе и генетические модификации, повышающие мощь интеллекта, способность к запоминанию и анализу информации — просто за счет увеличения объема соответствующих отделов мозга.

Но вот к чему подходов пока совсем не видно, так это к пониманию биологической основы нашего "я". Что такое "я", как реализуется самосознание, как оно возникает в природе — об этом мы знаем сегодня несравненно меньше, чем о механизмах эволюции в целом.

Заразные гены

Дмитрий Шабанов

"…Вся живая материя восстает перед нами как одно целое, как один огромный организм, заимствующий свои элементы из резервуара неорганической природы, целесообразно управляющий всеми процессами своего прогрессивного и регрессивного метаморфоза и, наконец, отдающий снова всё заимствованное назад мертвой природе".

С. Н. Виноградский,

Лекция перед императорской фамилией 8 декабря 1896 года

Журнал "Nature" публикует не только статьи о состоявшихся достижениях, но и эссе, авторы которых пытаются нащупать дальнейшие пути развития науки. Одно из последних принадлежит Нигелю Гольденфельду и Карлу Вёзе (Nigel Goldenfeld, Carl Woese), американским ученым, которые прочат очередную революцию в биологии. С их точки зрения, новые данные об обмене генетической информацией между представителями разных видов организмов вызовут в биологии смену парадигмы.

Речь идет о горизонтальном переносе генов — передаче наследственной информации от организма к организму вне генеалогической (вертикальной, от предков к потомкам) последовательности. Сам феномен известен давно: так, например, передаются гены устойчивости к антибиотикам от одних болезнетворных микроорганизмов к другим. Много лет на него смотрели как на некую оплошность природы. Энтузиасты надеялись объяснить с его помощью феномен эволюции, прагматики искали в нем естественные технологии генетической инженерии… Лишь недавняя лавина молекулярно-биологических данных позволила понять, насколько это явление распространено в природе.

Десятилетиями в микробиологии торжествовал принцип, возведенный в догму Робертом Кохом: изучаемый микроорганизм нужно вырастить в чистой культуре. Зачастую для культивирования используются потомки одной-единственной бактериальной клетки. Выращиваемые в таких условиях микроорганизмы оказываются одинаковыми, что считается критерием их правильного выделения. Увы, такие условия совершенно противоестественны! Естественным является именно функционирование микроорганизмов в сложной среде, информационный обмен с которой, включает передачу фрагментов ДНК.

В таких условиях для двух основных групп "микробов" — бактерий и архей (или архебактерий) — вообще трудно говорить о видоспецифичном геноме (наборе наследственной информации). Благодаря горизонтальному переносу этот геном постоянно пополняется новыми фрагментами, а благодаря собственной эволюции теряет многое из приобретенного. Проследив генеалогию какого-нибудь микроорганизма, мы увидим, что через него течет "река" разнородной по происхождению генетической информации. В этом потоке отражается вся биосфера!

Как регистрируют горизонтальный перенос генетической информации? Иногда удается увидеть исходный текст у одного организма и его копию у другого. Чаще, однако, приходится использовать косвенные данные — вычленять участки ДНК, которые отличаются по соотношениям разных пар нуклеотидов или по частоте использования разных триплетов для кодирования одних и тех же аминокислот (эти признаки, в общем, видоспецифичны). Найдя в чьем-то геноме кусок текста, отличающийся от окружения по частоте "букв" (нуклеотидов) или "слов" (триплетов), мы можем предположить, что имеем дело с заимствованием. Со временем хозяин откорректирует текст, приведя его в соответствие с "собственным стилем".

Итак, работа современных генных инженеров, создающих генетически модифицированные организмы и тем самым порождающих волну протестов и "страшилок", оказывается для земной биосферы обыденным делом [Заодно, правда, теряет правдоподобие один из аргументов, которым генные инженеры пытаются успокоить страхи растревоженного общества — что "чужие гены" никак не могут расползтись по биосфере. Оказывается, не все так очевидно. Впрочем, вставки в геномы модифицированных организмов тоже являются продуктами развития биосферы, как и "родные" гены культурных растений].

Что самое интересное, горизонтальный перенос свойствен не только микроорганизмам. Например, проведенные недавно учеными из Беркли исследования геномов риса и проса (злаков, которые разделяет не менее 30 млн. лет независимой эволюции) показало, что между этими видами происходил горизонтальный перенос генетической информации. В этих растениях найдены практически идентичные транспозоны — участки ДНК, способные перемещаться внутри геномов и между ними с места на место! Чаще всего транспозоны переносят информацию внутри вида, но могут и перешагнуть видовой барьер, ведь грань между транспозонами и вирусами весьма условна. С активностью преобразованных транспозонов может быть связана реорганизация генома, которая происходит при видообразовании.

Горячие головы видят в горизонтальном переносе объяснение прогрессивной эволюции. Вот так появляются новые признаки: подует ветер, принесет вирус с куском новой информации, и — глядь! — у организма появилось новое полезное свойство. Так, выдающийся палеоботаник В. А. Красилов считает, что в эпоху происхождения цветковых растений именно вирусы разносили от одних голосеменных к другим "блоки" генетической информации, ответственные за формирование цветка. Увы, в это поверить нелегко. Дело в том, что конструкция любого организма — нелегкий компромисс между модульностью и монолитностью. Любое из населяющих Землю существ — одновременно и целостная система, и конгломерат относительно независимых признаков. Теми из свойств организма, которые связаны со всеми остальными в тугой узел взаимосвязей, невозможно заразиться "от ветру". Именно поэтому роль горизонтального переноса в эволюции высокоорганизованных и высокоинтегрированных групп снижается. Может, когда-нибудь у генных инженеров дойдут руки проверить идею Красилова и они перенесут "гены формирования цветов" в геномы сосен, гинкго или саговников? Скорее всего, инородные фрагменты не смогут встроиться в систему управления развитием растения, для которого характерен иной способ размножения.

Даже когда крупное новшество у высокоинтегрированных животных оказывается связано с каким-то продуктом горизонтального переноса, его не следует считать прямым следствием захвата чужеродной информации. Приведем один пример. У млекопитающих развитие плаценты (органа, обеспечивающего физиологическую связь зародыша и матери) требует, кроме прочего, работы гена PeglO. Этот ген чрезвычайно сходен с одним из широко распространенных транспозонов. Такой факт можно интерпретировать двояко. Наивный человек, убежденный, что всякий признак — проекция определенного гена, сделает вывод, что появление плацентарных млекопитающих (и в конечном счете нас с вами) — следствие "заражения" "геном плаценты". Отсюда недалеко до веры в генетического Демиурга, который управляет эволюцией, время от времени, запуская в оборот новые вирусы и очередные прогрессивные качества.

Более зрелой представляется иная трактовка. Новые функции, вырабатываемые в ходе эволюции, могут связываться не только со старыми участками генетического текста, которые выполняют собственные задачи, а с новыми, свободными. Эти новые гены могут как раз оказываться занесенными со стороны кусками. Так опытный шофер, ремонтируя сломавшуюся в дороге машину, может сделать требующуюся деталь из какого-нибудь найденного на обочине обломка. Функция этого обломка в отремонтированной конструкции не содержалась в нем исходно — она возникла вследствие его определенного положения в новой системе. Такая трактовка подтверждается тем, что находящийся в тесном родстве с "геном плаценты" транспозон в любом ином месте и окружении вовсе не вызывает формирования чего-то подобного.

Наоборот, горизонтальный перенос служит не двигателем, а скорее тормозом эволюции! Существа, которые приобрели относительно изолированный геном, морфологически, физиологически, поведенчески эволюционируют намного быстрее, чем плотно вплетенные в единую сеть биосферы микроорганизмы. Эволюция направлена от континуума геномных возможностей к отдельным генотипам. Почему же биологи поняли это так поздно? Тому есть несколько причин. Во-первых, биология должна была достичь технического уровня, позволяющего зарегистрировать сам факт разнообразия путей передачи наследственной информации. Во-вторых, изучение надорганизменных систем психологически затруднительно для исследователей, которые сами являются организмами (см. лирическое отступление ниже). В-третьих, распространению нового понимания препятствует трактовка организма как воплощения (реализации) генетической программы.

Метафора наследственной информации, как программы, настолько въелась в сознание современных биологов и небиологов, что многим из них попросту трудно ее осознать. А что же такое организм, как не воплощение хранящегося в его генах плана? То, что использует эти гены! Наследственная информация — не истинная суть организма, а используемая им библиотека. На протяжении большей части истории жизни эта библиотека была общей для самых разных существ, и лишь потом некоторые из них завели себе изолированные "книжные шкафы".

Когда речь идет о людях или наших ближайших родственниках, высших животных, мы имеем дело с относительно изолированными видами. Каждый из них характеризуется определенной общностью генетической программы, занимая определенное место в экосистемах. Дискретность бактерий и архей носит иную природу. Она скорее связана с дискретностью возможных образов жизни, экологических ниш.

Итак, есть все основания согласиться с авторами эссе в "Nature". Мы стоим на пороге нового понимания жизни вокруг нас. Понятия организма, вида, генома, наследственной информации нуждаются в серьезном уточнении. В то же время не следует считать такой подход совсем уж новым. Это его нащупывал в своем "Космосе" Александр фон Гумбольдт, высказывал в лекции перед царской семьей Сергей Николаевич Виноградский, воплощал в теории Геи Джеймс Лавлок, пытается под именем "природоведческой микробиологии" развивать академик РАН Георгий Александрович Заварзин… Но в любом случае, развитие биологии подарит нам еще немало неожиданностей.

Лирическое отступление

Как объять необъятное

Мы сами являемся организмами и окружающие нас другие системы воспринимаем по аналогии с самими собой. Как ни естествен для нас такой подход, он не единственно возможный…

Позапрошлой весной автор этих строк оказался во время нереста остромордых лягушек возле небольшого нерестового водоема — пруда среди заросших дубами холмов. Были сумерки — "час меж собакой и волком". На мелководье собралось несколько тысяч самцов лягушек. В это время они преображаются благодаря ярко-голубой брачной окраске. Песня самца остромордой лягушки похожа на клокотание кипящей крупными пузырями воды. Многоголосый хор нескольких тысяч самцов сливался в невероятный гул. Этот объединенный голос тысяч особей разносился по окрестным холмам, созывая неторопливых, разбухших от икры самок…

Подходя к нерестовому котлу, самка находит себе самца и вместе с ним отметывает свою порцию икры. Те самки, которые прибывают позже других, вынуждены нереститься на сплошном поле из кладок. Часть их икринок оказывается оплодотворена молоками не "своего" самца, а других — тех, что были отцами соседних кладок. Пройдет немного времени — и из икринок выйдут головастики, ферменты вылупления которых превратят в жидкость слизистые икряные оболочки. Даже если за время их развития уровень воды в весеннем пруду упадет, разжиженная икра стечет под уклон к отступившей воде. Ну и пусть десятки тысяч особей (а головастик, как и икринка, — это особи!) обсохнут на окраинах пруда — сотни тысяч попадут в воду, где продолжат развиваться. По мере роста они будут обмениваться разнообразными химическими и физическими сигналами. При необходимости те из головастиков, которые опередят прочих, притормозят рост отстающих, чтобы снизить конкуренцию за недостающие ресурсы. В иных случаях, наоборот, рост разновозрастных и неродственных личинок окажется синхронизирован — популяция сама выберет стратегию своего оптимального развития.

Так вот, сумерки, пение лягушек и усталость сместили восприятие подошедшего к нерестовому котлу человека. Он почувствовал, что стоит не перед определенным числом организмов, а перед сущностью более высокого порядка — популяцией. Потенциально бессмертный живой объект находился на одном из ключевых этапов своего годичного цикла. Производство новых особей оправдает потери существующих, ведь только через их поток и смену и осуществляется бытие популяции. Казалось бы, человек не может быть замечен этой сущностью — он ведь находится на более низком уровне бытия, чем она. Тем не менее, когда завороженный человек приблизился к одному из нерестовых котлов, поющие лягушки испугались, замолчали и торопливо попрятались на дне. Голос популяции изменился: она заметила чужака и отреагировала на его присутствие…

Вы скажете, такой опыт переживания контакта с сущностью более высокого порядка относится к сфере интересов психиатра, а не биолога? Вы, конечно, правы. Но, поверите ли, такой опыт очень помогает представить себе популяцию единым целым, а не совокупностью отдельных особей… А вы лучше попытайтесь вообразить всепланетную общность живых организмов, связанную горизонтальным переносом генетической информации, как популяция лягушек связана совместным размножением! Удобно ли описывать и изучать эту общность, пользуясь традиционными понятиями и расхожими мыслительными штампами? Новым задачам должен соответствовать и новый способ мышления!

… И парадоксы систематики

Первое дело первого человека до сих пор не доделано. Адам, по свидетельству Библии, до грехопадения (определившего необходимость добывать хлеб насущный в поте лица своего) придумывал имена для животных. Ныне поименовано более миллиона видов, а очередь безымянных все еще скрывается за горизонтом. Классифицирование названных видов позволяет разобраться в миллионе имен и сделать информацию об их сходстве и различии более компактной.

Систематики до сих пор спорят, существует ли единая, правильная классификация. Оптимисты верят, что это та классификация, которая точно отражает филогению — эволюционную историю. Вот узнаем с помощью молекулярных методов, как шла эволюция, и поставим все на свои места… Увы, эволюционные изменения многомерны, и, проецируя их на иерархическую систему, мы неизбежно теряем значительную часть информации. Какую? Ту, которую сочтем менее важной. Считаете, что "объективными" методами можно определить, какая часть информации наиболее важна? Оставьте эти иллюзии!

Интерпретируйте, к примеру, такой факт. С тех пор как разошлись эволюционные пути человека и шимпанзе, человек приобрел 154 новых гена, а наши "отсталые" родственники шимпанзе — 233! Как измерить и сравнить эти изменения? По числу генов? По длине последовательностей ДНК? По изменению образа жизни? Одна из влиятельных школ систематики говорит: если изменение видов нельзя оценить "объективно", то его не следует учитывать вообще и реконструировать надо лишь порядок ветвления эволюционного древа. Страусово решение: зачем нужна классификация, которая не учитывает основной результат эволюции — изменение видов?

С другой стороны, сложности в трактовке каких-то результатов не означают, что эти результаты бесполезны. Зачастую родство (или его отсутствие) разных групп организмов, устанавливаемое молекулярными методами, оказывается столь явным, что приходится менять устоявшуюся классификацию.

Орнитологи давно выделили две группы грифов: Старого Света (собственно грифов) и Нового Света (катартид). Хотя было ясно, что эти группы не находятся в тесном родстве, результаты анализа ДНК оказались неожиданными. Американские грифы — это на самом деле аистообразные. К их числу относятся и современные кондоры, и самые крупные из когда-либо летавших птиц. Речь идет о тераторнисах ("ужасных птицах"), "грифах", которые в неогеновом периоде питались останками гигантских млекопитающих. У одного из них, аргентависа, размах крыльев достигал 7 м, а вес 120 кг! Помните, в "Детях капитана Гранта" Жюля Верна кондор похитил и утащил по воздуху мальчика? Реальные кондоры на такие подвиги не способны. Но в нашем фольклоре европейские аисты носят детей в клювах (держа за пеленочку), а американские — в когтях!

Новейшие молекулярные данные касаются примитивных групп крылатых насекомых. Выяснилось, что термитов надо не выделять в особый отряд, а рассматривать как семейство отряда тараканов. Неважно, что по сложности социальной организации термиты обогнали всех животных, кроме людей. Социальное совершенство термитов — следствие их способности расщеплять целлюлозу, основу древесины. В кишечниках термитов живет сложный эндосимбиотический комплекс. Его основу составляют высокоспециализированные жгутиконосцы (которых долго считали инфузориями, так как под микроскопом кажется, что они покрыты множеством подвижных ресничек, как инфузории). То, что считалось ресничками, оказалось спирохетами — удлиненными бактериями, способными извиваться. Населяющие кишечник термита спирохеты выстраиваются на поверхности жгутиконосца, синхронизируют свои движения и перемещаются вместе с ним, как единое целое. Жгутиконосцы сами по себе не могут расщеплять целлюлозу, но внутри них обитают симбиотические бактерии, овладевшие этой реакцией. Заглатывая маленькие щепочки, жгутиконосцы скармливают их своим внутренним бактериям, а продуктами переработки делятся с обеспечивающими их подвижность спирохетами. Ну а термиты питаются как продуктами активности своего внутреннего зоопарка, так и его питомцами.

Несмотря на все чудеса эндосимбиоза, переваривание целлюлозы для термитов — непростой процесс, в кишечнике одного насекомого ему не пройти. Поэтому одна и та же порция пищи проходит через пищеварительные тракты многих насекомых, поедающих фекалии друг у друга. В конечном счете, комочки из продуктов переработки пищи будут использованы для возведения термитников. Эти сооружения, иногда достигающие величественных размеров, обеспечивают защиту и благоприятный климат для совместного расщепления древесины. И теперь получается, что все это делают тараканы?! Представляете, какой победой генной инженерии и прочих биотехнологий стало бы создание прусаков, содержащих в кишечнике симбиогенетический комплекс, способный расщеплять целлюлозу? Такие тараканы поедали бы не только пищевые остатки, но и мебель с книгами.

Сфера приложения данных молекулярной систематики растет. Последняя новость: из остатков мягких тканей тираннозавра, найденных пару лет назад в Монтане, извлекли фрагменты молекул белка (коллагена, основы соединительной ткани). Анализ этих фрагментов пока принес лишь тривиальный результат: тираннозавр состоял в более близком родстве с курицей, чем с лягушками и тритонами. Стоило ли ради этого тревожить останки, ожидавшие своей судьбы 68 миллионов лет? Стоило! Ведь лиха беда — начало. Поймем, в каких породах макромолекулы сохраняются лучше, — научимся их эффективнее искать и толковее анализировать, и со временем узнаем что-то новое. Поживем — увидим…

Где скрываются снежные люди

Кирилл Еськов

"Хочется чего-нибудь эдакого…" — при том что, помянутые классиком как рядоположные "севрюжина с хреном" и "конституция" совершенно уже неактуальны: первая без ограничений продается в соседнем "Рамсторе", а вторая выложена в открытый доступ, но так никем и не читана, ибо — многа букв… Можно на этом месте порекомендовать для застольных бесед апробированный набор тем о загадках природы: НЛО с Тунгусским метеоритом, остров Пасхи с пустыней Наска, снежный человек с Лох-Несским чудовищем, — загадках, ответ на которые злонамеренно скрывается от рядовых налогоплательщиков Официальной Наукой&tm;. На некстати случившегося же за тем столом профессионального археолога, который поведает — в простоте своей — о том, что никаких мрачных тайн в тех рисунках из Наска не содержится, ибо это всего лишь замечательный астрономический календарь, посмотрят с нескрываемым отвращением: испортил песню, гад!

Криптозоология определяется Википедией как лженаука: "Это связано с тем,

что криптозоологией часто занимаются люди без биологического образования, а также тем, что ни одна находка криптозоологов, о которых они сообщали в СМИ, не получила подтверждения". Однако при заходе на сайт Cryptozoology.ru у нормального биолога (вроде меня) возникает желание всего лишь "отделить мух от котлет". Здесь интернет-опрос "Как снежные люди связаны с НЛО?" (sic!) мирно соседствует с отчетом о недавней зоологической экспедиции на Борнео, открывшей очередные новые для науки виды мышей-и-лягушек… Тут, кстати, приходит на память и романтическая (хотя и совершенно реальная) история мисс Латимер, чье имя увековечено в названии открытой ею кистеперой рыбы, и с детства любимый профессор Челленджер со товарищи — ну да, Как будто не все пересчитаны звезды,// Как будто бы мир не открыт до конца!

…Ладно: с мышами-лягушками, равно как с не так давно открытыми "живыми ископаемыми" — моллюсками-моноплакофорами и рачками-цефалокаридами (зоологические сенсации, вовсе не замеченные широкой публикой) все ясно. А вот как там насчет существ более корпулентных, и в силу этого более близких сердцу той публики — Лох-Несского чудовища, гигантского кальмара, реликтового гоминоида (помните: плезиозавр Лизавета, спрут Спиридон и снежный человек Федя из Колонии необъяснимых явлений при НИИЧАВО)? Если, понятное дело, исходить из того, что все это — нормальные зоологические объекты, по разным причинам не попавшие пока в руки ученых, а не нечто потустороннее?

Так вот, ученый — памятуя о пренцендентах с явленными нам вживе латимерией и метасеквойей — для начала отделит тех, чье существование в принципе допустимо (хотя и не доказано) от тех, кого можно считать мифом с полной на то уверенностью. Вот, к примеру, ящер-плезиозавр (или типа того), обитающий в шотландском озере Лох-Несс — на радость тамошней индустрии туризма… Ну, начать с того, что "мрачное и пустынное горное озеро Лох-Несс" на самом деле с 1825 года является частью пересекающего Шотландию с востока на запад Каледонского канала, интенсивность судоходства по которому не в пример выше, чем, скажем, на трассе Волго-Балта, и это не говоря уж о том, что в последние десятилетия тамошние места стали культовыми для туристов — как тут спрячешься? Еще хуже для "криптозоологов" то, что Лох-Несс, вместе со всей Шотландией, совсем еще недавно был сплошь покрыт ледниковым щитом — условия, явно не самые подходящие для выживания реликтовой рептилии…

Это, однако, косвенные доводы; самый же убийственный аргумент против существования "нео-плезиозавра" следует из экологии. На озере, разумеется, постоянно работают гидробиологи; я тут имею в виду не энтузиастов, безуспешно обшаривающих сонарами озерные глубины, а профессионалов, ведущих рутинную работу по изучению местной экосистемы: пробы воды и грунта, количественные учеты фитопланктонных водорослей и зоопланктонных рачков, etc. Так вот, структура пищевой пирамиды Лox-Несса ни на йоту не отличается от таковой соседних олиготрофных озер, и тамошняя экосистема просто-напросто неспособна прокормить хищника более крупного, чем лосось (а по части такого рода энергетических расчетов экология давно уже стала вполне точной наукой). Соответственно, никакой иной "Несси", кроме той, что рисуют по всей Шотландии на стикерах и майках (а также на эмблеме Лох-Несской биостанции Друмнадрахит — где, собственно, и ведутся эти экологические исследования), нет и не было. Ну, если, конечно, не брать в рассмотрение гипотезы о том, что Несси питается "святым духом", либо — подобно чудо-гусыне из фантастического рассказика Азимова — являет собою живой ядерный реактор (работающий, по доброй британской традиции, на полонии-210)…

Или вот сообщения о том, что в дебрях Сибири нет-нет, да и покажется недовымерший мамонт. Мамонт — это все-таки не исчезнувшие с лица Земли за десятки миллионов лет до появления человека динозавры; на этих еще каких-то 10 тысяч лет назад охотились наши не шибко озабоченные природоохраными идеями предки, так что — пуркуа бы и не па?.. Увы, с симпатичным мохнатым слоном, столь любимым зрителями мультфильма "Мамонтенок ищет маму", тоже ничего не выйдет — и, в общем-то, по той же самой причине: никак тому слону не прокормиться в нынешней Сибири.

Тут объяснения придется начать издалека. Когда в учебниках и научно-популярных книгах пишут, что "самой продуктивной на Земле экосистемой является дождевой тропический лес" это, конечно, верно: суммарная масса живых организмов (представляющая собою, в конечном счете, ассимилированную экосистемой при фотосинтезе солнечную энергию), приходящаяся на единицу площади тропического леса, колоссальна — деревья-то вон какие, и вон их сколько! Однако есть экосистемы, оборот вещества и энергии в которых оптимизирован по-иному: суммарная биомасса растений там относительно невелика, однако темпы ее прироста и обновления очень высоки (аналогия из области экономики: важен не столько размер капитала, сколько скорость его оборота). И вот по этому параметру вне конкуренции "травяные биомы" — степи и саванны, в которых основу растительного покрова составляют не деревья, а злаки.

Злаки с их стеблем-соломиной обладают, в отличие от большинства трав, не верхушечным, а вставочным ростом: если отъесть у них верхушку, они начинают лишь быстрее расти. В некотором смысле травяной биом подобен волшебному горшочку из сказки Братьев Грим — чем больше ту кашу ешь, тем больше ее становится. Именно поэтому в степях растительноядные животные (копытные, грызуны, саранчовые) могут без вредных для экосистемы последствий одномоментно изымать до 60 % растительной биомассы — цифра, совершенно немыслимая для лесных сообществ, вроде нашей тайги или того же тропического леса. Вот и выходит, что фотосинтезирующей биомассы в степной экосистеме в каждый отдельный момент вроде бы и немного (по сравнению с лесами), но за счет высокой скорости ее прироста можно прокормить гораздо больше (чем в лесах же) копытных и хищников — вспомните знакомые всем нам по телепередачам "В мире животных" картины африканских саванн или неисчислимые стада бизонов в распаханных ныне прериях…

Так вот, одним из таких высокопродуктивных травяных биомов во времена Великого Оледенения были холодные сухие степи, окружавшие ледниковый щит. Этот исчезнувший ныне ландшафт получил название "тундростепь". Термин возник оттого, что тамошняя фауна (ее так и называют — "мамонтовая фауна") представляла собой странную смесь: часть ее сохранилась в современной тундре (северный олень, овцебык), часть — в современной степи (сайгак, бизон), а часть (мамонт, шерстистый носорог, пещерный лев, саблезубый тигр) была характерна лишь для этой экосистемы и исчезла вместе с ней.

Древние тундростепи очень похожи по структуре растительного покрова на так называемые реликтовые степи Восточной Сибири и Аляски, существующие ныне в виде небольших пятачков на сухих южных склонах тамошних гор. В эпоху оледенения, когда колоссальные количества воды оказались заморожены в ледниковом щите (создававшем к тому же устойчивый антициклон, что дополнительно иссушает климат), эти сухие степеподобные ландшафты распространились на огромные площади. При наступившем же 10–12 тысяч лет назад потеплении, когда ледниковый щит растаял, отступив до примерно нынешних его границ, климат стал гораздо более влажным. Место тундростепей заняли тундра современного типа и северная тайга, где основу растительного покрова составляют не злаки, а мхи, которые практически несъедобны для большинства животных; изолированные пятнышки горных "реликтовых степей" просто неспособны прокормить популяции копытных и хищников, составлявших "мамонтовую фауну". Кстати, дольше всего мамонт прожил на арктическом острове Врангеля (открытый недавно карликовый островной подвид — очаровательное существо высотою около полутора метров — вымер всего 5 тысяч лет назад, против 10 тысяч лет на континенте), а там и поныне относительно широко распространены те самые реликтовые степи.

Итак, существование мамонта в нынешние времена совершенно невозможно: исчезла сама экосистема, в которую тот был встроен. И даже если в будущем мамонта сумеют воссоздать "в пробирке" генно-инженерными методами (благо замороженных в вечной мерзлоте тканей этого существа предостаточно), жить в природе ему будет все равно негде. Ну, по крайней мере, пока не закончится межледниковье, в которое мы живем, и не начнется следующее по счету оледенение.

Иное дело — "снежный человек". Мне, по крайней мере, неизвестны законы природы, налагавшие бы прямой запрет на существование в горах Центральной Азии реликтового гоминоида — "обезьяночеловека", или просто крупной человекообразной обезьяны. С вечными снегами он, надо полагать, вопреки своему названию не связан никак (кроме того, что иногда оставляет там следы), а обитать должен в поясе горных лесов, где вполне достаточно и пищи, и укрытий. Ясно, что любые сообщения о североамериканских "бигфутах" можно со спокойной совестью выкидывать не читая (ибо своих видов приматов на том континенте нет и никогда не было^[4], а чтобы пройти туда из Азии через приполярную Берингию, как это сделали люди, надо хотя бы обладать огнем), но вот в Гималаях или на Памире — почему бы и нет? Есть даже вполне правдоподобные кандидаты на эту роль, например мегантроп — очень крупная (около двух метров ростом) ископаемая обезьяна^[5] из Южной Азии, обладавшая рядом "человеческих" черт, которые сближают ее с африканскими австралопитеками, прямыми предками гоминид…

Итак, допускаю ли я (как зоолог-профессионал) принципиальную возможность существования реликтового гоминоида? — ответ: "Да". Верю ли я в его существование? — ответ: "Нет". А поскольку речь тут зашла не о "знаю/не знаю", а о "верю/не верю", я позволю себе высказать на сей счет вполне субъективное суждение, основанное на личном опыте.

…В начале 80-х мне довелось работать на плато Путорана в северной Сибири. Место вообще глухое и безлюдное (на карте "плотности населения" оно с полным на то основанием сохраняет девственную белизну), а мы с напарником к тому же сидели отдельно от всех в горах, километрах в пятидесяти от базового лагеря экспедиции. Сам я изучал тамошнюю почвенную фауну, а напарник мой — поведение снежных баранов и хищников, волков с росомахами. Надобно заметить, что со спецификой работы орнитологов и "мышатников" я знаком был неплохо, а вот специалиста по крупным млекопитающим наблюдал в деле впервые — и впечатление, прямо скажу, было ошеломляющее…

Мой спутник — зоолог-полевик старой, классической школы — умел отыскивать (и фотографировать) свое зверье до того лихо, что Дерсу Узала с Чингачгуком тут, что называется, нервно курят в сторонке…Замечу, что самому мне тех шастающих по горам вокруг нашей палатки зверей углядеть не удалось просто-таки ни разу — за изъятием случаев, когда напарник, стоя рядом, давал прямые инструкции, куда точно направлять бинокль, да еще и разъяснял при этом (сам-то даже в бинокль не заглядывая), что, именно сейчас вот происходит пред моими вооруженными глазами^[6]. А уж как он читал следы… От развития тяжелого комплекса неполноценности меня тогда уберегало лишь то детское изумление, с каким он, в свой черед, наблюдал — сколько всякой микроскопической живности извлекаю я из какой-нибудь неприметной моховой кочки…

Так вот, кому как, а мне тех полутора месяцев, проведенных в той палатке, вполне хватило для обретения непоколебимой убежденности: там, где единожды ступила нога такого вот профессионала, ни одно животное крупнее крысы не имеет ни единого шанса остаться "неизвестным науке". Ну, а поскольку к концу двадцатого столетия мест, где та нога профессионала не ступала бы вовсе, почитай, уже не осталось (по крайней мере на суше) — выводы делайте сами… Такое вот мое субъективное мнение, да; по другому говоря — "экспертная оценка".

Эпоха "бури и натиска", когда европейские путешественники что ни год, то открывали по крупному позвоночному (горная горилла, окапи, гигантский варан и т. д.), в которой по сию пору черпают свой энтузиазм "криптозоологи", на самом деле уместилась в пару десятилетий на границе XIX и XX веков; именно тогда, кстати, отправился в свое путешествие за динозаврами конан-дойлевский профессор Челленджер. С той поры технология закрашивания "белых пятен" изменилась принципиально, и дело тут даже не в увеличении числа зоологов в цивилизованных странах. Куда важнее то, что соотечественники Челленджера, несшие свое "бремя белого человека" (да и не только они), успешно воспитали в колониях местные кадры, способные обеспечивать не только экспедиционные, но и стационарные исследования; а дальше, как и везде, колоритные кондотьеры уступили место "большим батальонам", что "всегда правы"… Между прочим, за всю эпоху "бури и натиска" не бывало случая, чтобы от первых слухов о существовании в неких тропических дебрях некоего загадочного зверя до триумфальной доставки в Европу его шкуры с черепом прошло больше трех-пяти лет — сравните-ка это со снежным человеком, которого вот уж сколько десятилетий как безуспешно "ищут прохожие, ищет милиция"…

После Первой мировой войны бурный поток зоологических открытий такого рода (то есть достойных внимания читателя воскресных газет) резко иссяк. В 1937 году в джунглях Индокитая был открыт дикий бык коупрей; сомнения на его счет высказывали неоднократно, и вот только что генетический анализ расставил точки над "ё": таки да, одичавший домашний скот. В конце 70-х по добыче промышлявших в Антарктике советских китобоев установили было новый вид китов, но позже его разжаловали в цветовую разновидность. В 80-90-х описали несколько видов копытных, обитающих во Вьетнаме, — оленей и антилоп; статус большей части этих форм столь же сомнителен, как и коупрея, хотя антилопа псевдорикс вроде бы действительно представляет собой новый для науки род… В любом случае, результатов за три четверти столетия негусто.

По-хорошему, в сухом остатке тут — лишь история открытия в 1938 году кистеперой рыбы: хранительница музея мисс Латимер, заинтересовавшаяся странной добычей южноафриканских рыбаков, и упрямый ихтиолог профессор Смит, после четырнадцатилетних поисков обнаруживший естественное местообитание латимерий в сотнях километров от места первоначальной, случайной как выяснилось, поимки — у Коморских островов близ Мадагаскара, на глубине более 200 метров. А ровно через шестьдесят лет, в 1998 году, на противоположном конце Индийского океана, в Индонезии, случился почти буквальный ремейк той давней истории. Американская туристка на местном рыбном рынке; фото остатков странной рыбы; экспедиционный грант, тут же выданный под ту фотографию (это к вопросу об Официальной Hayкe&tm;, злонамеренно игнорирующей-де любые сообщения с мест о загадочных находках); ну и — на следующий же год — новый вид латимерии, переданный американскими ихтиологами в Индонезийский национальный музей!

Обратите внимание: латимерия — редчайшая глубоководная рыба, никогда не поднимающаяся наверх, однако профессионалы, стоило им лишь взяться за дело, нашли ее — на раз. Гигантского кальмара архитевтиса (тоже ведь редчайшее существо) то найдут на берегу в дохлом виде, и сунут в научный спирт, то снимут целый фильм — как он себя ведет в естественных условиях, на километровой глубине. А вот Морской Змей, регулярно (якобы) резвящийся на поверхности, даже и на фото все как-то толком не попадет — прямо Маркус Вольф какой-то! Ну а как попадет — так непременно окажется полуразложившейся акулой…

Чур-чура! — я вовсе не хочу сказать, что "эпоха великих зоологических открытий" уже позади, что мир "открыт до конца", а гумилевские звезды "пересчитаны все". Тут достаточно вспомнить выловленного недавно в Южной Пацифике представителя губок-археоциат, считавшихся вымершими еще в кембрийском периоде, и открытый в 2000 году в Намибии новый отряд ортоптероидных насекомых (его одновременно нашли еще и в балтийском янтаре!). Новые технологии позволили начать регулярные исследования древесных крон в тропических лесах, что привело к открытию — в числе прочего — нескольких видов низших обезьян и лемуров. Однако все эти открытия сделаны сугубыми профессионалами, да и оценены-то по достоинству могут быть лишь ими же — это вам не мега-кальмар, питающийся яхтами непослушных олигархов…

Так вот, возвращаясь к николай-степанычевым звездам: похоже, те из них, что можно разглядеть без соответствующей астрономической подготовки и эквипмента, сосчитаны все ж таки полностью. Работы по пересчету остальных — еще непочатый край, но тут уже требуется некоторое знание матчасти. Тем же, кому эту матчасть учить влом, осталось, боюсь, лишь обсуждать на форумах связь снежного человека с НЛО и торсионными полями. Либо попытаться пропихнуть поиски снежного человека в Вятской губернии в число Национальных Проектов&tm;; а что — при правильном распиле отката вполне даже может пройти!

ЛИКБЕЗ

Лекции по биологии (продолжение)

Янковский Н.К. с сотоварищами

Митоз, мейоз, гаметогенез, оплодотворение и эмбриональное развитие

Лекция № 15

Тема лекции — деление клетки (митоз, мейоз и их отличиях) и индивидуальное развитие (образовании гамет и оплодотворения и краткий обзор эмбрионального развития).

Клетка в своей жизни проходит разные состояния: фазу роста и фазы подготовки к делению и деления. Клеточный цикл — переход от деления к синтезу веществ, составляющих клетку, а затем опять к делению — можно представить на схеме в виде цикла, в котором выделяют несколько фаз.

Клеточный цикл

После деления клетка вступает в фазу синтеза белков и роста, эту фазу называют G1. Часть клеток из этой фазы переходит в фазу GO, эти клетки функционируют и потом погибают без деления (например, эритроциты). Но большинство клеток, накопив необходимые вещества и восстановив свой размер, а иногда и без изменения размеров после предыдущего деления, начинают подготовку к следующему делению. Эта фаза называется фаза S — фаза синтеза ДНК, затем, когда хромосомы удвоились, клетка переходит в фазу G2 — фазу подготовки в митозу. Затем происходит митоз (деление клетки), и цикл повторяется заново. Фазы G1, G2, S вместе называются интерфазой (т. е. фазой между делениями клетки).

Жизненный цикл клетки регулируется белками циклинами, концентрация которых меняется на разных фазах цикла. Толщина цветных секторов соответствует концентрации циклинов.

Жизнь клетки и переход от одной фазы клеточного цикла к другой регулируется изменением концентраций белков циклинов, как это показано на рисунке.

При подготовке к делению происходит репликация ДНК, на каждой хромосоме синтезируется ее копия. Пока эти хромосомы после удвоения не расходятся, каждая хромосома в этой паре называется хроматидой. После репликации ДНК конденсируется, хромосомы приобретают более компактную укладку, и в таком состоянии их можно увидеть в световом микроскопе. Между делениями эти хромосомы не столь конденсированы и в большей степени расплетены. Понятно, что в конденсированном состоянии им трудно функционировать. Хромосома имеет вид в виде буквы X только во время одной из стадий митоза. Раньше считалось, что между делениями клетки хромосомная ДНК (хроматин) находится в полностью расплетенном состоянии, но сейчас выясняется, что структура хромосом достаточно сложная и степень деконденсации хроматина между делениями не очень велика.

Процесс деления, при котором исходно диплоидная клетка дает две дочерние, также диплоидные, клетки, называется митозом. Имеющиеся в клетке хромосомы удваиваются, выстраиваются в клетке, образуя митотическую пластинку, к ним прикреплены нити веретена деления, которые растягиваются к полюсам клетки и клетка делится, образуя две копии исходного набора.

При образовании гамет, т. е. половых клеток — сперматозоидов и яйцеклеток — происходит деление клетки, называемое мейозом. Исходная клетка имеет диплоидный набор хромосом, которые затем удваиваются. Но, если при митозе в каждой хромосоме хроматиды просто расходятся, то при мейозе хромосома (состоящая из двух хроматид) тесно переплетается своими частями с другой, гомологичной ей хромосомой (также состоящей из двух хроматид), и происходит кроссинговер обмен гомологичными участками хромосом. Затем уже новые хромосомы с перемешанными «мамиными» и «папиными» генами расходятся и образуются клетки с диплоидным набором хромосом, но состав этих хромосом уже отличается от исходного, в них произошла рекомбинация. Завершается первое деление мейоза, и второе деление мейоза происходит без синтеза ДНК, поэтому при этом делении количество ДНК уменьшается вдвое. Из исходных клеток с диплоидным набором хромосом возникают гаметы с гаплоидным набором. Из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидных клетки. Фазы деления клетки, которые следуют за интерфазой, называются профаза, метафаза, анафаза, телофаза и после деления опять интерфаза.

При мейозе фазы называется также, но указывается, к какому делению мейоза она относится. Кроссинговер — обмен частями между гомологичными хромосомами — происходит в профазе первого деления мейоза (профаза I), которая включает следующие этапы: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез. Процессы, происходящие при этом в клетке, подробно описаны в учебнике Макеева, и их следует знать.

Кроссинговер — обмен частями между гомологичными хромосомами (отцовскими и материнскими) происходит в профазе I мейоза.

Краткий обзор этапов гаметогенеза

Гаметогенез подразделяется на сперматогенез (процесс образования сперматозоидов у самцов) и оогенез (процесс образования яйцеклетки). По тому, что происходит с ДНК, эти процессы практически не отличаются: одна исходная диплоидная клетка дает четыре гаплоидные. Однако, по тому, что происходит с цитоплазмой, эти процессы кардинально различаются.

В яйцеклетке накапливаются питательные вещества, необходимые в дальнейшем для развития зародыша, поэтому яйцеклетка — это очень крупная клетка, и когда она делится, цель — сохранить питательные вещества для будущего зародыша, поэтому деление цитоплазмы несимметрично. Для того чтобы сохранить все запасы цитоплазмы и при этом избавиться от ненужного генетического материала, от цитоплазмы отделяются полярные тельца, которые содержат очень мало цитоплазмы, но позволяют поделить хромосомный набор. Полярные тельца отделяются при первом и втором делении мейоза (подробнее о том, что происходит с полярными тельцами растений — в Макееве)

Исходная клетка, из которой в последствии образуется зрелая яйцеклетка, называется ооцитом первого порядка. После деления из него образуется ооцит второго порядка и первое полярное тельце. Затем происходит второе деление мейоза, в результате образуется гаплоидный оотид и второе полярное тельце. Первое полярное тельце за это время тоже успевает поделиться, таким образом всего получается три гаплоидных полярных тельца. В оотиде происходят некоторые процессы созревания и он превращается в яйцеклетку. Она содержащая почти всю цитоплазму исходного ооцита, но гаплоидный набор хромосом. Эти хромосомы уже прошли рекомбинацию, т. е. если исходно клетки содержат одну хромосому от мамы, одну от папы, то в зрелой яйцеклетке в каждой хромосоме чередуются куски, полученные от одного и второго родителя.

При сперматогенезе цитоплазма исходного сперматоцита первого порядка делится (первое деление мейоза) поровну между клетками, давая сперматоциты второго порядка. Второе деление мейоза приводит к образованию гаплоидных сперматоцитов второго порядка. Затем происходит созревание без деления клетки, большая часть цитоплазмы отбрасывается, и получаются сперматозоиды, содержащие гаплоидный набор хромосом очень мало цитоплазмы. Ниже представлена фотография сперматозоида человека и схема его строения.

Сперматозоиды животных имеют одинаковое принципиальное строение, но могут отличаться формой и размером. Сперматозоид имеет головку, в которую плотно упакована ДНК. Головка сперматозоида окружена очень тонким слоем цитоплазмы. На ее переднем конце находится структура, называемая акросомой. Эта структура содержит ферменты, позволяющие сперматозоиду проникнуть через оболочку яйцеклетки. Сперматозоид имеет хвостик. Часть хвостика, прилегающая к головке ("шейка"), окружена митохондриями. Они необходимы, чтобы обеспечить биение хвостика и движение сперматозоида в желательном ему направлении. На сперматозоиде имеется для выбора направления движения хеморецепторы, сходные с обонятельными клетками.

Созревание спермиев происходит в семенных канальцах тестикул. При превращении исходной клетки, сперматогония, в сперматоцит, сперматиды и зрелый сперматозоид происходит перемещение клетки от базальной мембраны семенного канатика к его полости. После созревания сперматозоиды отделяются, попадая в просвет семенных канальцев, и готовы к движению в поисках яйцеклетки и оплодотворению. Процесс созревания длится примерно три месяца. У млекопитающих у особей мужского пола процесс созревания сперматозоидов — сперматогенез — начинается с возраста половой зрелости и продолжается затем до глубокой старости.

Существенно отличается процесс созревания яйцеклетки — оогенез. Во время эмбрионального развития млекопитающих возникает большое количество яйцеклеток, и к рождению самки в ее яичниках уже находится порядка 200–300 тысяч яйцеклеток, остановившихся на первой стадии деления мейоза. В период полового созревания яйцеклетки начинают реагировать на половые гормоны, Регулярные циклические изменения гормонов впоследствии вызывают созревание яйцеклетки, обычно одной, иногда двух или больше. Когда для лечения бесплодия женщине делают инъекции половых гормонов, чтобы индуцировать созревание яйцеклеток, избыток этих гормонов может привести к созреванию нескольких яйцеклеток, и как следствие этого — многоплодной беременности. Яйцеклетка созревает в пузырьке, называемом фолликулом.

Зрелый фолликул перед овуляцией

За всю жизнь у женщин современных индустриализованных стран созревает всего 400–500 яйцеклеток, у женщин традиционной культуры — в племенах охотников-собирателей — менее 200 штук. Это связано с различиями в традиции деторождения: у европейских женщин рождается в среднем 1–2 ребенка, которых она кормит в среднем 3–5 месяцев, (а известно, что лактация тормозит восстановление месячных циклов после родов), то есть у нее больший период времени остается для созревания яйцеклеток и прохождения менструальных циклов; в это же самое время у бушменов женщины рожают в среднем по 5 детей, они не делают абортов, в отличие от западных женщин, и они кормят грудью по 3–4 года, при этом овуляция тормозится, поэтому месячных циклов у них в 2 раза меньше, чем у западных женщин. Большее количество овуляторных циклов ведет к повышению риска заболевания репродуктивных органов у женщин, так как каждая овуляция связана с делением клеток, а чем больше делений — тем больше может возникнуть мутаций, ведущих к появлению злокачественных образований.

Месячные циклы у женщины регулируются изменением концентрации гормонов (верхний график на рисунке). Под действием гормонов один из покоящихся фолликулов (пузырьков) с яйцеклеткой начинает развиваться. Через несколько дней фолликул лопается и из него выходит зрелая яйцеклетка. Этот процесс называется овуляцией. Слизистая оболочка матки (эндометрий) при этом разрастается, готовясь принять оплодотворенную яйцеклетку. Если беременность не наступает, происходит дегенерация и отторжение верхнего слоя эндометрия, сопровождающееся кровотечением. Во время овуляции у женщины происходит повышение так называемой базальной температуры (то есть температуры, измеряемой ректально и вагинально сразу после пробуждения) на несколько десятых градуса (нижний график на рисунке), потом она может упасть или остаться слегка повышенной до начала менструации. У каждой женщины колебания базальной температуры индивидуальны, но более или менее постоянны при установившемся месячном цикле. Таким образом по изменению температуры можно примерно судить, когда происходит овуляция.

Ошибки при определении сроков овуляции по базальной температуре могут возникать из-за не связанных с месячным циклом изменений температуры (например, при гриппе или другом заболевании, дающем подъем температуры) или из-за сбоев цикла, которые могут возникнуть у женщины при перемене климата, стрессе или под влиянием других факторов. Пример изменения температуры в одном месячном цикле представлен на рисунке:

Яйцеклетка жизнеспособна 24–48 час. Спермий активен до 2–3 суток.

Яйцеклетка после выхода из фолликула сохраняет жизнеспособность примерно 24–48 часов. Спермии же после попадания в половые пути женщины жизнеспособны до 2–3 суток, далее они могут быть подвижны, но не способны к оплодотворению. Поэтому оплодотворение возможно в течение 2–3 дней до и 1–2 дней после овуляции. В остальное время зачатие произойти не может. Но на самом деле скачок температуры происходит не точно при овуляции, а при изменении концентрации гормонов, овуляцию вызывающих, поэтому точность определения дня овуляции по температурному графику составляет примерно 2 дня. Поэтому оплодотворение может произойти в 3 + 2 = 5 дней до овуляции и 2 + 2 = 4 дня после овуляции дней цикла. Осторожные люди прибавляют еще по 1–2 дня с каждой стороны. Остальные дни считаются "безопасными". Хотелось бы отметить, что цикл подчиняется эмоциональной регуляции, например, во время войны из-за тяжелой жизни, недоедания у женщин прекращались менструации, это явление называется "аменорея военного времени". Однако описаны случаи, когда муж приезжал домой с фронта на 2 дня, за эти 2 дня у женщины происходила овуляция независимо от фазы цикла, и впоследствии рождался ребенок. О том, что физиологические процессы достаточно сильно могут регулироваться нервной системой, показывает процесс родов у обезьян. У человека первые роды длятся примерно 24 часа, а у обезьян всего несколько часов, причем начинаются они обычно во время, когда стадо находится на стоянке. То есть к утру, когда стадо собирается отправляться в путь, мама готова путешествовать дальше с новорожденным. Если по каким-то причинам процесс родов к утру не завершился, а стадо уже готово идти дальше, то роды останавливаются, так как стадные животные не должны отставать от своих сородичей, и уже потом при новой остановке, роды возобновляются.

Процесс проникновения сперматозоидов в яйцеклетку называется оплодотворением. Яйцеклетка окружена несколькими оболочками, структура которых такова, что только сперматозоид собственного вида может попасть в яйцеклетку. После оплодотворения оболочки яйцеклетки меняются и другие сперматозоиды уже не могут в нее проникнуть.

У некоторых видов внутрь яйцеклетки могут проникнуть несколько сперматозоидов, но все равно в слиянии ядер участвует только один из них. При оплодотворении в яйцеклетку проникает только ядро сперматозоида, хвостик же вместе митохондриями отбрасывается, и в клетку не попадает. Поэтому митохондриальную ДНК все животные наследуют только от матери. Оплодотворенное яйцо называют зиготой (от греч. зиготос — соединенный вместе).

После оплодотворения происходит деление клетки, восстановившей диплоидный набор хромосом. Первое и несколько последующих делений яйцеклетки происходят без увеличения размера клеток, поэтому процесс называется дроблением яйцеклетки.

Эмбрион (греч. "зародыш") — ранняя стадия развития живого организма от начала дробления яйцеклетки до выхода из яйца или из материнского организма (в акушерстве, в отличие от эмбриологии, термин эмбрион используют только для первых 8 недель развития, после 8-й недели называют плодом).

Эмбриогенез (эмбриональное развитие) является частью онтогенеза (индивидуального развития) — развития организма от образования зиготы до его смерти. Эмбриогенез — это процесс, в котором презумптивные зачатки занимают свои дефинитивные места.

Из школьного вы помните, что при развитии эмбриона ланцетника образуется бластула (полый клеточный шарик), из которой получается двуслойная гаструла путем инвагинации (впячивания) одной стороны бластулы внутрь.

У млекопитающих процесс происходит несколько иным образом. Дробление яйцеклетки у них приводит к образованию комочка клеток, называемого морулой. Морула подразделяется на внутреннюю часть, из которой потом развивается сам зародыш, и наружную часть, образующую полый пузырек, называемый трофобластом. Дальнейшее развитие приводит к формированию трехслойного зародыша, состоящего из внутреннего слоя — энтодермы, внешнего слоя — эктодермы, и третьего слоя между ними — мезодермы. Из каждого слоя впоследствии образуются определенные ткани и органы.

На фотографии ниже изображен червь нематода Caenorhabd.itis elegans (произносится как "ценорабдитис элеганс"), ближайший родственник аскариды, который интересен тем, что имеет строго фиксированное число клеток. Это дает возможность установить происхождение каждой из клеток, какая клетка из какой получилась. На рисунке показана схема происхождения разных клеток в эмбриональном развитии С. elegans.

Во время развития зародыша происходит дифференциация и перемещение его клеток с образованием тканей и органов. Рассмотрим на примере мухи-дрозофилы этот процесс. В развитии мухи происходит последовательная смена форм, значительно отличающихся друг от друга: яйцо, личинка, куколка и имаго (взрослая особь). Такое развитие называется развитием с метаморфозом (метаморфоз — греч. "изменение формы").

Развитие дрозофилы: личинка, куколка и имаго

Цитоплазма яйцеклетки не гомогенна, в ней асимметрично распределены различные биологически активные компоненты.

У эмбриона уже определены оси тела, число и ориентация сегментов тела, из которых затем развиваются части тела взрослой мухи. Эти процесс контролируются различными наборами генов, которые называются морфогены. Они кодируют белки, которые регулируют экспрессию других генов, отвечающих за формирование органов.

Градиент концентрации белков-морфогенов определяет передне-заднюю и дорсовентральную (спино-брюшную) оси тела. У дрозофилы в определении дорсовентральной оси тела участвуют 12, главный из них ген dorsal. Белок Dorsal сконцентрирован в цитоплазме на той стороне эмбриона, которая станет спинной, и проникает в ядро клеток на брюшной стороне, активируя группы генов, продукты которых необходимы для определения осей тела.

Детерминация передне-задней оси тела контролируется другими генами. Один из них называется bicoid, его мРНК сконцентрирована в цитоплазме передней части яйца (фиксирована своим 3'-концом). В результате при трансляции возникает градиент концентрации белка Bicoid от переднего к заднему концу яйца. Градиент поддерживается продолжительным периодом синтеза белка и его коротким временем жизни. Bicoid, так же как и Dorsal, морфоген, он активирует гены, которые необходимы для развития головы и грудных структур. Его экспрессия ингибируется продуктом гена nanos, сконцентрированного на заднем конце эмбриона.

На следующем этапе включаются гены сегментации. Они контролируют дифференциацию эмбриона на индивидуальные сегменты. После оплодотворения транскрибируется около 25 генов сегментации, их экспрессия регулируется градиентами белков Bicoid и Nanos.

Гомеозисные гены

После сегментации и установления ориентации сегментов активируются так называемые геомеозисные гены. Различные их наборы активируются специфическими соотношениями концентраций белков, упоминавшихся выше.

Продукты гомеозисных генов активируют другие гены, которые определяют сегмент — специфичные особенности. Глаза в норме возникают только на головном сегменте, а ноги — только на грудных сегментах.

Гомеозисные гены кодируют регуляторные белки, связывающиеся с ДНК. Каждый из них содержит кластер нуклеотидов, называемый гомеобоксом, которые сходен во всех гомеотических генах. Он содержит 180 нуклеотидов и кодирует 60 аминокислот, функционирующих как ДНК-связывающий домен.

У дрозофилы имеется два основных кластера гомеотических генов: комплекс

Antennapedia (5 генов у дрозофилы) который определяет развитие головы и передних торакальных сегментов, и комплекс Bithorax (3 гена) который контролирует развитие задних торакальных и брюшных сегментов. Порядок расположения генов тот же, что и сегментов, в которых они экспрессируются.

Впервые мутации гомеозисных генов были идентифицированы в 1894 году, когда Уильям Бэтсон заметил, что у растений иногда части цветка появляются на неправильных местах. Гомеозисные гены как бы определяют адрес клетки в конкретном сегменте, сообщая клеткам, в каком районе они находятся. Когда они мутируют, клетки получают "ложный адрес" и ведут себя так, будто они находятся в другом месте эмбриона

Нарушения в работе гомеозисных генов (вызванные мутациями или внешними воздействиями) нарушают формирование структур тела и могут привести, например, к образованию глаз на лапках у мухи, или к тому, что вместо антенн на голову у нее вырастут ноги (как это показано на рисунке). У человека найдены мутации в гомеозисных генах, приводящие к недоразвитию зубов, например, и к другим, более тяжелым нарушениям.

После того, как были открыты и изучены геомео-гены дрозофилы, сходные гены были найдены у всех других животных от нематоды до человека. У млекопитающих они называются Нох генами (гомеобокс-содержащими генами) и также кодируют белки, регулирующие транскрипции и определяющие структуры тела и их положение в передне-заднем направлении.

Таким образом, в эмбриональном развитии исходный градиент белков и мРНК в яйцеклетке стимулирует локальную экспрессию генов эмбриона, которая ведет дальнейшей дифференциации генной экспрессии и определяет судьбу клеток развивающегося эмбриона. Процесс, в котором формируются конечности, ткани и органы, называется морфогенезом, и определяется последовательностью переключения экспрессии групп генов, однако эти гены пока не столь детально изучены.

В процессе эмбриогенеза осуществление записанной в генах программы развития происходит в конкретных условиях среды. Взаимодействие генов и среды можно описать на следующей модели. Эмбриональное развитие можно сравнить с шариком, катящимся по наклонной поверхности с разными желобками. Такое представление эмбрионального развития, названное эпигенетическим ландшафтом, был предложен Кондратом Уоддингтоном.

Самый глубокий желобок (соответствующий наиболее вероятному пути) определяет нормальное развитие организма. Но у основного желобка есть много разветвлений, менее глубоких, соответствующих патологии, аномальному развитию организма, по ним шарик покатится с меньшей долей вероятности. Мутации меняют соотношение вероятностей разных путей (на рисунке — меняется глубина желобков), и увеличивают вероятность развития по "неправильному" патологическому пути. Однако в части случаев воздействие среды (лечение) может скомпенсировать дефект и вернуть организм на нормальный путь развития. Например, фенилкетонурия — наследственная болезнь, которую можно лечить. Суть болезни заключается в том, что у больных отсутствует фермент фенилаланингидроксилаза, превращающий аминокислоту фенилаланин в другую аминокислоту, тирозин. При блокировании нормальных путей катаболизма фенилаланина его превращение идет другими путями, обычно играющими второстепенную роль. Фенилаланин превращается в кетокислоту фенилпируват (фенилпировиноградная кислота) и другие продукты. Избыточные количества фенилпирувата легко определить по анализу мочи, и такой анализ проводится всем новорожденным в нашей стране. Одним из симптомов этой болезни является развитие умственной отсталости, которое во взрослом состоянии уже необратимо. Лечить болезнь можно в детстве специальной диетой, при которой в организме не из чего будет вырабатывать пировиноградную кислоту. Частота заболевания около 1:10 000 новорожденных, и чем раньше начато лечение — тем лучше результаты. Именно поэтому проводится тотальная диагностика новорожденных. Интересно то, что если ребенок перестает придерживаться лечебной диеты, то болезнь опять станет прогрессировать. Поэтому диету надо соблюдать до остановки физиологического роста, примерно до 20 лет, когда токсичное воздействие будет менее опасным. Больные фенилкетонурией при беременности обязательно должны соблюдать диету, так как иначе плод будет отравлен из-за нарушения обмена веществ у матери.

Таким образом, при лечении, то есть полезном воздействии внешней среды, можно вернуть развитие организма в нормальное русло. Но действие окружающей среды может быть и вредным, то есть у организма под действием внешней среды возникают отклонения развития при совершенно нормальных генах. Для примера рассмотрим один случай. В 60-х годах в Германии было сильно разрекламировано новое снотворное под названием талидомид. Среди принимавших новое лекарство были беременные женщины. Спустя некоторое время было замечено, что в стране стало рождаться много детей с патологией конечностей. У них отсутствовали длинные кости конечностей, то есть прямо от основания тела начинались кисти или ступни.

Раньше такое заболевание встречалась один раз на несколько тысяч новорожденных, и вдруг такой всплеск. Начали проводиться исследования, и выяснилось, что причина в новом лекарстве. Как оказалось, талидомид имеет большое сродство к гуанину. Взаимодействуя с ДНК, он может приводить к функциональным нарушениям. Промотор гена, отвечающего за рост и развитие длинных конечностей, содержит большое количество гуанина, таким образом, талидомид нарушает работу этих генов, и зачатки костей длинных конечностей так и не начинают развиваться. Многие из этих детей не выжили, часть из тех, кто выжил, ведут жизнь инвалидов, но есть среди них люди, которые, несмотря на инвалидность, реализовали свои возможности.

После талидомидной трагедии все новые лекарства проверяют на тератогенную (вызывающую нарушения развития плода) активность, и для каждого препарата указано, можно ли его принимать беременным. Однако следует учитывать, что во время беременности, особенно на ранних этапах, женщина не должна принимать лекарства, не посоветовавшись с врачом, из-за возможных вредных воздействий на плод.

В настоящее время уровень тяжелых врожденных уродств составляет 1–2 %, из них около трети по генетическим причинам, около трети — из-за воздействий среды, и для трети причина неизвестна. Подбирая условия среды, соответствующие индивидуальным особенностям организма, можно скомпенсировать часть врожденных дефектов.

Взаимодействие генов и среды в процессе индивидуального развития можно сравнить с игрой в карты: хороший игрок может выиграть и с плохими картами.

Основные принципы наследования и наследственности

Лекция № 16

Мы начнем с изложения законов Менделя, затем поговорим про Моргана, и в конце скажем, зачем генетика нужна сегодня, чем она помогает и каковы ее методы.

В 1860-х годах монах Мендель занялся исследованием наследования признаков. Этим занимались и до него, и впервые об этом говорится в Библии. В Ветхом завете говорится о том, что если владелец скота хотел получить определенную породу, то он одних овец кормил ветками очищенными, если хотел получить потомство с белой шерстью, и неочищенными, если хотел получить шкуру скота черной. То есть, как наследуются признаки волновало людей еще до написания Библии. Почему же до Менделя никак не могли найти законы передачи признаков в поколениях?

Дело в том, что до него исследователи выбирали совокупность признаков одного индивида, с которыми было сложнее разбираться, нежели с одним признаком. До него передача признаков рассматривалась часто как единый комплекс (типа — у нее лицо бабушкино, хотя отдельных признаков тут очень много). А Мендель регистрировал передачу каждого признака в отдельности, независимо от того, как передались потомкам другие признаки.

Важно, что Мендель выбрал для исследования признаки, регистрация которых была предельно простой. Это признаки дискретные и альтернативные:

1. дискретные (прерывистые) признаки: данный признак либо присутствует, либо отсутствует. Например, признак цвета: горошина либо зеленая, либо не зеленая.

2. альтернативные признаки: одно состояние признака исключает наличие другого состояния. Например, состояние такого признака как цвет: горошина либо зеленая, либо желтая. Оба состояния признака в одном организме проявиться не могут.

Подход к анализу потомков был у Менделя такой, который до него не применяли. Это количественный, статистический метод анализа: все потомки с данным состоянием признака (например — горошины зеленые) объединялись в одну группу и подсчитывалось их число, которое сравнивали с числом потомков с другим состоянием признака (горошины желтые).

В качестве признака Мендель выбрал цвет семян посевного гороха, состояние которого было взаимоисключающим: цвет или желтый, или зеленый. Другой признак — форма семян. Альтернативные состояния признака — форма или морщинистая или гладкая. Оказалось, что эти признаки стабильно воспроизводятся в поколениях, и проявляются либо в одном состоянии, либо в другом. В общей сложности Мендель исследовал 7 пар признаков, следя за каждым по отдельности.

При скрещивании Мендель исследовал передачу признаков от родителей к их потомкам. И вот что он получил. Один из родителей давал в череде поколений при самоопылении только морщинистые семена, другой родитель — только гладкие семена.

Наследственные признаки у гороха Pisum sativum: форма и цвет семян, форма и цвет стручка, размер растения, расположение цветков

Горох — самоопылитель. Для того, чтобы получить потомство от двух разных родителей (гибриды), ему нужно было сделать так, чтобы растения не самоопылялись. Для этого он удалял у одного родительского растения тычинки, и переносил на него пыльцу с другого растения. В этом случае образовавшиеся семена были гибридными. Все гибридные семена в первом поколении оказались одинаковыми. Все они оказались гладкими. Проявившееся состояние признака мы называем доминантным (значение корня этого слова — господствующий). Другое состояние признака (морщинистые семена) у гибридов не обнаруживалось. Такое состояние признака мы называем рецессивным (уступающим).

Мендель скрестил растения первого поколения внутри себя и посмотрел на форму получившихся горошин (это было второе поколение потомков скрещивания). Основная часть семян оказалась гладкой. Но часть была морщинистой, точно такой же у исходного родителя (если б мы говорили про собственную семью, то сказали бы, что внук был точно в дедушку, хоть у папы с мамой этого состояния признака не было совсем). Он провел количественное исследование того, какая доля потомков относится к одному классу (гладкие — доминантные), а какая к другому классу (морщинистые — рецессивные). Оказалось, что морщинистых семян получилась примерно четверть, а три четверти — гладких.

Мендель провел такие же скрещивания гибридов первого поколения по всем остальным признакам: цвету семян, окраски цветка и др. Он увидел, что соотношение 3:1 сохраняется.

Мендель провел скрещивание и в одном направлении (папа с доминантным признаком, мама — с рецессивным) и в другом (папа с рецессивным признаком, мама с доминантным). При этом качественные и количественные результаты передачи признаков в поколениях были одинаковыми. Из этого можно сделать вывод, что и женские и отцовские задатки признака вносят одинаковый вклад в наследование признака у потомства.

То, что в первом поколении проявляется признак только одного родителя, мы называем законом единообразия гибридов первого поколения или законом доминирования.

То, что во втором поколении вновь появляются признаки и одного родителя (доминантный) и другого (рецессивный) позволило Менделю предположить, что наследуется не признак как таковой, а задаток его развития (то, что мы сейчас называем геном). Он также предположил, что каждый организм содержит пару таких задатков для каждого признака. От родителя к потомку переходит только один из двух задатков. Задаток каждого типа (доминантный или рецессивный) переходит к потомку с равной вероятностью. При объединении у потомка двух разных задатков (доминантный и рецессивный) проявляется только один из них (доминантный, он обозначается большой буквой А). Рецессивный задаток (он обозначается малой буквой а) у гибрида не исчезает, поскольку проявляется в виде признака в следующем поколении

Так как во втором поколении появился точно такой же организм, как и родительский, Мендель решил, что задаток одного признака «не замазывается», при объединении с другим, он остается таким же чистым. В последствии было выяснено то, что от данного организма передается только половина его задатков — половые клетки, они называются гаметами, несут только один из двух альтернативных признаков.

У человека насчитывается около 5 тыс. морфологических и биохимических признаков, которые наследуются достаточно четко по Менделю. Судя по расщеплению во втором поколении, альтернативные задатки одного признака комбинировались друг с другом независимо. То есть доминантный признак мог проявиться при комбинациях типа Аа, аА и АА, а рецессивный только в комбинации аа.

Повторим, что Мендель предположил, что наследуется не признак, а задатки признака (гены) и что эти задатки не смешиваются, поэтому этот закон называется законом чистоты гамет. Через исследование процесса наследования можно было сделать выводы о некоторых характеристиках наследуемого материала, то есть что задатки стабильны в поколениях, сохраняют свои свойства, что задатки дискретны, то есть, определяются только одно состояние признака, то, что их два, они комбинируются случайно и т. д.

Во времена Менделя еще ничего не былоизвестно о мейозе, хотя про ядерное строение клетки уже знали. То, что в ядре содержится вещество, названное нуклеином, стало известно только через пару лет после открытия законов Менделя, причем это открытие с ним никак не было связано.

Все выводы вышеизложенного материала можно сформулировать следующим образом:

1) Каждый наследственный признак определяется отдельным наследственным фактором, задатком; в современном представлении эти задатки соответствуют генам;

2) Гены сохраняются в чистом виде в ряду поколений, не утрачивая своей индивидуальности: это явилось доказательством основного положения генетики: ген относительно постоянен;

3) Оба пола в равной мере участвуют в передаче своих наследственных свойств потомству;

4) Редупликация равного числа генов и их редукция в мужских и женских половых клетках; это положение явилось генетическим предвидением существования мейоза;

5) Наследственные задатки являются парными, один — материнский, другой — отцовский; один из них может быть доминантным, другой — рецессивным; это положение соответствует открытию принципа аллелизма: ген представлен минимум двумя аллелями.

К законам наследования относятся закон расщепления наследственных признаков в потомстве гибрида и закон независимого комбинирования наследственных признаков. Эти два закона отражают процесс передачи наследственной информации в клеточных поколениях при половом размножении. Их открытие явилось первым фактическим доказательством существования наследственности как явления.

Законы наследственности имеют другое содержание, и они формулируются в следующем виде:

• Первый закон — закон дискретной (генной) наследственной детерминации признаков; он лежит в основе теории гена.

• Второй закон — закон относительного постоянства наследственной единицы — гена.

• Третий закон — закон аллельного состояния гена (доминантность и рецессивность).

То, что законы Менделя связаны с поведением хромосом при мейозе, было обнаружено в начале XX века во время повторного открытия законов Менделя сразу тремя группами ученых независимо друг от друга. Как вам уже известно, особенность мейоза заключается в том, что число хромосом в клетке уменьшается вдвое, хромосомы могут меняться своими частями при мейозе. Такая особенность характеризует ситуацию с жизненным циклом у всех эукариот.

Для того чтобы проверить предположение о наследовании задатков в таком виде, как мы уже говорили, Мендель провел также скрещивание потомков первого поколения, имеющие желтые семена с родительскими зелеными (рецессивными). Скрещивание на рецессивный организм он назвал анализирующим. В результате он получил расщепление один к одному: (Аа х аа = Аа + Аа + аа + аа). Таким образом, Мендель подтвердил предположение, что в организме первого поколения есть задатки признаков каждого из родителей в соотношении 1 к 1. Состояние, когда оба задатка признака одинаковы, Мендель назвал гомозиготным, а когда разные — гетерозиготным.

Мендель учитывал результаты, полученные на тысячах семян, то есть он проводил статистические исследования, которые отражают биологическую закономерность. Открытые им самые законы будут действовать и на других эукариотах, например грибах. Здесь показаны грибы, у которых четыре споры, получаемые в результате одного мейоза, остаются в общей оболочке. Анализирующее скрещивание у таких грибов приводит к тому, в одной оболочке присутствуют 2 споры с признаком одного родителя и две с признаком другого. Таким образом, расщепление 1:1 в анализирующем скрещивании отражает биологическую закономерность расщепления задатков одного признака в каждом мейозе, которая будет выглядеть как закономерность статистическая, если все споры смешать.

То, что у родителей были разные состояния одного признака, говорит о том, что задатки к развитию признака могут как-то меняться. Эти изменения называются мутациями. Мутации бывают нейтральными: форма волос, цвет глаз и др. Некоторые мутации приводят к изменениям, нарушающим нормальное функционирование организма. Это коротконогость у животных (крупный рогатый скот, овцы и др.), безглазость и бескрылость у насекомых, бесшерстность у млекопитающих, гигантизм и карликовость.

Некоторые мутации могут быть и безвредными, например бесшерстность у людей, хотя все приматы имеют волосяной покров. Но иногда встречаются изменения интенсивности волосяного покрова на теле и у людей. Н.И.Вавилов назвал такое явление законом гомологических рядов наследственной изменчивости: то есть признак, типичный только для одного из двух родственных видов, может быть обнаружен с какой-то частотой и у особей родственного вида.

На этом слайде показано то, что мутации могут быть достаточно заметными, мы видим негритянскую семью, в которой родился белый негр — альбинос. У него дети, скорее всего, будут пигментированными, поскольку мутация эта рецессивная, а частота ее встречаемости низка.

Мы говорили до этого о признаках, которые проявляются полностью. Но это не для всех признаков так. Например, фенотип гетерозигот может быть промежуточным между доминантным и рецессивным признаком родителей. Так, окраска плода у баклажан в первом поколении меняется с темно-синей на менее интенсивную фиолетовую. При этом во втором поколении расщепление по наличию окраски осталось 3:1, но если учитывать интенсивность окраски расщепление стало 1:2:1 (цвет темно-синий — АА, фиолетовый — 2Аа и белый — аа, соответственно) В данном случае видно, что проявление признака зависит от дозы доминантного аллеля. Расщепление по фенотипу соответствует расщеплению по генотипу: классы АА, Аа и аа, в соотношении 1:2:1.

Еще раз выделим роль Менделя в развитии науки. Никто до него не размышлял, что вообще могут существовать задатки признаков. Считалось, что в каждом из нас сидит маленький человечек, внутри его — еще маленький человечек и т. д. Зачатие имеет к его появлению какое-то отношение, но по механизму, готовый маленький человечек уже присутствует с самого начала своего роста. Такими были доминирующие представления, у которых, безусловно, был недостаток — по этой теории, при большом числе поколений гомункулус должен был получиться по размеру меньше элементарной частицы, но тогда про частицы еще не знали J.

Откуда Мендель знал, какой признак является доминантным, а какой рецессивным? Ничего такого он не знал, просто взял некоторый принцип организации опыта. Удобно, что признаки, за которыми он наблюдал, были разными: рост, размер, цвет цветка, цвет боба и т. д. У него не было априорной модели механизма наследования, он вывел ее из наблюдения за передачей признака в поколениях. Еще одна особенность его метода. Он получил, что доля особей с рецессивным признаком во втором поколении составляет четверть от всего потомства. То есть вероятность того, что данная горошина зеленая — 1/4. Допустим, получилось в среднем по 4 горошины в одном стручке. Будет ли в каждом стручке (это потомство от двух и только от двух родителей) 1 горошина зеленая и 3 желтых? Нет. Например, вероятность того, что там будет 2 зеленых горошины равна 1/4 х 1/4 = 1/16, а того, что все четыре зеленые — 1/256. То есть, если взять кучу бобов, с четырьмя горошинами в каждом, то у каждой 256-ой все горошины будут с рецессивными признаками, то есть зелеными. Мендель анализировал потомство множества одинаковых пар родителей. О скрещивании было рассказано, потому что они показывают, что законы Менделя проявляются как статистические, а в основе имеют биологическую закономерность — 1:1. То есть гаметы разных типов в КАЖДОМ мейозе у гетерозиготы образуются в равном соотношении — 1:1, а закономерности проявляется статистически, поскольку анализируются потомки сотен мейозов — Мендель анализировал более 1000 потомков в скрещивании каждого типа.

Сначала Мендель исследовал наследование одной пары признаков. Затем он задался вопросом, что будет происходить, если одновременно наблюдать за двумя парами признаков. Выше на рисунке, в правой части проиллюстрировано такое исследование по двум парам признаков — цвету горошин и форме горошин.

Родители одного типа давали при самоопылении горошины желтые и круглой формы. Родители другого типа давали при самоопылении горошины зеленые и морщинистой формы. В первом поколении он получил все горошины желтые, а по форме — круглые. Получившееся расщепление во втором поколении удобно рассмотреть с помощью решетки Пенета. Получили расщепление по признакам 9:3:3:1 (желтые и круглые: желтые и морщинистые: зеленые и круглые: зеленые и морщинистые).

Расщепление по каждой паре признаков происходит независимо друг от друга. Соотношение 9жк + Зжм + Ззк + 1зм соответствует независимой комбинации результатов двух скрещиваний (3ж + 1з) х (3к + 1 м). То есть и задатки признаков этих пар (цвет и форма) комбинируются независимо.

Посчитаем, сколько разных фенотипических классов мы получили. У нас было 2 фенотипических класса: желтые и зеленые; и по другому признаку 2 фенотипических класса: круглые и морщинистые. А всего будет 2*2=4 фенотипических класса, что мы и получили выше. Если рассматривать три признака, то фенотипических классов будет 2³=8 классов. Мендель доходил до дигибридных скрещиваний. Задатки всех признаков, к счастью Менделя, находились у гороха на разных хромосомах, а всего хромосом у гороха — 7 пар. Поэтому, оказалось, что он взял признаки, которые комбинировались независимо в потомстве.

У человека 23 пары хромосом. Если рассмотреть какой-то один гетерозиготный признак для каждой хромосомы, может у человека может наблюдаться 2²³ ~ 8*10⁶ фенотипических классов в потомстве одной супружеской пары. Как упоминалось на первой лекции, каждый из нас содержит между папиными и мамиными хромосомами порядка 1 различия на 1000 позиций, то есть всего порядка миллиона различий между папиными и мамиными хромосомами. То есть каждый из нас является потом ком миллионногибридного скрещивания, при котором число фенотипических классов составляет 21000000. Практически это число фенотипических классов в потомстве одной пары не реализуется, потому что хромосом у нас всего 23, а не миллион. Получается, что 8*10⁶ — это нижний предел величины возможного разнообразия в потомстве данной супружеской пары. Исходя из этого, можно понять, что не может быть двух абсолютно одинаковых людей. Вероятность мутации данного нуклеотида в ДНК за одно поколение составляет около 10~⁷ — 10~⁸, то есть на весь геном (3*10⁹) получится около 100 изменений de novo между родителем и ребенком. А всего отличий в папиной половинке вашего генома от маминой половинки — около 1 000 000. Это значит, что старые мутации в вашем геноме гораздо более частые, чем вновь возникшие (в 10 000 раз).

Также Мендель проводил анализирующее скрещивание — скрещивание с рецессивной гомозиготой. У потомка первого поколения комбинация генов имеет вид АаВЬ. Если скрестить его с представителем с полностью рецессивным набором генов (aabb), то получится четыре возможных класса, которые будут находиться в соотношении 1:1:1:1, в отличие от рассмотренного выше скрещивания, когда мы получили расщепление 9:3:3:1.

Аналитическое скрещивание RrYy x rryy

Ниже показаны некоторые статистические критерии — какие соотношения чисел следует считать соответствующими ожидаемым, скажем, 3:1. Например, для 3:1 — из четырехсот горошин вряд ли получится точно 300 к 100. Если получится, к примеру, 301 к 99, то это отношение наверное можно считать равным 3 к 1. А 350 к 50 уже, наверное, не равно 3 к 1.

Статистический тест хи-квадрат (χ2) используется для проверки гипотезы соответствия наблюдаемого распределения ожидаемому. Произносится эта греческая буква в русском языке как «хи», а в английском — как «чи» (chi).

Величина х2 рассчитывается как сумма квадратов отклонений наблюдаемых величин от ожидаемой, деленных на ожидаемую величину. Затем по специальной таблице для данного значения х2 находят величину вероятности того, что такое различие между наблюдаемой и ожидаемой величиной является случайным. Если вероятность оказывается меньше 5 % то отклонение считается не случайным (цифра в пять процентов выбрана по договоренности.

Всегда ли будет проявляться какой-либо наследственно предопределенный признак? Ведь это предположение по умолчанию лежит в основе интерпретации данных полученных Менделем.

Оказывается, это может зависеть от многих причин. Есть такая наследуемая черта у человека — шестипалость. Хотя у нас, как и у всех позвоночных, пальцев в норме пять.

Вероятность проявления задатка признака в виде наблюдаемого признака (здесь — шестипалость) может быть меньше 100 %. На фотографии у человека на обеих ногах по 6 пальцев. А у его близнеца этот признак не обязательно проявится. Доля индивидов с данным генотипом, у которых проявляется соответствующий фенотип, была названа пенетрантностью (этот термин ввел российский генетик Тимофеев-Ресовский).

В некоторых случаях шестой палец может быть просто обозначен некоторым кожным приростом. Степень выраженности признака у индивида Тимофеев-Ресовский предложил называть экспрессивностью.

Особенно ясно не 100 % связь генотипа с фенотипом прослеживается при исследовании идентичных близнецов. Генетическая конституция у них один в один, а признаки у них совпадают в разной степени. Ниже представлена табличка, в которой представлено совпадение признаков для близнецов идентичных и неидентичных. В качестве признаков в этой таблице взяты различные болезни.

Признак, который присутствует у большинства особей в естественных условиях обитания, называется диким типом. Наиболее распространенный признак часто оказывается доминантным. Такая связь может иметь приспособительное значение, полезное для вида. У человека доминантными признаками являются, к примеру, черные волосы, темные глаза, кудрявые волосы. Кстати, поскольку соответствующие гены находятся на разных хромосомах, то может получиться кудрявый негр, который будет блондином — ничто это не запрещает.

Почему так получается, что в при моногибридном скрещивании трем генотипическим классам в потомстве второго поколения соответствует в некоторых случаях три фенотипических класса (баклажаны синие, фиолетовые и белые), а в другом случае — два класса (желтая или зеленая горошина)? Почему в одном случае проявление доминантного признака неполное, а в другом — полное? Можно провести аналогию с фотопленкой. В зависимости от количества света, кадр может получиться совсем прозрачным, серым и совсем черным. То же самое — с генами. Например, есть у кукурузы ген Y, который определяет образование витамина А. Когда доза гена Y на клетку растет от одного до трех, то линейно изменяется активность фермента, который он кодирует и, в данном случае, усиливается образование витамина А и окраска зерна. (У кукурузы основная часть зерна — эндосперм. В каждой клетке эндосперма три генома — два от мамы и один от папы).

То есть, многие признаки зависят от дозы аллеля количественно. Чем больше копий аллеля нужного типа, тем больше будет величина контролируемого им признака. Такая связь постоянно используется в биотехнологии.

Мендель мог благополучно свои законы и не открыть. Исследования на горохе позволили Менделю открыть свои законы, потому что горох — самоопыляемое растение, а потому без принуждения — гомозиготный. При самоопылении доля гетерозигот уменьшается пропорционально двум в степени номера поколения. В этом заключалось везение Менделя — если бы доля гетерозигот была большой, то никаких бы закономерностей не наблюдалось. Когда он затем взял перекрестные опылители, то закономерности нарушились, что сильно расстроило Менделя, потому что он подумал, что открыл нечто частное. Оказалось, что нет.

У самоопылителей гетерозиготное растение даст лишь половину гетерозиготных потомков Аа х Аа => 1АА: 2Аа: 1аа. В следующем поколении от всех гетерозигот опять останется лишь половина. Уже в 4-м поколении гетерозигот останется всего 0.5⁴ = 6 %, поэтому у Менделя взятые в опыт растения гороха были гомозиготными: либо доминантными, либо рецессивными. Законы Менделя могли бы не проявиться на перекрестниках, где получить гомозиготную линию гораздо сложнее.

Выше было рассказано о наследовании признаков качественных, а обычно большинство признаков — количественные. Их генетический контроль достаточно сложен. Количественные признаки описываются через среднюю величину значения признака и размахом варьирования, которая называется нормой реакции. И величина средней, и норма реакции — это видоспецифические показатели, которые зависят как от генотипа, так и от условий среды. К примеру, продолжительность жизни человека. Хоть в Библии и написано, что пророки жили по 800 лет, но сейчас ясно, что больше 120–150 лет никто не живет. А, мышь, например, живет два года, хотя она тоже млекопитающее. Наш рост, наш вес — это все количественные признаки. Нет людей 3–4 метрового роста, хотя слоны, к примеру, есть. У каждого вида своя средняя по каждому количественному признаку и свой размах его варьирования.

Норма реакции: изменение длины крыльев в зависимости от температуры среды во время развития у мух Drosophila melanogaster

Закономерности наследования открыты при исследовании качественных признаков.

Большинство наших признаков — количественные.

Величины значений признаков в представительной выборке особей данного вида характеризуются определенной средней и широтой ее варьирования, которая называется нормой реакции и зависит как от генотипа, так и от условий формирования признака.

Связь генотипа и фенотипа: варианты проявления менделевских закономерностей

Лекция № 17

Мы продолжим обсуждать качественные признаки, и говорить о связи генотипа и фенотипа, о вариантах проявления менделевских закономерностей, и что за этим стоит с точки зрения наших представлений о работе генетического материала.

Зачем надо изучать результаты Менделя и Моргана? Прежде всего, нам интересно узнать что-то о нас самих. Нам хочется быть богатыми, здоровыми и счастливыми (последние два признака во многом генетически контролируемые. Есть люди, которые чувствуют себя обычно счастливыми, а есть такие, которые чаще ощущают себя несчастными — эти ощущения связаны с определенными генетическими характеристиками).

Если мы знаем характер генетического контроля признака, то мы можем предсказать с определенной вероятностью фенотип на основе генотипа (если он известен). Если мы не знаем, как признак контролируется, то мы будем в полном неведении, и не сможем ничего сказать относительно признаков будущих поколений. Если мы знаем связь между генотипом и фенотипом, то мы можем сделать определенные предсказания о развитии признака (например, болезни) и, в некоторых случаях, предпринять действия полезные индивиду. Для этого нам надо установить генотип. Сейчас эта задача технически разрешима (поскольку секвенирование генома человека проведено), хотя и непомерно дорога.

В реальности нам дано лишь наблюдать проявление признака в поколениях и на основе этого создавать модель генетического контроля формирования признака, которая может быть верна лишь в данных конкретных условиях. Но, тем не менее, если мы создали такую модель, то мы можем в этом случае иметь средства для регуляции какого-то признака, в частности, повлиять возникновение или ход какой-либо болезни. Таким образом, генетический контроль и его изучение имеет большое практическое, в частности, медицинское, значение. И в основе всего лежат менделевские закономерности, которые могут проявляются по-разному в зависимости от конкретных особенностей генотипа и среды.

Мы сейчас рассмотрим, какие могут быть условия генотипа и среды, при которых эти закономерности будут выглядеть не такими, как их наблюдал Мендель, и почему это происходит. Мендель наблюдал, что при объединении задатков двух признаков в одном организме может быть проявление только одного признака. Второй задаток не проявляется. Такой тип доминирования называется полным.

Переоткрытие законов Менделя привело к выявлению других типов доминирования. Например, неполного доминирования, когда фенотип гетерозиготы является промежуточным между двумя гомозиготами. Есть еще один тип доминирования, очень популярный в последнее время в суде, — кодоминирование — в гетерозиготе проявляются фенотипы каждой из гетерозигот. Это явление имеет место, в частности, и у человека. Если у вас есть папина хромосома и мамина хромосома (а это, несомненно, так), и они различаются в миллионе позиций, что можно выявить разными методами, то это все случаи кодоминирования.

Первичным фенотипом организма является последовательность нуклеотидов молекул его ДНК. На этом фенотипе строятся все фенотипы следующих уровней. То есть при исследовании вашей ДНК проявляются все и папины, и мамины признаки; каждая из молекул ДНК проявляет свой признак независимо от присутствия другой молекулы ДНК с другим признаком: при секвенировании или при расщеплении ДНК какими-либо ферментами видны оба состояния ДНК. Кодоминантные признаки (маркеры самой молекулы ДНК) характеризуют различие между хромосомами и используются для идентификации личности или установления отцовства (число таких случаев разрешаемых в суде составляет несколько сотен в год).

Типы доминирования: полное (вверху) и неполное (внизу).

Когда мы говорим о генотипе и фенотипе — это такие крайние единого процесса реализации наследственной информации в индивидуальном развитии. Например, гладкая или морщинистая форма горошины, это ее фенотип. А генотип — это та специфическая последовательность нуклеотидов, которая в данных условиях определяет, что горошина будет гладкой или морщинистой. В 1999 году с менделевскими линиями гороха была проведена следующая работа. Участки хромосомы, отвечающие за форму горошины, были клонированы, секвенированы, и было установлены их особенности — различие последовательностей нуклеотидов — которые и определяли развитие гладкой или морщинистой формы горошины.

Обратите внимание, что форма горошины является конечным признаком, а формированию признака этого уровня предшествует проявление признака на многих предыдущих уровнях. Во-первых, это наличие (аллель 1) или отсутствие (аллель 2) олигосахарида, которое и приводит к той или иной форме горошины. Еще более глубоким уровнем проявления фенотипа является то, что имеется соответствующий белок (аллель 1), который необходим для синтеза олигосахарида или это тот же белок, но альтернативной структуры (аллель 2), при которой олигосахарид не образуется. Еще более глубоким признаком является РНК, с которой синтезируется этот белок. Эти РНК различны по последовательности нуклеотидов (аллели 1 и 2), что и делает различными соответствующие белки. А эти РНК различны, потому что транскрибируется с разных молекул ДНК, папиной и маминой, у которых последовательности нуклеотидов в данной позиции различны (аллели 1 и 2). Все это — проявление одного и того же фенотипа, последовательно реализуемого на каждом из уровней.

Мы имеем право говорить о фенотипе на каждом из этих многих уровней — от конкретных особенностей последовательности нуклеотидов ДНК до формы горошины. При этом, как только мы продвигаемся от ДНК выше, тем больше влияние условий окружающей среды. Например, возможность функционирования разных аллелей на уровне ДНК (транскрипция папиной и маминой копии гена) будет мало зависеть от температуры, а возможность функционирования тех же аллелей на уровне белка может критически зависеть от температуры. При некоторых температурах белок (например, аллель 1) будет работать, а другой (аллель 2) не будет работать. Как только мы выдвигаемся на более высокий уровень в реализации фенотипа, появляется больше возможностей для влияния окружающей среды на проявление признака.

И наоборот, чем ближе мы продвигаемся к генотипу, тем предсказуемее связь между генотипом и фенотипом. При идентификации человека в судебно-медицинской экспертизе чаще всего используются маркеры, которые различают одни и те же участки гомологичных (папины и мамины) хромосом. Обычно эти различия — микровставки в данном месте молекулы ДНК. Принцип метода таков. Мы можем размножить in vitro фрагмент молекулы ДНК в нужном месте хромосомы, например, с координатами от позиции N до позиции N+100. Этот фрагмент мы выбрали потому, что в нем у каждого человека в каждой хромосоме есть вставка, например, динуклеотид СА. В каждой хромосоме длина этой вставки может быть своя. Допустим, в одной хромосоме этот динуклеотид повторен в данном месте 10 раз, а в том же месте другой хромосомы — 15 раз. При размножении этого участка хромосомы мы получим фрагменты двух длин 100 +2*10=120 пар нуклеотидов и 100 + 2*15 = 130 пар нуклеотидов. Фрагменты каждого из этих размеров отличимы после их фракционирования электрофорезом в геле.

Пусть и папа и мама гетерозиготны по этому локусу, подобно гибридам первого поколения Менделевского моногибридного скрещивания. Обозначим их генотипы по характеристической длине размножаемых фрагментов ДНК — 120/130. Тогда их дети будут иметь такие генотипы 1 120/120 (гомозиготы по аллелю 120): 2 120/130 (гетерозиготы): 1 130/130 (гомозиготы по аллелю 130). Естественно, присутствие в образце фрагмента ДНК одной длины не влияет на возможность детекции фрагмента ДНК другой длины, то есть, используемые маркеры ко-доминантны. Они обе проявляются. Понятно, что здесь проявляются те же менделевские закономерности передачи и расщепления признаков, хотя в качестве признака мы использовали морфологию самой молекулы ДНК — различную длину фрагмента молекулы в данном месте хромосомы.

После переоткрытия законов Менделя выяснялось, что Мендель то в одном как бы как бы не прав, то в другом как бы не прав. Обнаруживались дополнительные обстоятельства, которые модифицировали проявление менделевских закономерностей.

Например, число классов генотипов и фенотипов зависит от плоидности, даже если аллелей всего два. К примеру, эндосперм в зерне кукурузы триплоидный. У него два генома маминых, а один папин (из пыльцевого зерна). Получали растения кукурузы, которые различались по числу доминантного аллеля гена Y. Этот аллель необходим для образования витамина А. Когда в эндосперме была одна копия аллеля Y, то Если относительное количество витамина А при одной копии аллеля Y составляло единицу, то при двух копиях — 2,2, а при трех копиях — 3,3. То есть выраженность конкретного признака может зависеть от дозы гена. А может и не зависеть — как в случае полного доминирования одного аллеля над другим. Все зависит от конкретного механизма формирования признака.

То, что от дозы гена зависит количество его продукта, используется в биотехнологиях, как основа всех современных процессов, основанных на рекомбинантных ДНК. Во всех этих случаях в клетке увеличивают дозу гена. Увеличение дозы гена приводит к нужным нам результатам, но клетка от этого может умереть. Обычно при производстве это безразлично. Критерием эффективности в биотехнологии является получение целевого вещества с минимальными затратами. Впрочем, если бы могли получить корову, которая бы дала сразу цистерну молока, а потом бы умерла, это было бы очень технологично, но не этично. Однако с бактериями так и поступают: выращивают бактерии в идеальных условиях, а затем включают синтез, который стоит бактериям жизни.

Выраженность признака макет увеличиваться с ростом дозы гена в геноме — это основа современной биотехнологии рекДНК.

Количество витамина А в эндосперме зерна кукурузы зависит от числа доминантных аллелей гена Y

Например, с помощью технологий рекомбинантных ДНК сконструированы бактерии, превращающие сахар в аминокислоту треонин. Более половины углерода, поглощенного такими бактериями превращается в единственный целевой продукт. Меньше половины сахара превращается в тысячи других углерод-содержащих соединений клетки, а, кроме того, расходуется еще и как источник энергии, чтобы все это синтезировать и просто жить. Треонин накапливается в среде до концентрации в 100 грамм на литр, что близко к пределу его растворимости. Мировые объемы производства рекомбинантных продуктов составляют десятки тысяч тонн в год (треонин) и даже сотни тысяч тонн (лизин).

В менделевском случае каждый признак формировался под действием как бы одного гена, который на другие признаки не влиял (ведь растение с гладкими семенами могло быть разной высоты, иметь разного цвета семена и цветы и др.), На самом деле формирование каждого признака требует работы многих генов, и большинство генов влияют более, чем на один признак. Например, относительное содержание каждого из трех метаболитов в эндосперме кукурузы (на слайде) зависит от генотипа по каждому из трех исследованных генов.

Отдельным признак может определяется многими генами (здесь признак — относительное содержание метаболита в эндосперме кукурузы)

Относительное содержание данного метаболита (признак) свое для каждого генотипа: количество триптофана при генотипе Ьt1 большее 1.4 раза, чем для su1, а при генотипе sh2 больше в 2 раза, чем для su1

_{M.Е… Лобашев. Генетика. Л.,1967. стр. 155}

Видно, что на каждый признак влияет каждый из трех генов, и таких генов наверняка больше. Для формирования каждого признака нужно много генов. Объясним это на примере слуха. Чтобы человек слышал, нужны многие структуры уха: молоточки, наковаленки, барабанные перепонки, и если не будет какого-то белка, нужного, чтобы сформировать эти структуры, то человек не будет слышать. Поэтому глухота у человека может возникать из-за дефектов в десятках известных генов (контролирующих много элементов слухового аппарата, передачу сигнала в нервной ткани т. д.). При этом разные генотипы могут приводить к одному фенотипу (глухота). Внешне одинаковые фенотипы, обусловленные разными генетическими причинами, называются фенокопиями. Мутации глухоты редки и обычно рецессивны. Глухота проявляется обычно как моногенный аутосомный дефект с наследованием по менделевскому типу. Известны случаи, когда муж и жена, оба глухие, хотели бы, чтобы и их будущий ребенок был глухим, чтобы он также принадлежал их сообществу. Этот пример показывает — понятие нормы и болезни относительно. Оно зависит, в том числе, и от отношения индивида к своей особенности и от отношения общества к этой особенности.

Менделевские закономерности при взаимодействии генов (на примере глухоты). Допустим, что глухота определяется рецессивными мутациями в 10 разных генах и частота этих мутаций в популяции одинакова.

Вопрос 1. Какова вероятность того, что у двух глухих родителей будет глухой ребенок?

Решение. Каждый из родителей — гомозигота по мутации в одном из генов, нужных для развития слуха. Вероятность того, что второй родитель несет мутацию в том же гене, что и первый составляет 1/10. Следовательно, вероятность того, что ребенок от такого брака будет глухим, составляет 10 %, а того, что он будет слышать — 90 %. Запись генотипов будет при этом следующая: родители ааВВ х АА ЬЬ, потомство первого поколения Аа ВЬ.

Вопрос 2. Какова будет доля слышащих потомков от скрещивания индивидов первого поколения? (Чтобы не смущать друг друга будем считать, что этот опыт проводится, конечно, не на людях, а на мышах — основном модельном генетическом объекте из млекопитающих).

Решение. Расщепление по каждой паре аллелей происходит независимо друг от друга. То есть скрещивание Аа ВЬ х АаВЬ можно записать как два независимых скрещивания. По гену А: родители Аа х Аа. Расщепление у потомков по фенотипу составит 3: 1 (3 слышащих к 1 глухому). При этом у всех слышащих есть хотя бы один доминантный аллель А. Такой генотип записывается в форме А-. Генотип глухих потомков — аа (гомозиготы по рецессивному аллелю). Тогда генотипы соответствующие слышащим и неслышащим потомкам скрещивания можно представить как ЗА-: 1аа.

Таким же образом запись потомков по генотипу при расщеплении аллелей по локусу В можно представить как ЗВ-: 1ЬЬ.

Поскольку расщепление по аллелям одного локуса происходит независимо от расщепления по аллелям другого локуса, то генотип потомков при расщеплении по двум локусам одновременно можно записать в следующем виде:

(ЗА-: 1аа) х (ЗВ-: 1ЬЬ) = 9А-В-: ЗааВ-: 3A-bb: 1aabb

Чтобы индивид слышал, ему необходимо иметь хотя бы один аллель дикого типа по каждому из локусов. Таких индивидов 9 (генотипы А-В-). Чтобы индивид не слышал, достаточно гомозиготности по любому из двух рецессивных генов. Таких индивидов 7 (генотипы ааВ-, A-bb и aabb)

Таким образом, при скрещивании дигетерозигот соотношение слышащих потомков к неслышащим составит 9:7.

Отдельный ген может влиять на несколько признаков, в развитие которых он вовлечен. Такой эффект действия гена называется плейотропным (множественным). Например, альбинизм вызывается дефектом одного гена, контролирующего образование меланина. При этом меняются одновременно такие признаки как цвет волос (белый), цвет кожи (белый) и цвет глаз, (он будет красным от цвета кровеносных сосудов, лежащих за радужной оболочкой глаза). Множество признаков определяется геном SRY, контролирующим формирование всех признаков мужского пола у млекопитающих. Перенос гена SRY из Y-хромосомы самца в геном самки мыши, приводил к развитию особи с огромным количеством внешне наблюдаемых признаков мужского пола.

У Менделя получились одинаковые численные соотношения при расщеплении аллелей многих пар признаков. Это в частности подразумевало одинаковую выживаемость индивидов всех генотипов, но это может быть и не так. Бывает, что гомозигота по какому-нибудь признаку не выживает. Например, желтая окраска у мышей может быть обусловлена гетерозиготностью по одной из пар аллелей (слайд). При скрещивании таких гетерозигот друг с другом следовало бы ожидать расщепление по этому признаку соотношении 3:1. Однако наблюдается расщепление 2:1, то есть 2 желтых к 1 белой (рецессивная гомозигота). Показано, что доминантная (по окраске) гомозигота не выживает уже на эмбриональной стадии. Этот аллель одновременно является рецессивной леталью (то есть рецессивной мутацией, приводящей к гибели организма).

Разные генотипы могут давать разную выживаемость: доминантная мутация с рецессивным летальным эффектом

На следующем слайде показаны типы групп крови, их наследуемость. Этот пример приведен для того, чтобы сказать, что у одного гена может быть не только два аллеля. У Менделя их было всего два для каждого признака: например желтая и зеленая окраски, третьего не дано. Но на самом деле аллелей по каждому локусу может быть много. Группы крови различаются по тому, какой тип антигена мы вырабатываем. Может вырабатываться антиген типа А или В, но если одна хромосома ответственна за тип А, а другая за тип В, то будут вырабатываться оба типа антигена. Перед нами случай кодоминирования на уровне белка, когда наличие одного типа антигена не препятствует наличию другого. Четвертый тип — когда антигены вообще не вырабатываются. Какое практическое значение это имеет для нас? Это были первые генетические исследования, проведенные во время первой мировой войны в австрийской армии, так как во время войны всегда была острая необходимость переливания крови, которое не всегда оказывалось удачным, то есть человек от переливания крови иногда умирал.

Каждый индивид несет только два аллеля из трех по данному локусу: группы крови АВО человека

Переливать кровь наиболее безопасно между людьми, у которых одинаковая группа крови. Антигены групп крови у них одинаковые, антител против них нет и агглютинация (слипание клеток крови) не произойдет.

Если донором (то есть сдающим кровь) является человек, у которого ни одного из антигенов нет (группа крови 0), то его кровь можно переливать кому угодно — она не будет вызывать агглютинации у реципиентов (тех, кому кровь переливают) с любым типом крови. Таким образом, люди с типом крови 0 являются универсальными донорами. И наоборот, в крови людей с группой АВ не содержатся антитела ни на один из этих антигенов (ни на А, ни на В) и эти люди счастливы быть универсальными реципиентами — переливать кровь им можно от людей своей и всех остальных групп крови. То есть человек с группой крови АВ может принять кровь с любым типом. Самый плохой случай для реципиента — нулевая группа крови, которая будет реагировать с группами крови А, В и АВ.

Два разных гена могут находиться в разных локусах и влиять на один и тот же признак. Например, у дрозофилы могут быть разный цвет глаз, от коричневого (рецессивная гомозигота по одному гену), через разные оттенки красного к белому (рецессивная гомозигота по другому гену). Красные глаза имеет муха дикого типа (например, гомозигота по всем аллелям дикого типа), а также гетерозигота по двум генам, каждый из которых нужен для пигментации глаза (см. рис. слева). Взаимодействие двух генов в таком случае называют комплементарностью (дополнительностью). При скрещивании дигетерозигот дает расщепление по фенотипу в отношении 9:3:3:1. Из четырех фенотипических классов по окраске глаза самый многочисленный — 9, это окраска дикого типа, а самый малочисленный — 1, отсутствие окраски из за дефекта обоих генов, определяющих образование разных пигментов.

Такая же ситуация у человека с окраской волос, у нас есть разные типы меланина: эуификомеланин, которые в разном сочетании дают разные оттенки, например рыжий.

Справа на рисунке приведен тот же пример, только на растениях. Гены в различных локусах могут давать вклад в развитие одной и той же фенотипической характеристики: у перца 2 разных гена нужны для образования двух разных пигментов, что приводит к расщеплению по типу дигибридного скрещивания. Это используется при получении определенного цвета перца. Чтобы получит потомство с нужным цветом плода необходимо знать генотипы родителей и правильно их подбирать для скрещивания.

На животных это применяется на пушных зверьках в звероводческих фермах. За счет определенного подбора аллелей десятков известных генов, определяющих окраску шерсти, можно получить большое разнообразие окрасок шкур пушных зверьков, причем заранее планировать сколько и каких типов окраски получится.

Если два разных гена взаимодействуют при формировании признака и их действие складывается, то такое действие генов называют кумулятивным (накапливающимся). Например, степень красной окраски зерна пшеницы определяется двумя разными генами, в каждом из которых есть неполностью доминантный аллель А.

У перца 2 разных гена нужны для образования двух разных пигментов, что привода к расщеплению по типу дигибридного скрещивания

Таким образом, наблюдается много вариантов численных соотношений классов в потомстве дигибридного скрещивания в зависимости от типа взаимодействия генов. Если взаимодействия нет, то отношение будет 9:3:3:1. Может быть так, что появление в генотипе рецессивного гена а ведет к тому, что ген В в фенотипе не проявляется. Тогда соотношение будет 9:3:4. То же, но с доминантным геном — будет 12:3:1. И т. д. То есть это показывает, что Мендель был прав только в достаточно частном случае, когда гены не влияют друг на друга, но может быть еще много других вариантов.

Варианты соотношений классов в потомстве дигибридного скрещивания в зависимости от типа взаимодействия генов

Породы собак: для того, чтобы получить какие-то определенные зафиксированные признаки породы, проводили близкородственное скрещивание, пока эти признаки не закреплялись в гомозиготном состоянии, и далее при скрещивании собак одной породы расщепление по этому признаку больше не может происходить — признак становится стабильным, типичным для породы.

Окраска и другие признаки собак определяются взаимодействием многих генов в большом числе локусов

Каждая порода собак обладает своими признаками, и эти признаки стабильны впоколениях, поскольку каждую породу характеризует свой набор гомозиготных локусов, определяющих эти признаки. У каждой породы собак как свой набор гомозиготных локусов (у других пород они могут быть и гетерозиготны). Однако у одних пород данный локус гомозиготен по одним аллелям, а других тот же локус может быть гомозиготен по другим аллелям, что и определяет стабильные различия между породами (например, по окрасу). Ясно, что у каждой породы какие-то локусы остаются гетерозиготными, и собаки одной породы по этим признакам будут различаться, но это те признаки, которые данную породу не определяют.

Если скрестить собак разных пород, то получится дворняжка. У нее по большинству генов гетерозиготное состояние, соответствующее предковым формам. Дарвин в свое время подметил, что если скрещивать разные породы голубей, получается все время сизарь. Это происходит из-за утраты у гибрида гомозиготности характерной для каждой из родительских пород. А в гетерозиготных локусах один из аллелей, как правило, оказывается дикого типа, поэтому и выглядят гибриды сизарями — это дикий тип для всех пород голубей.

По генам окраски меха у норки в настоящее время установлено около 20 серий множественных аллелей. При скрещивании гетерозиготных норок между собой во втором поколении будет расщепление, типичное для дигибридного скрещивания в соотношении 9:3:3:1, или 56 % норок с дикой окраской меха, 19 % — алеутских, 19 % — платиновых и 6 % с сапфировой окраской меха. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов: если у какого-то вида есть какой-то набор вариантов признаков, и мы рассматриваем близкородственный вид, то у него тоже может быть выявлен тот же набор признаков. Этот закон основан на том, что у близко-родственных видов и набор аллелей в ДНК может быть сходен.

Комбинации генов, определяющие окраску шерстяного покрова у норок

Гены могут находиться не только в ядре. Гены могут наследоваться однородительски, например, по материнской линии: окраска листа определяется генами хлоропластов, а не ядра, и наследуется только от матери. То есть, какая бы ни была мужская особь, потомство будет все однотипно — все в мать и только в нее.

У человека тоже есть признаки, которые определяются митохондриями, то есть наследуются по материнской линии. Митохондрии находятся в цитоплазме клетки, которая достается потомкам только от матери. К мутациям и болезням, связанным с митохондриями относятся, например, дефекты зрения и дефекты энергетического обмена.

Часть ядерных генов также наследуется только однородительски. Это гены Y-хромосомы, которая наследуется только от отца к сыну. Те гены в Y-хромосоме, которые не имеют пары в Х-хромосоме, наследуются однородительски — от отца к сыну. У человека один из таких генов определяет признак «волосатые уши» — у женщин такой признак не проявляется — гена этого нет, нет и его аллеля, из-за которого уши волосатые.

Проявление признака может зависеть также от пола индивида. Существуют признаки, гены которых могут находиться в аутосомах или половых хромосомах обоих полов, но проявляются лишь у одного из них. Такие признаки называют ограниченными полом. Например, быки несут гены, определяющие молочность дочерей, но гены свое действие у быков не проявляют. Гены казеинов — белков молока — это случай наиболее строгого контроля транскрипции ограниченной полом. Они действуют у особей как женского, так и мужского пола. Разница уровней экспрессии между ними составляет 1 на 100 000. Петухи также несут гены яйценоскости и размера яиц дочерей, хотя у петухов действие этих генов подавлено. Когда проводится селекция, учитывается этот факт. Здесь существенен генетический контроль признаков.

Как проявление действия гена, так и тип доминирования может зависеть от пола. Плешивость у человека наследуется аутосомно и моногенно. Аллель плешивости у мужчин доминирует, а у женщин рецессивен. У мужчин для облысения достаточно присутствия одного аллеля плешивости. При этом частота аллеля равна частоте встречаемости фенотипа. У женщин для облысения необходимо присутствие обоих аллелей плешивости.

Ответьте на несколько занятных вопросов.

Сколько женщин будут лысыми, если у мужчин лысый каждый десятый?

Ответ. Частота фенотипа плешивости у женщин равна квадрату частоты аллеля, следовательно, одна из ста.

Может ли у неплешивых родителей быть плешивая дочь?

Ответ. Нет: так как отец неплешивый, значит у него нет такого аллеля (у мужчины аллель плешивости доминантный и должен был проявиться) — оба аллеля определяют нормальную обволосненность. Значит, дочь обязательно получит аллель волосатости от отца, а этот аллель у женщин (в отличие от мужчин) доминантен. Плешивой она не будет независимо от того, какой аллель придет от матери.

Может ли у неплешивых родителей быть плешивый сын?

Ответ. Да: если у мамы есть аллель плешивости он рецессивен и не проявится, он может передаться сыну у которого этот аллель проявится как доминантный.

Если у неплешивых родителей один сын плешивый, какова вероятность того, что другой тоже будет неплешивый?

Ответ: 50 %. Аллель плешивости не у отца — иначе бы у него этот аллель проявился как доминантный. Значит аллель плешивости у матери. Раз она волосатая, то второй аллель у нее — нормальная обволосненность, а аллель плешивости не проявляется, так как у женщин он рецессивен. Следовательно, мать — гетерозигота — 1 аллель и нее — плешивость, 1 — норма. Поэтому расщепление по этому признаку у ее сыновей будет 1:1 (50 % плешивых)

Так генетика решает практически важные для нас задачи.

Экспрессия некоторых генотипов может зависеть от внешних условий. Ниже показаны два кролика, один из которых с темными пятнами. Аллель гималайской окраски у кролика температурочувствителен. При повышенной температуре белок не функционален и необходимый пигмент не образуется, а при нормальной температуре получается кролик, у которого некоторые участки шкуры окрашены.

Проявление аллеля himalayan в зависимости от температуры

Мутанты, проявление которых зависит от условий среды, сыграли очень важную роль в биологии вообще и в молекулярной биологии в частности, в понимании того, как работает генетический материал. Многие генетические феномены, были открыты и исследованы после получения и использования условно летальных мутантов (условно смертельные). Наиболее распространенные мутанты такого типа — температурочувствительные. Получены мутанты многих микроорганизмов и вирусов, которые не способны жить при повышенной температуре (ts-мутанты). У такого мутанта структура белка при повышенной температуре изменена, и белок не функционален (леталь), а при нормальной температуре структура обычная, и белок функционален. При этом, возможно исследовать особенности функционирования белка и его роли в формировании какой-либо структуры или сложной функции. Для этого клетки растят до нужной стадии, в условиях, когда белок функционален, затем разделяют клетки (обычно суспензию) на две части, в одной температура остается нормальной, а в другой — поднимается, так что белок теряет функциональность.

Есть также другой тип условно летальных мутаций — нонсенс-мутации, летальные на одном генетическом фоне и нелетальные на другом. Нонсенс-мутация приводит к изменению кодона для какой-либо аминокислоты в данном белке на стоп-кодон трансляции. Белок при этом образуется укороченный и нефункциональный. Нонсенс-мутация подавляется (супрессируется), в тех клетках, где образуется супрессорная тРНК. Супрессорная тРНК, это измененная тРНК, у которой антикодон по-прежнему узнает стоп-кодон в матричной РНК, но вместо терминации (окончания) трансляции белка на этом участке происходит подстановка определенного аминокислотного остатка. Белок с нонсенс-мутацией синтезируется полноразмерным и функциональным в присутствии тРНК.

При создании модели наследования признака для выяснения его генетического контроля начинают с проверки типа наследования по базовой, простейшей схеме — менделевской и, если соответствия нет, то добавляют к этой схеме дополнительные условия, понятные на сегодня:

• неравную вероятность образования и сочетания гамет и выживания потомства;

• однородительский тип наследования (Y — волосатые уши, мтДНК — болезнь Лебера)

• взаимодействие аллелей: наличие доминирования;

• взаимодействие генов;

• сцепление генов;

• ограничения признака полом;

• вероятность проявления признака при данном генотипе;

• влияние среды (не всегда формализуемое).

Напомним, что менделевский характер наследования относится к признакам качественным. Сколько менделирующих признаков известно у человека? Они зафиксированы в базе данных OMIM («Менделевское наследование у человека»). Их там перечислено около пяти тысяч признаков. А мы у себя можем насчитать гораздо больше признаков. Огромное количество остальных наших признаков зависит от действия многих генов. Здесь следует отметить важный идеологический аспект. Общей модели, по которой происходит формирование признаков под воздействием многих генов, сейчас нет. Наверное, ее и быть не может. Чтобы понять, как данный фенотип возникает на фоне данного генотипа, нам нужно еще узнать, как конкретно реализуется каждый этап передачи генетической информации: что происходит с модификацией ДНК, с какой из многих возможных вариантов РНК образуется с данного участка генетической информации, как модифицируется белок, образуемый с этой мРНК. В ДНК заложена лишь возможность всех этих вариантов реализации генетической информации. Произойдет ли это или нет, зависит от среды. Понятие среды мы пока толком формализовать не можем. Но если, подобно структуре ДНК, мы их будем знать структуру и модификацию РНК и белков, то понимание связи генотипа с фенотипом будет гораздо более глубоким, а предсказательная сила наших знаний будет больше. Как бы там ни было, одного знания генотипа часто недостаточно для предсказания фенотипа. Поэтому мы должны изучать следующие этапы экспрессии генетической информации.

В заключительной части лекции речь пойдет об определении пола и признаках, сцепленных с полом. Ниже показано, как выглядят половые хромосомы человека. Х-хромосома по длине ДНК больше чем Y-хромосома приблизительно в три раза.

А так выглядят клетки, транспортирующие эти хромосомы. Маленькая образована организмом генотипа XY, а большая — генотипа XX. Такое соотношение физических размеров имеют половые клетки.

Так выглядит человек после того, как он уже начал развиваться:

Вид человека на кончике иглы на стадии первых делений после оплодотворения яйцеклетки

Это игла, и на ее конце находится несколько поделившихся клеток, полученных из оплодотворенной яйцеклетки. Такой наш размер на стадии 4-5-ого деления.

Еще раз напомню, что у нас цикл развития двухстадийный. На нижней части рисунка изображена диплоидная стадия, период нашей долгой и счастливой жизни, которая с точки зрения генетического процесса заканчивается мейозом, после которого мы начинаем жить как бы в следующей стадии, гаплоидной. Это гаметы, у нас они не обладают способностью к самостоятельному существованию, хотя у многих растений именно гаплоид является основной частью жизненного цикла. Существование гамет заканчивается оплодотворением и появлением опять диплоидного организма.

X и Y хромосомы сильно отличаются. Они гомологичны только в так называемых псевдоаутосомных зонах, которые присутствуют и в папиных и в маминых хромосомах, как и обычные аутосомы. Спермии могут быть двух типов: X и Y, а яйцеклетки только одного типа — X и X. Поэтому расщепление получается 1:1 (две женщины и два мужчины). Именно расщепление 1:1 по полу на первом этапе исследования признака, сцепленного с полом, — окраски глаз у дрозофилы — привело Моргана к мысли о том, что гены находятся в хромосомах. Пол определяется хромосомами и гены находятся именно в них.

Не у всех организмов, в отличие от человека, пол однозначно определяется при слиянии гамет. Ниже показан моллюск, у которого в нижней части женские клетки, а в верхней части только мужские. У некоторых пресмыкающихся мужской пол не формируется при повышенной температуре (в частности, у крокодилов), образуются только женские организмы.

У дрозофилы всего четыре пары хромосом, три пары хромосом называются аутосомы и одна пара половых хромосом. У самок набор хромосом XX, а у самца XY — как и у человека (у самки на конце брюшка находится яйцеклад, поэтому у нее брюшко заостренное, а у самца оно овальное, — так их отличают).

Хромосомы Drosophila melanogaster (2n=8) состоят из трек пар аутосом (поры II. III, IV) и одной пары поповых хромосом X и Y

У плодовой мушки пол определяется не столько наличием той или иной половой хромосомы, а отношением числа Х-хромосом к числу гаплоидных наборов аутосом (А). Это видно на схеме ниже. Набор ХХ+2А (2 Х-хромосомы и 2 набора аутосом) дает соотношение 1,0 — такое соотношение является нормой для самок. Набор X Y+2A (1 Х-хромосома и 2 набора аутосом) дает соотношение 0,5 — такое соотношение является нормой для мужского пола. Если оказывается, что Y-хромосома утеряна (набор 1Х+2А, соотношение 0,5), то образуется мужской организм, хоть Y-хромосомы и нет. А если на фоне двух Х-хромосом добавилась Y-хромосома (набор 2Х+2А), пол формируется женский, хоть Y-хромосома и присутствует. У человека, сколько бы ни было Х-хромосом, если есть хоть одна Y-хромосома, то фенотип будет мужской.

Таким образом, у человека и мухи, при внешне одинаковой хромосомной формуле нормы (гомогаметный пол, XX, женский; гетерогаметный пол, X Y — мужской), механизм генетического контроля образования пола различен.

У птиц и ряда других групп организмов гомогаметный пол (XX) — мужской, а гетерогамтный пол (XY) — женский, что противоположно тому типу хромосомного определения пола, который оказался зафиксирован эволюцией в линии человека и других млекопитающих.

На следующем слайде показано месторасположение SPY-гена, отвечающего за формирование признаков мужского пола. Уже говорилось, что если в геном мыши, которая должна развиться самкой, пересадить SPY-ген, то у такого организма разовьется мужской фенотип. Человек почти не отличается от мыши в этом плане. У человека известны случаи, когда индивид кариотипически (то есть по типу хромосом в ядре) соответствовал женщине (в частности с двумя XX хромосомами и без наблюдаемой Y-хромосомы), но проявлял фенотип мужчины. В таких индивидов была обнаружена хромосомная перестройка — ген SPY был транслоцирован (перемещен) на одну из аутосом.

Ген SRY контролирует развитие по мужскому типу

На внизу на рисунке представлен случай отклонения по составу половых хромосом — синдром Тернера: индивид генотипа ХО (Y-хромосомы нет, а Х-хромосома одна). Фенотип индивида — женский. Отклонений в поведении нет, хотя при большем дисбалансе в генотипе наблюдаются проблемы в умственном развитии.

Другой случай отклонения по составу половых хромосом — это синдром Клайнфельтера: генотип XXY, фенотип мужской. Хотя две Х-хромосомы присутствуют, как в норме у женщин. То есть для определения пола у человека важно, чтобы присутствовала Y-хромосома

Напомним, что гены, локализованные в Y-хромосоме и не имеющие пары в X-хромосоме, наследуются только от отца к сыну. У человека аллель одного из таких генов определяет признак «волосатые уши». Через мать к ребенку могут передаваться гены, находящиеся в митохондриях, но т. к. генов в митохондриях на три порядка меньше чем в ядре, то и отклонений, передающихся только материнской линии лишь тысячная часть от всех известных для человека.

Избыток или недостаток какой-то хромосомы в геноме приводит к очень серьезным нарушениям у человека. Для примера можно привести трисомию по 21-ой хромосоме — синдром Дауна. Причина заболеваний при утрате или избытке любой хромосомы — дисбаланс в количестве продуктов генов этой хромосомы относительно количества продуктов генов других хромосом (все — по две). Дисбаланс по всем крупным хромосомам человека вообще не совместим с жизнью.

X хромосома одна из крупных хромосом человека. У женщин таких хромосом две, а у мужчин — одна. Но оба пола живы и здоровы — хоть на себя погляди. Почему разница в числе копий Х-хромосомы не смертельна, в отличие от ситуации с другими хромосомами?

Чтобы сбалансировать действие генов X хромосомы у мужчин (где Х-хромосома одна) и у женщин (где Х-хромосомы две) природа предусмотрела инактивацию одной из Х-хромосом в каждой клетке женского организма. У женщин одна X-хромосома инактивирована, то есть гены в ней не работают, а работают только в другой хромосоме — не инактивированной. Инактивиация вызвана компактизацией хромосомы даже в интерфазе. Поэтому компактизированная хромосома видна при окрашивании — в виде так называемого тельца Барра (слайд). Это один из диагностических признаков женского пола у млекопитающих, что у человека, что у слона. Некомпактизованная Х-хромосома, как и все аутосомы, не окрашивается и не видна в интерфазе.

На следующем рисунке показана кошка черепаховой окраски. Поскольку это кошка, а не кот, то генотип у нее XX. В каждой клетке женского организма одна из Х-хромосом инактивирована (ее видно как тельце Барра). На Х-хромосоме у кошки находится один из генов, определяющих окраску шерсти. У этого гена известны разные аллели, то есть определяющие разный цвет шерсти. Кошка на рисунке гетерозиготна по этим аллелям. Одна из Х-хромосом в каждой клетке инактивирована, поэтому только один из двух цветов может проявится в волоске, сформированном из данной клетки. Поэтому одни волоски одного цвета, а другие — другого. Какая из Х-хромосом инактивируется (папина или мамина), и, стало быть, аллель какого цвета будет работать — дело случая. Поэтому такая кошка и имеет черепаховую окраску. Кстати, сыновья у нее будут двух разных цветов в соотношении 1:1.

Черепаховая окраска у кошки определяется геном, находящимся на Х-хромосоме

В представленном на рисунке случае муха была гетерозиготна по гену окраски глаза и по гену, влияющему на форму крыла. Эти гены расположены в Х-хромосоме. Поэтому правый глаз мухи неокрашен: проявилась рецессивная мутация white, присутствующая в одной из Х-хромосом. Крыло изменено по форме. Левый глаз окрашен и крыло нормальной формы, поскольку в нем остались обе Х-хромосомы, в одной из которых присутствует рецессивный ген white, а в другой — доминантный ген w+.

Латеральный гнмандроморф у мухи (вверху — схема образования)

_{М.Е.Лобашев. Генетика. Л… 1967. стр. 205}

Еще одно доказательство того, что гены находятся в хромосомах, было получено на мухах дрозофилах, называемых латеральными (боковыми, «сторонними») гинандроморфами. У таких мух после первого деления яйцеклетки в одной из клеток была утрачена Х-хромосома. Эта клетка при последующих делениях дала клетки с генотипом ХО, поэтому половина тела таких мух сформирована как у самца и во ее всех клетках (на рисунке — правая половина) цитологически наблюдается утрата одной из Х-хромосом. Левая половина тела, происходящая из клеток с нормальным генотипом XX, формируется как самка.

Сцепление и рекомбинация. мутации: роль в эволюции и индивидуальном развитии

Лекция № 18

Ранее было рассказано о передаче признаков, кодирующихся одним геном, и про передачу признаков, кодирующихся разными генами с разных хромосом. В первом случае было соотношение 3:1 в потомках (или, если скрещивать на рецессив — 1:1), а во втором — 9:3:3:1, из них два класса фенотипических родительских, а два новых. Если же гены находятся на одной хромосоме, но все-таки достаточно далеко друг от друга, то возникает явление рекомбинации, то есть новой комбинации генетических признаков, но не свободное — не 9:3:3:1. В деталях это означает следующее. Если два разных гена находятся в одной хромосоме рядом, то определяемые ими признаки наследуются так, как если бы они определялись одним геном; новые комбинации признаков в потомстве не появляются. Например, при скрещивании растения, гетерозиготного по обоим локусам (MmDd, высокое и листья нормальные) с рецессивной гомозиготой (mmdd, низкое и листья крапчатые), должны наблюдаться те же два фенотипических родительских класса в соотношении 1:1 (первое растение образует гаметы MD и md, а второе — только md, поэтому другие классы образоваться не могут). То есть, хотя гены и разные, наследуется все по Менделю.

7.5а. Если два разных гена находятся в одной хромосоме рядом , то определяемые ими признаки наследуются так, как если бы они определялись одним геном — новые комбинации признаков в потомстве не появляются.

Например при скрещивании растения, гетерозиготного по обоим локусам (MmDd, высокое и листья нормальные) с рецессивной гомозиготой (mmdd, низкое и листья крупчатые), должны наблюдаться те же два фенотипических класса в соотношении 1:1 (родительские)

Если два разных гена находятся в разных хромосомах, то определяемые ими признаки наследуются независимо, новые комбинации признаков в потомстве появляются. При не сцепленном наследовании признаков (высота растения и тип листа) в анализирующем скрещивании растения, гетерозиготного по обоим локусам, должны наблюдаться четыре фенотипических класса в соотношении 1:1:1:1 — оба родительских класса (высокий с нормальными листьями и карлик с крапчатыми листьями) и два новых — рекомбинантных класса (высокий с крапчатыми листьями и карлик с нормальными листьями). Это происходит, потому что первое растение образует четыре типа гамет (Md, MD, mD, md), а второе — по-прежнему один тип гамет md. В данном случае — это независимое менделевское расщепление, потому что гены находятся в разных хромосомах.

7.5б. Если два разных гена находятся в разных хромосомах, то определяемые ими признаки наследуются независимо, новые комбинации признаков в потомстве появляются.

При не сцепленном наследовали признаков (высота растения и тип листа) в анализирующем скрещивании растения, гетерозиготного по обоим локусам, должны наблюдаться четыре фенотипических класса в соотношении 1:1:1:1: оба родительских класса (высокий с нормальными листьями и карлик с крапчатыми листьями) и два новых — рекомбинантных класса (высокий с крапчатыми листьями и карлик с нормальными листьями)

Говоря о рекомбинации, мы имели в виду появление новых, отличных от родительских, комбинаций аллелей. Но они могут находиться не только на разных хромосомах, но и на одной хромосоме.

Рекомбинация — это появление новых, отличных от родительских комбинаций аллелей, находящихся на одной хромосоме

В профазе 1 мейоза папина и мамина хромосомы объединяются друг с другом (конъюгация), и может происходить их кроссинговер (по-русски кроссинговер — перекрест). То есть, когда они потом расходятся, оказывается, что они поменялись своими кусочками. Гомологичные хромосомы, у которых произошел обмен кусочками, называются рекомбинантными. Две из четырех гамет, образовавшихся в мейозе 2, - рекомбинантные (две другие — родительского типа).

Если перекреста не происходит, то все гаметы — родительского типа. В результате одиночного перекреста половина гамет — рекомбинантная, половина — нерекомбинантная, однако рекомбинация происходит лишь в части клеток, доля которых зависит от расстояния между локусами (чем дальше они друг от друга, тем больше доля кроссоверных гамет).

7.6а. Без кроссинговера все гаметы родительского типа

7.6б. В результате одиночного кроссинговера половина гамет рекомбинантная, половина — нерекомбинантная, однако рекомбинация происходит лишь в части клеток, доля которых зависит от расстояния между локусами.

Рекомбинация происходит после последнего удвоения хромосом в мейозе. Такой вывод можно сделать из того, что наряду с рекомбинантными продуктами одного мейоза (свидетельствующими, что рекомбинация прошла) есть и нерекомбинантные продукты того же мейоза. А если бы рекомбинация проходила до репликации, то все хромосомы в данной мейозе были бы рекомбинантными.

В результате кроссинтовера появляются и рекомбинантные и НЕрекомбинантные гаметы. Это значит, что кроссинговер происходит после синтеза ДНК

В мейозе 1 кроссинговер между данной парой локусов происходит в части клеток, доля которых зависит от расстояния между локусами. В клетках, где кроссинговер произошел. 50 % гамет не рекомбинантные (родительские классы, 1:1), а 50 % — два рекомбинантных класса (1:1)

Гены, отвечающие за высоту куста и за тип листьев, находятся в одной хромосоме, но не совсем рядом. В клетке могут произойти два события. Кроссинговер может не произойти, тогда все гаметы будут родительского типа, но может и произойти в части клеток. Тогда половина гамет будет не кроссоверная, а половина — кроссоверная. Соотношение между такими гаметами — 1:1, а между клетками, где кроссинговер произошел и где не произошел, зависит от расстояния между локусами. Поэтому число рекомбинантов не превосходит 50 %. Возможные потомки показаны на рисунке выше.

Потомков высоких с нормальными листьями получилось 55, низких с крапчатыми листьями — 53, низких с нормальными листьями — 8, высоких с крапчатыми листьями — 7. Наблюдаемая частота рекомбинации численно равна проценту рекомбинантного потомства, образуемого в скрещивании. Общее число рекомбинантных потомков составило 15, общее число всех потомков — 123. Таким образом, частота рекомбинации равна 15/123 * 100 %=12 %.

Расчет частоты рекомбинации

Наблюдаемая частота рекомбинации численно равна проценту рекомбинантного потомства, образуемого в скрещивании.

В потомстве скрещивания на рис. 7.7 обнаружены растения четырех фенотипических классов:

1) 55 — высокое, листья нормальные (как родитель 1);

2) 53 — низкое, листья крапчатые (как родитель 2);

3) 8 — низкое, лисья нормальные (рекомбинант 1);

4) 7 — высокое, листья крапчатые (рекомбинант 2)

Общее число рекомбинантных потомков составило 15, общее число всех потомков составило 123

Наблюдаемая частота рекомбинации = число рекомбинантных потомков/общее число потомков х 100%

(8 + 7)/(55 + 53 + 8 + 7) х 100 % = 15/123 х 100 % = 12 %

В интервале 12 % рекомбинация произошла. Это событие пропорционально расстоянию между участками. Если оно наблюдается с частотой 12 %, то оно могло произойти с два раза с частотой 0.12*0.12*100 % = 1.44 %. Потомство от двух перекрестов между парой маркеров выглядит как НЕ рекомбинантное. Двойная (и любая четная) рекомбинация снижает проявление каждой из одиночных рекомбинаций. Детектируются только нечетные перекресты между парой маркеров, четные не детектируются.

7.11. Потомство от двух кроссинговеров между парой маркеров выглядит как НЕ рекомбинантное.

Двойная рекомбинация снижает проявление каждой из одиночных рекомбинаций.

Детектируются только нечетные перекресты между парой маркеров, четные не детектируются.

Наблюдаемая доля рекомбинантов отражает итог совокупности независимых рекомбинационных событий меду парой маркеров — одиночных, двойных, тройных и т. д. рекомбинаций.

Расчетное генетическое расстояние между парой маркеров примерно равно наблюдаемой частоте рекомбинаций плюс квадрат этой частоты минус куб и т. д.

Если наблюдаемая доля рекомбинантов (наблюдаемая частота рекомбинаций) = 12 %, то расчетное генетическое расстояние = 0,12 + 0,12 х 0,12 — 0,12 х 0,12 х 0,12 +… = 0,134 = 13,4 %

Наблюдаемая доля рекомбинантов отражает итог совокупности независимых рекомбинационных событий меду парой маркеров — одиночных, двойных, тройных и т. д. рекомбинаций. Расчетное генетическое расстояние между парой маркеров примерно равно наблюдаемой частоте рекомбинации плюс квадрат этой частоты — остальные члены этого ряда будут малы. Если наблюдаемая доля рекомбинантов (наблюдаемая частота рекомбинации) равна 12 %, то расчетное генетическое расстояние примерно равно 0,12 + 0,12 x 0,12 = 0,134 = 13,4 %. Практически чтобы величина поправки была пренебрежимо мала (меньше 5 % от величины генетического расстояния) значения наблюдаемых частот рекомбинации должны находится в пределах 5 %.

Группы сцепления и хромосомная теория наследственности

На фотографии изображен Томас Гент Морган, который первым обнаружил сцепленное наследование признаков (вначале сцепление с полом, а затем и признаков друг с другом) и генетическую рекомбинацию между ними. Это явилось генетической основой хромосомной теории наследственности, за что ему была присуждена Нобелевская премия.

Томас Гент Морган первым обнаружил сцепленное наследование признаков и генетическую рекомбинацию между ними. Это явилось генетической основой хромосомной теории наследственности, за что ему была присуждена Нобелевская премия.

Гены, расположенные в одной паре гомологичных хромосом наследующиеся единой группой. Морган назвал ее группой сцепления. Совместное наследование генов, ограничивающее свободное их комбинирование, называют сцеплением генов.

Гены в гомологичных хромосомах расположены в одном и том же порядке у всех людей. Но аллели (альтернативные состояния этих генов) могут в различаться в гомологичных хромосомах. Рассмотрим хромосомы вашей мамы. Обозначим аллели генов той хромосомы, которые она получила от вашей бабушки буквами Б, а те аллели той же хромосомы которые получила от дедушки буквами Д. Если рекомбинация не произошла, то у вас, как и у вашей мамы, будет присутствовать хромосома с набором аллелей БББББББ (ну если дедушкина хромосома к вам попала, то набор будет ДДДДДД) Генетическая рекомбинация — это обмен блоками аллелей между гомологичными хромосомами. Если рекомбинация произойдет при образовании той яйцеклетки, из которой вам повезло родиться, то блок аллелей бабушки будет продолжен блоком аллелей дедушки. Например, если рекомбинация произойдет между генами № 4 и № 5, то набор аллелей этой хромосомы будет выглядеть у вас так: ББББДДДД.

Чем больше расстояние между генами, тем выше вероятность рекомбинации между ними. Впервые это предположил и доказал Морган. Т.Морган предположил, что частота кроссинговера показывает относительное расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем далее отстоят гены друг от друга в хромосоме, чем реже кроссинговер, тем они ближе друг к другу.

Морган провел количественное исследование рекомбинации на дрозофилах. Он исследовал сцепленные гены, определяющие цвет тела, цвет глаз и форму крыльев. Все эти гены находятся в Х-хромосоме, то есть у самок две Х-хромосомы, а у самцов — одна.

Самки, гетерозиготные по всем трем генам, были скрещены с самцами, несущими рецессивные аллели этих генов. Так как самки были гетерозиготны, они обладали признаками дикого типа. Самцы, у которых второй Х-хромосомы нет, имели рецессивные признаки — желтый цвет тела (рецессивный аллель у, yellow), белые глаза (рецессивный аллель w, white) и расщепленные крылья (рецессивный аллель bi, bifid),

Если бы все было «по Менделю», то маркеры должны были бы комбинироваться независимо друг от друга. Но Морган к этому времени уже определил, что маркеры эти наследуются практически одним блоком — это явление и было названо генетическим сцеплением. При наследовании единым блоком самки в потомстве должны были получаться двух классов, смотря какую мамину хромосому получит дочь: либо гетерозиготные по всем трем генам, — yY, wW, biBi (если получили от матери доминантные гены), либо гомозиготные по всем трем рецессивным генам — yy, ww, bibi (если получили от матери хромосому с рецессивными генами). Однако иногда гены из одной группы сцепления все же наследуются раздельно, то есть появляются также и самки с другими генотипами. Например, с набором Yy, bibi, то есть получившие от матери сочетание аллеля Y и аллеля b i. Частота изменения комбинации маркеров у (желтый цвет тела) и bi (расщепленные крылья) составила 4,7 %. То есть на 1000 мух таких было 47. Доля рекомбинантов между маркерами у (желтое тело) и w (белые глаза) была равна 1,2 %, а между маркерами w (белые глаза) и bi (расщепленные крылья) — 3,5 %.

Несложно заметить, что 3,5 %+1,2 %=4,7 %. Если считать, что процент рекомбинации отражает расстояние между генами, то это означает, что гены могут быть расположены только линейно и никак иначе.

На тот момент еще не было ничего известно ни про ДНК, ни про химию наследственности — были просто формальные генетические признаки. Но Морган и без этого смог показать, что гены расположены линейно относительно друг друга, что бы ни было носителем генов. Вывод о том, что частота кроссинговера является функцией расстояния между генами и их линейного расположения в хромосомах и принес Моргану Нобелевскую премию.

Параллельно с генетическими исследованиями Моргана шли цитологические исследования. Исследовался митоз, мейоз, и было известно, что в мейозе (профаза

I) пары одинаковых (гомологичных) хромосом объединяются, а затем образуют крестообразные фигуры (хиазмы). Предположили, из чисто цитологических данных, что наблюдаемый под микроскопом перекрест хромосом связан с обменом сегментами между ними. Впоследствии это было подтверждено. Хромосомы маркировали — нашли мух у которых на хромосоме были дополнительные фрагменты (транслокация), видимые под микроскопом. Было видно, что в результате перекреста измененные морфологически хромосомы родителей оказываются у потомства в новых комбинациях.

На рисунке показано, как выглядят хиазмы — крестообразные структуры, образуемые гомологичными хромосомами в мейозе и различимые под микроскопом.

Хромосомы состоят из двух параллельных «линеечек», которые называются хроматидами, каждой из которых соответствует одна молекула ДНК. Под микроскопом было видно, что одна из пар хроматид пересекается, то есть между хромосомами происходит перекрест.

Был проведен следующий эксперимент. Х-хромосома дрозофилы была промаркирована дополнительным кусочком хромосомы, и было подтверждено соответствие генетических и цитологических данных, описывающих рекомбинацию.

Частота видимых под микроскопом перекрестов в данной хромосоме в расчете на 1 клетку в фазе мейоза, где перекрест можно наблюдать, стремится к двукратной частоте генетической рекомбинации между всеми маркерами этой хромосомы, по мере роста числа маркеров. Причина этого ограничения заключается в том, что в перекресте участвует, как правило, лишь одна из двух пар хроматид. Стало понятно, что можно связать количество перекрестов наблюдаемых цитологически (хиазмы) с частотой генетической рекомбинации, что особенно четко было показано на кукурузе в 50-х годах.

Длина генетической карты, выявляемая по анализу результатов генетической рекомбинации, вычисляется как сумма расстояний между наиболее близкими маркерами, Единицей генетической карты является 1 % рекомбинации и эта величина была названа в честь Моргана 1 сантиМорган (1 сМ).

Данные о связи цитологии с генетикой оказались очень важными в последующих генетических исследований, в частности на человеке. Они позволяют вычислить длину генетической карты по цитологическим данным, не прибегая к получению мутантов, чистых генетических линий и даже вообще без направленных скрещиваний — все это невозможно на человеке. У человека расчетная длина генетической карты по цитологическим данным составляет около 3000 сМ. или 3000 % (три тысячи процентов рекомбинации).

Почему длина генетической карты человека равна 3000 % (и почему нет ничего страшного в том, что эта величина превышает 100 %).

Генетическая карта — это последовательность маркеров в хромосоме и расстояния между ними, следующие из частот генетических рекомбинаций. Одна единица карты соответствует 1 % рекомбинации или одному сантиморгану (1 сМ).

Проведем следующую аналогию, чтобы было легче понять, почему длина карты человека равна больше, чем 100 %. Один и тот же термин иногда используется в разных смыслах: 100 градусов — температура кипения воды. 90 градусов — прямой угол. 40 градусов — крепость водки. И обычно эти смыслы никто не путает

То же и с термином процент (pro cent = на сто) который используется в разных смыслах при описании рекомбинации.

1) Генетическое расстояние между двумя маркерами (1 сантиморган, сМ=1 % рекомбинации). Например, наблюдаемый процент рекомбинации в потомстве (12 % рекомбинантов, как описывалось выше), где общее число потомков равно 100 %. Доля рекомбинантов по одной паре маркеров не может превышать 50 % от общего числа потомков (несцепленное наследование);

2) Общая длина генетической карты организма (N сантиморган = N %) Рассчитывается как сумма минимальных экспериментально определенных генетических расстояний между парами маркеров, и для каждого вида своя.

Количество последовательно расположенных пар маркеров, каждый из которых равен, например, 12 %, может быть и не ограниченным. Восемь таких отрезков составят в сумме 96 %, а восемьдесят отрезков — 960 %. Хотя доля рекомбинантов между любыми двумя из этих 81 маркеров, конечно, не может превышать 50 % от общего числа потомков.

Отметим, в заключение, что длина генетической карты человека определялась по цитологическим данным, которые были доступны уже достаточно давно. В отличие от мухи, установить длину генетической карты человека на основе экспериментов по скрещиванию невозможно.

Поиск или диагностика мутации, вызывающей заболевание, наследуемое по Менделю, часто проводится по сонаследованию признака «болезнь» и маркера-свидетеля, расположенного рядом с мутантным геном. Маркер-свидетель — это такой маркер, который легко обнаружить при анализе. Источник ошибки диагностики — утрата связи при рекомбинации между мутацией, вызывающей заболевание и маркером-свидетелем. Точность диагностики тем выше, чем меньше это расстояние.

Вопрос. Сколько генетических маркеров нужно иметь в геноме человека, чтобы обеспечить >95 % точность диагностики для любого гена, если длина генома человека — 3000 %.

Точность не менее 95 % означает, что не более генетическое расстояние между мутацией вызывающей заболевание и маркером составляет не более 5 % рекомбинации. Следовательно до ближнего к маркеру левого и до ближнего правого маркера должно быть не более 5 %, то есть расстояние между маркерами не более 5 % х 2 = 10 % рекомбинации. В 10 %-х интервалов в карте длиной 3000 % будет 3000/10=300. То есть 300 равноудаленных маркеров будет достаточно, чтобы картировать или выявить мутацию с точностью >95 %, даже ничего не зная о том, где находится исследуемый ген. Ясно, что когда это только начали делать, примерно 10 лет назад, маркеры ложились случайно, поэтому генетическую карту пришлось составить из нескольких тысяч маркеров, чтобы большинство интервалов между маркерами не превышало 10 %. Сегодня в практической работе по общегеномному скринингу у человека используют панельиз 384 равноудаленных маркеров.

Молекулярный механизм гомологичной рекомбинации, предложен Холидеем.

Рассмотрим две гомологичные хромосомы: папину и мамину. В них, как предполагается, происходит однонитевой идентичный в обеих хромосомах разрыв, после которого эти части, перекрещиваясь, образуют так называемую структуру Холидея (который данную схему рекомбинации первым предложил). Далее происходит перенос точки надреза вдоль хромосомы, в результате чего части гомологичных хромосом меняются местами. В результате получаются хромосомы, составленные из кусков папиных и маминых хромосом. Механизм гомологичной рекомбинации — однонитевой разрыв в каждой из двунитевых молекул ДНК, вытеснение и замещение нити, миграция разрыва и разрешение единичной структуры Холидея.

Гомологичная рекомбинация, механизм: однонитевой разрыв в каждой из двунитевых молекул ДНК, вытеснение и замещение нити, миграция разрыва и разрешение единичной структуры Холидея

Геномные, хромосомные и генные мутации

Теперь поговорим о мутациях: геномных, хромосомных и генных.

Пример геномной мутации — удвоение всего числа хромосом в геноме (автополиплоидия), она может возникать из-за нерасхождения хромосом в митозе или мейозе.

9.27. Удвоение всего числа хромосом в геноме (автополиплоидия) может возникать из-за нерасхождения хромосом в митозе или мейозе.

Какое это имеет отношение к нам? У прямых предков человека как вида полиплоидия (чаще всего удвоение) случалась неоднократно, но последний раз — более 100 миллионов лет назад. У животных и растений она встречается часто, особенно у культурных растений. При отборе человек просто не замечал, что отбирал полиплоиды. Например, культурный картофель — тетраплоид, банан — триплоид, он пригоден к употреблению, так как не образует семян, в отличие от диплоида, который состоит из жестких семян и почти не имеет мякоти.

При скрещивании дикорастущих видов было ресинтезировано несколько видов культурных растений, например, слива (Prunus domestica). Константная и гибридная форма, полностью сходная с домашней сливой получена при скрещивании терна P.spinosa (2n=32) с алычой P.divaricata (2n=16). Это растение имело, как и P.domestica, 2n=48 хромосом. Вероятно, дикая слива в ходе эволюции получилась именно таким путем.

А триплоиды просто так не получишь, у них даже семян не образуется, но они удобны в практических целях человека, например для получения большей урожайности и плодов без семян (у арбузов, бананов и т. д.) У арбуза гаплоидный набор n = 11 хромосом. Скрещивание тетраплоидного (4n=44) и диплоидного (2n = 22) арбуза дало триплоид (3n = 33) — бессемянный, крупноплодный, устойчивый к заболеваниям, в отличие от родительских форм.

Межвидовое скрещивание можно наблюдать у близкородственных животных: осла с лошадью — мул, или у коня с ослицей — лошак, они более выносливы, хоть и бесплодны. Вероятность появления потомства у мулов и лошаков (а это зависит от того, отойдут ли при делении все хромосомы правильно к одному полюсу) равна одной второй в степени n, где n — гаплоидное число хромосом. С такой частотой будут образовываться яйцеклетки и сперматозоиды, соответствующие по хромосомному составу родителям — ослу или лошади. Видно, что вероятность эта очень мала.

Теперь поговорим о хромосомных мутациях. Хромосомные мутации — изменение числа отдельных хромосом в геноме (анеуплоидия) или целостности хромосом (перестройки). Это одна из причин болезней человека. Моносомия (In) или трисомия (3n) хромосомы в оплодотворенной яйцеклетке будут смертельны для плода (кроме половых и мелких хромосом), а в соматических клетках часто приводит к раку.

Каждая из 23 хромосом может быть покрашена в свой цвет (FISH гибридизация, справа). Каждая хромосома прокрашивается в штрих код (G-окрашивание, слева, полоса до 0,1 % от длины генома). Это позволяет увидеть изменение числа и структуры хромосом, в том числе при опухолевых заболеваниях. Опухолевые заболевания почти всегда связаны с перестройками генома. Хромосомы человека пронумерованы в порядке убывания размера от 1 до 22.

Хромосомы человека

Каждая из 23 хромосом м.б. покрашена в свой цвет (FISH гибридизация, справа)

Каждая хромосома прокрашивается в штрих код (D-окрашивание, слева, полоса до 0,1 %)

Это позволяет увидеть изменение числа и структуры хромосом, в том числе при раке.

Хромосомы человека пронумерованы в порядке убывания размера от 1 до 22

Синдром Дауна — трисомия по хромосоме 21

Изменение числа хромосом, как и всякая мутация, связано с физиологическим состоянием организма. С возрастом организм начинает функционировать хуже, это приводит, в частности, к повышению частоты рождения детей с синдромом Дауна. Подавляющая часть случаев синдрома Дауна вызвана нерасхождением пары хромосом 21 в мейозе у матери. Частота рождения детей с синдромом Дауна увеличивается с возрастом матери от 1/2000 в 20 лет до 1/12 в 50 лет. Но есть и семейные случаи — транслокация гена из хр21 на другую хромосому.

На слайде видно, что 21-я хромосома представлена трижды. Две копии вместо одной чаще присутствуют в еще неоплодотворенной яйцеклетке, а не в сперматозоиде. Это было выявлено по анализу микросателлитов, о чем будет рассказано на следующих лекциях. Сейчас до трех месяцев беременности можно провести хромосомный анализ, для этого берут клетки околоплодной жидкости и смотрят, есть ли трисомия по 21-ой хромосоме. Во многих европейских странах после 35 лет анализ беременной женщины на выявление у плода синдрома Дауна обязателен, в связи с повышением частоты рождаемости больных детей при увеличении возраста матери.

Теперь поговорим о хромосомных перестройках. Основные типы хромосомных перестроек:

1. дупликация — удвоение сегмента

2. делеция — утрата сегмента,

3. инверсия — переворот сегмента,

4. транслокация — перенос сегмента на другую хромосому Все они являются причинами многих болезней.

Перестройки хромосом в гаметах часто приводят к болезням человека — нарушениям морфологии, физиологии и поведения, особенно часто встречается дупликация и делеция, как правило, все такие болезни сопровождаются заторможенным умственным развитием, то есть чаще всего какие бы ни были хромосомные перестройки, они затрагивают развитие наших умственных способностей, ну а кроме этого болезни сопровождаются чаще всего недоразвитием каких-либо органов (например, маленькая голова).

Основные типы хромосомных перестроек:

_{1. дупликация — удвоение сегмента}

_{2. делеция — утрата сегмента,}

_{3. инверсия — переворот сегмента,}

_{4. транслокация — перенос сегмента на другую хромосому}

В эволюции геномные и хромосомные мутации чаще фиксируются у растений, реже у животных. Геномные мутации у животных обычно различают таксоны более высоких порядков например отряды (сельдевые и лососевые), а у растений это могут быть и виды (пшеница и другие культурные растения). Анеуплоидия и перестройки хромосом в гаметах обычно приводят к болезням у животных человека — нарушениям морфологии, физиологии, поведения, и резко снижают возможность оставить потомство. Тем не менее, сотни тысяч таких случаев зафиксированы на сегодня эволюцией — это почти любая пара родственных видов, различающиеся по структуре кариотипа (набора хромосом). Ясно, что такие изменения когда-то произошли у индивида и затем закрепились в поколениях.

Например, хромосома № 2 человека образована при транслокации, произошедшей у наших предков после ответвления от ствола всех приматов: у орангутанга, гориллы и даже шимпанзе (5 млн. лет расхождения). У всех этих наших родственников по две независимых хромосомы, которые лишь у человека оказались соединенными. Часто, хотя и не всегда, перестройки приводят к понижению жизнеспособности, но в нашем случае получилось не так, мы получили две разных хромосомы шимпанзе, которые соответствуют хромосоме № 2 человека. Это видно при поперечном окрашивании хромосом, которые выявляют идентичные в геноме фрагменты хромосом. Все люди на Земле имеют общего предка, у которого произошла эта транслокация (меньше 5 млн. лет назад)

Число хромосом у млекопитающих может различаться в десятки раз, хотя размер генома отличается менее чем на 20 %. У человека число пар хромосом 23, а у лошади — 66, у обитающего в Азии оленя-мунтжака — 6 хромосом. Исключение составляет южно-американский грызун, называемый красной вискашевой крысой (латинское название Tympanoctomys barrerae, английское — red viscacha rat), хотя крысе оно весьма отдаленный родственник). У этого животного геном не диплоидный, а тетраплоидный, содержит в два раза больше ДНК, чем у остальных млекопитающих, и 102 хромосомы.

Хромосома № 22 человека образована при трансляции, произошедшей у наших предков после ответвления от ствола всех приматов: у оранга, гориллы и даже шимпанзе (5 млн. лет расхождения) две разных хромосомы соответствуют хромосоме 2 человека. Все люди на Земле имеют общего предка, у которого произошла эта транслокация.

Если до общего предка млекопитающих около 200 миллионов лет и около 60 транслокаций (перестроек разных хромосом), то 1 транслокация сохраняется и дает начало новому виду не реже чем раз в 3 млн. лет. А так как недетектируемых внутрихромосомных перестроек больше на 1–2 порядка, то это означает, что носители таких перестроек выживают гораздо чаще, нежели раз в 3 млн. лет. Последний раз такая перестройка в линии человека произошла не более 5 млн. лет назад.

Геномные и хромосомные мутации могут появляться и в соматических клетках человека и животных. В этом случае они не передаются потомству, но часто связаны с развитием рака. Реципрокная транслокация фрагментов между хромосомами 8 и 14 в лимфоцитах человека приводит к лимфоме Бёркита: к гену иммуноглобинов присоединяется ген онкогена c-MYC, меняя его регуляцию.

Геномные и хромосомное мутации в соматических клетках человека и животных часто связаны с развитием рака

_{Реципрокная транслокация хромосом 8 и 14 в лимфоцитах человека приводит к лимфоме Бёркита: К гену иммуноглобинов присоединяется ген онкогена c-MYC меняя его регуляцию}

Таким образом, перестройки, происходящие в соматических клетках, влияют только на нас, а на следующее поколение не влияют. Те перестройки, которые происходят в клетках зародышевого пути, могут пройти через эволюционное «сито» и остаться в поколениях, Это может привести к репродуктивной изоляции индивидов с перестройками от других индивидов внутри данного вида.

Хотя в клетках зародышевого пути геном остается постоянным, изменение структуры генов и генома может быть нормальной частью жизненного цикла. У некоторых эукариот число хромосом в соматических клетках отличается от числа хромосом в клетках зародышевого пути. У некоторых простейших в определенной фазе развития геном распадается по на несколько тысяч хромосом, предположительно соответствующих отдельным генам. Размер генома вегетативных клеток и клеток зародышевого пути также может различаться. Например, у некоторых круглых червей в соматических клетках (но не в клетках зародышевого пути!) подавляющая часть генома утрачивается (явление называется диминуцией хроматина). У человека перестройки генов иммуноглобулинов в лимфатических клетках — условие образования разных антител. Только при таком условии в организме может образовываться то разнообразие антител, которое может обеспечить необходимую защиту. То есть перестройки генома могут быть управляемыми и необходимыми.

Несколько слов про генные мутации. Генные мутации являются скачкообразными изменениями отдельных локусов хромосом — генов. Мутантные гены сохраняют свойство репродукции при делении ядра клетки, вследствие чего мутационные изменения наследуются. Мутации могут быть прямыми (нуклеотид Т в данной позиции заменен на нуклеотид С) и обратными (мутантный нуклеотид С в данной позиции заменен на нуклеотид Т, характерный для дикого типа). Частота мутирования в обоих направления характерна для каждого локуса. Для разных типов мутаций она варьирует от 10^-6-10^-8 на нуклеотид на генерацию до 3*10^-1. Спонтанный мутационный процесс обусловливается свойством самого гена, системой генотипа, физиологическим состоянием организма и колебанием факторов внешней среды. Каждый локус — ген может мутировать в несколько состояний, образуя серию множественных аллелей. Для примера скажем, что существует ген супрессора опухолей, где обнаружены сотни мутаций, при каждой из которой опухоль может развиться в разных местах.

"Горячие пятна" мутаций внутри гена распределены неравномерно. Они характерны не только для спонтанного мутирования, но и при воздействии определенными химическими агентами.

Например, разберем мутации в гене CFTR, которые вызывают муковисцидоз — заболевание, связанное с дефектом проводимости ионных каналов, проявляется в виде заболеваний легких и др. В этом гене описано уже больше тысячи разных мутаций. На графике представлена частота разных мутаций в разных частях гена, видно, что распределение частоты неравномерно в разных его участках — экзонах. Частота встречаемости в популяции разных мутаций одного гена различается в тысячи раз.

Если смотреть реальное распределение мутаций среди людей, оказывается, что каждая из них присутствует со своей частотой в группе, живущей на данной территории. Например, для России мутация AF508 встречается у 80 % больных. А остальные мутации составляют менее 20 %, некоторые же не встретятся в России вообще.

Обнаружено >1000 различных мутаций в гене CFTR

_{Распределение мутаций вдоль гена неравномерное. Частота встречаемости в популяции разных мутаций одного гена различается в тысячи раз}

На этом слайде показано, как растет частота мутаций с увеличением дозы облучения. Частота мутаций линейно растет с увеличением дозы радиоактивного облучения. «Безопасной» дозы облучения нет (нет порога). Повреждения происходят при любых дозах, так что понятие порога чисто юридическое.

Частота мутаций линейно растет с увеличением дозы радиоактивного облучения

«Безопасной» дозы облучения нет (нет порога)

На рисунке выше показано, что при воздействии мутагенами нет нижнего порога дозы. В данном случае показана ситуация с рецессивными мутациями, аналогичная ситуация и с доминантными. Поскольку все время есть какое-то фоновое мутагенное воздействие, то можно подумать, что число мутаций в поколениях должно все время расти

Действительно, после мутагенного воздействия (Хиросима, Чернобыль, Бхопал, Орандж эйджент) частота мутаций растет. Растет также и процент опухолевых заболеваний, так как повреждается геном соматических клеток. Однако после снятия мутагенного воздействия доля мутантов не увеличивается, а только снижается в поколениях из-за гибели и пониженной жизнеспособности мутантов. Если ребенок родился, значит наиболее существенные для развития гены у него нормальные, ведь в противном случае он бы умер на эмбриональной стадии. Основной летальный эффект мутаций реализуется еще на клеточном уровне, а не на организменном уровне. Клетка запрограммирована не пропускать мутации в следующее поколение. Есть специальный молекулярный механизм отслеживания повреждения в ДНК, еще до того как поврежденный участок понадобится для реализации функции. Если окажется, что ДНК повреждена и не может быть исправлена (репарирована), то в такой клетке станет работать запрограммированная система самоубийства. Вероятно, основная часть мутаций приводит к дефектам функционирования и гибели уже на стадии первых делений оплодотворенной яйцеклетки, меньшая часть проявляется позже и приводит к спонтанному аборту, еще реже — к рождению ребенка с аномалиями.

Хотя эта частота была повышенной после ядерного взрыва, уже через два поколения (сейчас) у жителей с Хиросимы частота наследственных аномалий и опухолевых заболеваний такая же и даже ниже, чем в других городах Японии, так как население этого города оказалось под пристальным вниманием врачей, проводилось больше профилактики и т. д. Что же касается опухолевых заболеваний, то во втором поколении частота заболеваний уже не будет больше, так как это эффект повреждения соматических клеток, не передающееся по наследству, не учитывая некоторые конкретные болезни.

В Чернобыле, после точки максимума, частота аномалий при рождении снизилась в 8 раз за первые 10 лет после радиоактивного выброса. Если произошла доминантная летальная мутация, то она будет устранена уже в следующем поколении. Если же мутация рецессивная, то частота мутации будет все время падать в поколениях (тем быстрее чем более выражен ее вредный эффект) и это будет монотонно убывающей функцией.

Генетика популяций

До этого мы говорили о том, что происходит с индивидом, но с точки зрения эволюции больший интерес представляют изменения внутри популяций. В каждом поколении частота каждого аллеля данного гена и частота каждого генотипа по этому гену сохраняется постоянной. Правда при условии, если отбора нет, если среда не меняется, если подбора пар нет (свободно скрещивающася или панмиктическая популяция), если нет миграции (притока генов извне) и еще много всяких «если». В этом случае и частоты фенотипов постоянны.

Например, мы по внешности распознаем людей с данной территории как один народ, хоть люди и разные. Это происходит потому, что частоты аллелей в данной популяции постоянны в поколениях, а, следовательно, постоянны и частоты генотипов. Ну а среда вокруг все та же — поэтому и частоты фенотипов не меняются. Вот эту совокупность фенотипов мы и воспринимаем либо как общую (один народ), либо как другую (другой народ).

Если мы будем рассматривать коренных жителей достаточно удаленных регионов (несколько тысяч километров) то принять решение, что народы, или даже расы, разные, труда не составит. А вот если посмотреть на такие же группы, разделенные расстоянием в сотни километров, не говоря уж о десятках километров, то возникнут большие затруднения, где же границу провести. Потому что границы-то объективной, генетической, нет. Есть только непрерывный ряд частот огромного количества аллелей, причем со своим направлениями и градиентами изменения в географическом пространстве.

Приведем для наглядности такой пример, иллюстрирующий постоянство частот аллелей в поколениях одной популяции. Для человека известен доминантный ген Т (Taster — дегустатор). Носитель его обладает свойством определять на вкус слабый раствор фенилтиокарбамида как горький. Обладатель рецессивной аллели этого гена в гомозиготном состоянии (tt) тот же раствор определяет как безвкусный. Присутствие такого гена можно тестировать как на уровне генотипа, так и на фенотипическом уровне: «чувствует — не чувствует» горечь. Определено, что частота «дегустаторов» в данном поколении 0,36, а «не дегустаторов» — 0,64. «Не дегустаторы» несут два аллеля tt, следовательно, частота аллеля в популяции равна корню квадратному из этой величины (0,64), то есть частота аллеля t в популяции равна 0,8. В сумме частота двух аллелей равна 1, следовательно, частота аллеля Т равна 1–0,8 = 0,2. Зная частоты аллелей в гаметах (сперматозоидах и яйцеклетках) можно рассчитать частоты генотипов и фенотипов которые получаться в следующем поколении.

Нетрудно видеть, что частоты генотипов и фенотипов по гену Т остались неизменными в следующем поколении.

Что можно ожидать в этом поколении по частотам аллелей в гаметах? Гаметы с аллелем Т будут возникать от гомозиготы ТТ 0,04*2 + от двух гетерозигот Tt "дегустаторов" 0,16*2 = сумма 0.4. Гаметы с аллелем t будут возникать от недегустаторов tt 0,64*2 + от двух гетерозигот Tt 0,16*2 = 1.6. Соотношение частот аллелей в гаметах 0,4:1,6= 0,2:0.8, то есть такое же, как и в предыдущем поколении.

Отсюда следует, что в указанной популяции в поколениях поддерживается одинаковое соотношение частот аллелей (0,2T:0,8t), и фенотипов (64 % "недегустаторов" и 36 % "дегустаторов").

Неизменность генетического состава свободно скрещивающейся (панмиктической) неограниченной по численности популяции, существующей в отсутствии отбора, называется правилом (законом) Харди-Вайнберга.

Поскольку свободное скрещивание означает случайное объединение гамет, несущих аллель Т или t, то при частоте р аллеля Т и частоте q аллеля t (заметим, что при наличии только двух аллелей, подобно рассмотренному выше случаю, p+q=l) распределение генотипов TT, Tt и tt неизменно и соответствует уравнению

р² TT + 2pq Tt + q² tt = 1

Если в популяции соблюдается указанное соотношение между частотами аллелей и генотипов, то она называется равновесной по данному гену. Для каких-то генов это равновесие между частотами аллелей и генотипов может не соблюдаться. Отклонение от равновесного распределения частот генотипов может наблюдаться по статистическим причинам в выборках малого размера, в популяциях с отсутствием панмиксии и по другим причинам. Одной из причин неравновесия частот аллелей и генотипов считается отбор. Степень отклонения от равновесия указывает на интенсивность отбора.

На прошлой лекции было рассказано о летальной рецессивной мутации у мышей. Если скрещиваются две желтых мыши, гетерозиготных по гену окраски (несут доминантный в определении цвета аллель Yellow, обознчаемый буквой Y, и рецессивный аллель белой окраски у), то появляются мыши желтые и белые. Они находятся в соотношении 2:1, а класса YY нет. Оказывается, что эмбрионы с генотипом YY есть, но они гибнут до рождения (в отношении летального эффекта аллель Y рецессивен). При этом, естественно, равновесие Харди-Вайнберга среди родившихся мышей не будет соблюдаться.

Отмечу, что для генов, которые просто оказались рядом с геном Y в хромосоме, равновесие Харди-Вайнберга тоже не будет соблюдаться. При исследовании этих генов может показаться, что сами они находятся под действием отбора, хотя они просто оказались сцеплены с тем геном, по которому жестко происходит отбор. Это явление приходится достаточно часто разбирать в генетике — какое изменение в хромосоме является причинным для наблюдаемого признака, а какое просто сцеплено с наблюдаемым признаком.

Для подавляющего большинства исследованных у человека аллелей соблюдается равновесие Харди-Вайнберга — соотношение между частотами аллелей и частотами генотипов. То есть большинство генов адаптивно нейтральны в данных условиях.

Когда мы говорим о частоте встречаемости конкретного аллеля, надо учитывать, что эта величина, которая характерна для данного места и времени. Говорить о частоте гена для человечества вообще бессмысленно. Частоты могут быть своими для каждой территории и каждой популяции, и могут различаться в десятки раз. Об этом будет рассказано в лекции 21. Частота аллеля на данной территории может меняться в результате резких изменений численности популяции, отбора или миграций. Последняя причина — наиболее частая.

Естественный и искусственный отбор

В Спарте, как известно, детей с отклонениями бросали в пропасть, чтобы население в следующих поколениях стало лучше. Но эти меры по элиминации индивидов с фенотипическими отклонениями от нормы не только аморальны, но и генетически бессмысленны. Относительная частота гетерозигот в поколениях сокращается значительно медленнее, чем частота рецессивных гомозигот. Полное устранение из популяции рецессивных гомозигот в каждом поколении не приводит к их окончательному исчезновению даже в сотом поколении, так как гетерозиготные особи являются постоянными поставщиками рецессивных гомозигот.

Иогансен в 1903 году исследовал, как будут наследоваться вариации, которые наблюдаются, в генетически однородной группе индивидов. Он взял самое маленькое и самое большое растение из самоопыляющихся бобов, получал от таких «крайних» потомство в шести поколениях, и посмотрел, что будет в шестом поколении. Оказалось, что потомство от самых мелких не отличается от потомства самых крупных ни по средней величине признака, ни по ее дисперсии.

Самоопыляющиеся растения по природе своей генетически однородны — это набор чистых линий. Изменчивость по размеру, которая проявлялась в чистых линиях, не является наследственной. Она называется модификационной изменчивостью, зависящей только от условий среды. В генетически однородной группе изменения, которые мы можем наблюдать, в том числе благоприобретенные, унаследоваться не могут. То есть отбор при отсутствии генетического разнообразия даже при наличии разнообразия внешнего, неэффективен.

Пример ненаследственной модификационной изменчивости у человека — это, например, акселерация, которая проявилась после войны в разных странах. Например, средний рост японцев стал больше на 20 см, хотя понятно, что частоты аллелей генов, и генотипов в этой популяции мало изменились за два поколения, прошедших после войны.

В генетически однородной группе индивидов отбор не эффективен (Иогансен, 1903), Различия, приобретенные в индивидуальном развитии, не наследуются

Если популяция генетически гетерогенна (потомство второго поколения, F2), то отбор по фенотипу расчленяет ее на неперекрывающиеся группы с различающимися генотипами уже за два поколения (потомство четвертого поколения F4). На рисунке это проиллюстрировано для длины венчика у табака. В одной группе велся отбор растений с длинным венчиком, в другой — с коротким. То сеть отбор при генетическом разнообразии в популяции возможен.

Если популяция генетически гетерогенна (F2), то отбор по фенотипу расчленяет ее на неперекрывающиеся группы с различающимися генотипами уже за два поколения (F4) (длина венчика у табака)

Отбор естественный и искусственный действует только на генетически гетерогенные группы индивидов. Эволюция — это отражение сдвига частот аллелей в популяции. Индивид, как уже упоминалось, не эволюционирует

Когда проводится отбор, очень важно отличить размах вариаций признака, который связан с внешней средой, от размаха вариаций, причиной которого является генетическое разнообразие. Селекция (отбор на племя) более эффективна при оценке величины признака по генотипу (т. е. по потомству или у братьев-сестер), чем по оценке признака по фенотипу (т. е. у самого индивида).

В таблице видно, что решение по оценке генотипа (оставить на племя курицу № 12 потомство которой более яйценоское) правильное, хотя сразу неочевидное. Решение по оценке фенотипа (оставить на племя № 4 6 как более яйценоскую в данном поколении) — неправильное, хотя кажется очевидным.

Геномика

Лекция № 19

Геномика — комплексная наука, изучающая геномы.

Разделы геномики:

1. структурная геномика — содержание и организация геномной информации;

2. функциональная геномика — реализация информации, записанной в геноме, от гена — к признаку;

3. сравнительная геномика — сравнительные исследования содержания и организации геномов разных организмов;

Все эти разделы геномики вносят вклад в фундаментальную биологию (индивидуальное развитие, эволюция), здравоохранение, сельское хозяйство и биотехнологию.

Итог структурной геномики — получение последовательности нуклеотидов (сиквенс от англ. sequence), которая представляла бы полностью каждую из хромосом с первого нуклеотида до последнего.

Для того, чтобы получить такой сиквенс, сегодня приходится определять последовательность нуклеотидов в достаточно коротких отрезках ДНК, длиной примерно 1000 позиций. В геноме человека 3 миллиарда позиций, значит, его надо разбить на куски, которые и будут «читаться». Затем нужно восстановить единую последовательность нуклеотидов из сравнения отдельных прочтенных отрезков текста. Восстановление основано на сравнении определенных последовательностей и выявлении в них перекрывающихся (идентичных) участков текста. Длина участка перекрывания должна превышать длину последовательности, которая может встретиться в данном геноме по причинам случайного характера. Например, в геноме человека 3*10⁹ п.н. случайно может встретится последовательность длиной 15 нуклеотидов — поскольку в каждой позиции может находится один из четырех нуклеотидов, то вероятность того, что заданные нуклеотиды окажутся в 15 позициях подряд 4¹⁵ = 2³⁰ что примерно равно 10⁹. То есть в отрезке длиной 10⁹ позиций заданная 15-нуклеотидная последовательность может встретиться 1 раз по причинам случайного характера.

Но дело в том, что в ДНК нуклеотиды расположены не случайно, и это является проблемой для восстановления последовательности из перекрывания отрезков. Если две последовательности из 1000 нуклеотидов перекрываются на 20 нуклеотидов или сто — это еще ничего не значит, так как весь этот фрагмент из 1000 нуклеотидов может быть несколько раз повторен в геноме. Поэтому нужно было сначала расставить вдоль генома фрагменты, а уже потом выявлять их перекрывание на основе сиквенса. Таков был путь мирового сообщества при секвенировании генома человека (секвенированием в русскоязычной литературе называют процесс определения последовательности нуклеотидов. Этот термин также является калькой с английского названия).

Как это можно было сделать? Нужно было поставить какие-нибудь «буйки» в геноме человека, какой участок стоит за каким. Последовательность таких участков и составляет карту генома. Первой такой картой стала карта генетическая. Она показана на рисунке слева.

Рядом показана окрашенная хромосома, на которой видны поперечные полоски. Поперечная окрашенность индивидуальна для каждой хромосомы, каждая полоска имеет собственный номер, который представляет собой "адрес" данного участка на хромосоме. Ясно, что в каждом таком участке миллионы пар нуклеотидов, последовательность которых мы должны определить. Были получены полиморфные маркеры, то есть найдены такие участки хромосомы, которые у разных людей (или на разных хромосомах одного человека) содержат неидентичные последовательности нуклеотидов. В прошлой лекции упоминалось, что для генетической карты с интервалом в 10 % рекомбинации нужно 300 равноудаленных маркеров. Эти маркеры нужны для различения одной хромосомы от другой в данном локусе.

В основе детекции ДНК маркеров лежит метод амплификации (размножения) фрагментов ДНК in vitro с точностью до нуклеотида методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Методом ПЦР можно синтезировать фрагмент ДНК in vitro (в пробирке) и получить его как химически чистое вещество. Для синтеза используются короткие синтетические отрезки ДНК, называемые праймерами (затравка для синтеза). С 3'-конца праймера начинается синтез фрагмента ДНК по матричной нити, на которую он отжигается (прилипает при комплементарном взаимодействии между нуклеотидами праймера и матрицы). За один цикл достройки ДНК из двух нитей ДНК получили 4. В следующем цикле из 4 нитей получится уже 8 и т. д. Каждый цикл занимает несколько минут. За 30 циклов ПЦР целевой фрагмент размножится в 1 миллиард раз, что позволяет наблюдать фрагмент (после окраски). Время проведения каждого этапа ПЦР в будущем сократится на 2–3 порядка, таким образом, что каждый цикл будет проводиться за секунды.

Для различения папиной и маминой хромосом использовали так называемые STR-маркеры (Short Tandem Repeat), состоящие из одинаковых звеньев, чаще всего звено состояло из пары нуклеотидов ЦА. То есть нашли места в геноме, где повторялись эти вкрапленные звенья. Допустим в папиной хромосоме в фрагменте из 100 пар нуклеотидов была вставка из 20 звеньев, а в таком же месте маминой хромосомы было вставлено 22 звена. Этот фрагмент ДНК размножили in vitro, с точностью до нуклеотида методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Длина этих фрагментов будет у папы 100 + 20*2 = 140, а у мамы — 100 + 22*2 = 144. При фракционировании образованных фрагментов в геле под действием постоянного тока (электрофорез) мы можем провести разделение фрагментов по размеру. Чем тяжелее фрагмент, тем меньше его электрофоретическая подвижность и тем ближе к старту он будет находиться. Если у родителей ребенка длины фрагментов составляли (как указано в примере выше) 140 и 144 п.н., то и у ребенка будут эти полоски присутствовать.

Описанный подход применяется не только в фундаментальных исследованиях, но и в практике идентификации личности при судебно-медицинской экспертизе. Допустим данный локус в хромосоме может находиться в одном из 10 альтернативных состояний. (Эти состояния, аллели, различимы по их электрофоретической подвижности). Эти состояния различают 10 хромосом или людей с такими хромосомами. Если мы возьмем в анализ еще один локус (на другой хромосоме) с такими же характеристиками, то по этому локусу мы тоже различим 10 хромосом или людей. А по сочетанию состояний в этих двух локусах различимы 10 x 10 = 102 хромосом. Пять таких локусов позволят различить 10⁵ хромосом. А поскольку хромосом у каждого из нас по паре, то сочетания аллелей этих пяти локусов дают 10⁵ х 10⁵ = 10¹⁰ вариантов. Это число вариантов больше, чем число людей на земле. На практике при идентификации используют набор аллелей из 13 локусов, хотя и пяти как мы видим, может быть волне достаточно.

Генетическая карта была первой картой генома человека, на основе которой строилась дальнейшая работа по картированию. Эту карту соотнесли с физической картой, показывающей порядок следования клонированных фрагментов ДНК вдоль генома (см. рисунок 1 справа).

Физические карты генома часто представлены наборами фрагментов ДНК, клонированные в векторных молекулах (рекомбинантных ДНК), упорядоченно расположенных относительно друг друга. Такой набор непрерывно перекрывающихся фрагментов ДНК называется контиг. Для того чтобы выявить перекрывание клонированных фрагментов ДНК и понадобилась ранее установленная карта генетических маркеров. Перекрывание устанавливалось между «большими» молекулами ДНК, содержащими примерно 10⁶ пар нуклеотидов, которые были клонированы в искусственных хромосомах дрожжей (YAC-клоны, сокращение от Yeast Artificial Chromosome). Искусственные, потому что у них удалили основную часть собственно дрожжевой ДНК и вставили человеческие фрагменты ДНК. Такие конструкции способны реплицироваться в клетках дрожжей. Размер хромосом дрожжей как раз примерно 1–2 миллиона пар нуклеотидов.

Как устанавливали перекрывание клонированных фрагментов ДНК? У нас есть YAC-клон № 1 с протяженным фрагментом клонированной ДНК, а в нем, предположим, обнаружен и маркер А и маркер В, для которых из генетических данных известно, что они соседние на карте. В YAC-клоне № 2 уже нет маркера А, а есть маркеры В и С, причем также известно из генетической карты что В и С — соседи. В клоне № 3 есть маркеры С и D. Сопоставление данных по присутствию генетических маркеров А, В, С и D в YAC-клонах показывает что они перекрываются в последовательности YAC № 1, № 2, № 3.

Вставки ДНК из 3000 YAC-клонов примерно равны по длине геному человека. В анализ на перекрывание YAC-колонов взяли 30000 клонов, с тем чтобы каждая точка генома перекрывалась несколькими клонами. Вначале неизвестно было, как они расположены, но в среднем каждая точка генома перекрывалась 10 раз. Было использовано порядка 3000 STR-маркеров, и посмотрели, эти как маркеры и клоны друг с другом перекрываются. В качестве метода, выявляющего присутствие генетического маркера в составе YAC-клонов, использовался ПЦР. На заключительном этапе составления физической карты генома человека в этих 30 000 YAC-клонов, выявлено присутствие примерно 30000 маркеров. Это один маркер на 100 000 пар нуклеотидов. Расстояние между концами YAC-клонов также составило 100 000 п.н. (при длине клона 1 млн. п.н.). Картирование проводили на роботизированных машинах, которые проводили приблизительно по 300 000 ПЦР-реакций в день. Позволило расставить в контиг все YAC клоны. Предполагалось, что они будут непосредственно секвенироваться. Однако в дальнейшем была использована друга схема секвенирования клонов. Картированные YAC-клоны часто использовали для поиска генов, находящихся во вставке YAC, а к сиквенсу этот этап не привел.

Перекрывание можно также посмотреть по расположению специфических рестрикционных сайтов. Рассмотрим этот способ подробнее. Структура фрагмента ДНК выявляется по положению участков расщепления специфическими ферментами — рестрикционными эндонуклеазами (рестриктазами). Каждая рестриктаза узнает последовательность нуклеотидов определенной длины и состава. Например, рестриктаза

EcoRI узнает GAATTC и никакую другую (расщеплять ДНК она будет в среднем один раз на 4⁶ = 4096 нуклеотидов), BamHI узнает GGATTC. Предположим, что у нас есть клонированный фрагмент ДНК, длиной 13000 нуклеотидов, и мы расщепили его рестриктазой BamHI, получив два фрагмента по 9 и 4 тысячи нуклеотидов. Затем если мы расщепим EcoRI, получим фрагменты по 8, 3 и 2 kb. Когда мы посмотрим двойное расщепление, получим фрагменты размерами 7, 3, 2, 1 kb. Размеры известны, потому что рядом есть дорожка, в которой идет фракционирование молекул стандартного размера, что позволяет создать калибровочную кривую. Если мы проведем второе расщепление, то увидим, что фрагмент в 9kb расщепился на фрагменты по 7 и 2kb. Эта специфическая последовательность сайтов и специфическое расстояние между ними является портретом молекулы (см. рис. ниже). По этим портретам мы можем сопоставлять молекулы друг с другом, независимо от того, что они кодируют, и что в них находится. Это очень типичная процедура. Расщепление фрагмента ДНК каждой рестриктазой по отдельности и их смесью позволяет создать рестрикционную карту фрагмента.

Структура фрагмента ДНК выявляется по положению участков расщепления специфическими ферментами — рестрикционными эндонуклеазами (рестриктазами). Каждая рестриктаза узнает последовательность нуклеотидов определенной длины и состава. Например, рестриктаза EcoRI узнает последовательность GAATTC, а рестриктаза BamHI — GGATTC

Размер получившихся фрагментов устанавливают, разделяя их в геле под действием электрического тока — чем меньше фрагмент, тем быстрее он движется (слева — результат такого разделения).

Расщепление фрагмента ДНК каждой рестриктазой по отдельности и их смесью позволяет создать рестрикционную карту фрагмента.

Итак, мы расставили молекулы методом генетического и физического картирования. Вернемся к методу секвенирования. Использовалась примесь дидезоксинуклеотидов — ddNTP (на рисунке — справа; у них нет ОН-группы у 3'-атома углерода), которая добавлялась к обычным дезоксинуклеотидам (на рисунке слева). И при синтезе ДНК in vitro это приводило к прекращению синтеза цепи в позиции, в которой вставился ddNTP. Через позицию 3' идет присоединение нуклеотида к строящейся молекуле ДНК. Но если на 3'-конце не будет гидроксильной группы, а водород, то синтез дальше не пойдет — он будет терминирован.

Примесь дидезоксинуклеотидов (справа, нет ОН-группы у 3'-атома углерода) к дезоксинуклеотидам (слева) при синтезе ДНК in vitro приводит к прекращению синтеза цепи в позиции, в которой ставился ddNTP

Это используется следующим образом. У нас есть матрица (нить ДНК), которую надо секвенировать. Если идет синтез, и в первой позиции матрицы стоит А (см. рис. ниже), то может встроитьсяобычный Т и синтез пойдет дальше, а может встроиться ddTTP и синтез дальше не пойдет. Произойдет обрыв цепи, а полученный синтезированный огрызок займет при фракционировании определенную позицию согласно своему размеру. Следующий обрыв будет соответствовать второй букве секвенируемой нити, и также займет свою позицию согласно длине при фракционировании на электрофорезе и т. д. И так по каждому нуклеотиду. Так мы восстановим последовательность нуклеотидов в секвенируемой нити ДНК. Этот метод предложил Фрэд Сэнгер, за что получил свою вторую Нобелевскую премию.

Метод секвенирования ДНК, основанный на терминации синтеза дидезоксинукпеотидтрифосфатами

Рассмотрим определение последовательности нуклеотидов в клонированном фрагменте ДНК. Клонированный фрагмент находится в так называемой векторной молекуле ДНК — молекуле, которая позволяет ввести его в клетку (обычно это клетка бактериальная, но иногда используются и дрожжевые клетки). Все работы по секвенированию генома человека прошли при участии бактериальных векторных молекул. Участок вектора, прилежащий к вставке, содержит последовательность нуклеотидов, комплементарную универсальному секвенирующему праймеру. С этого праймера инициируется синтез ДНК in vitro, который с первого нуклеотида будет идти по матрице клонированного фрагмента ДНК человека. Универсальных праймеров используется два, один к последовательности вектора прилежащей к одному концу вставки, другой праймер к последовательности вектора прилежащей к другому концу вставки. С одного из праймеров клонированный фрагмент секвенируется с одной стороны, а с другого праймера — с другой стороны.

Участки молекулы ДНК распознаваемые праймерами для секвенирования, присоединены к исследуемому фрагменту ДНК путем. Исследуемый фрагмент ДНК вставляют в векторную молекулу ДНК. Участки вектора, прилежащие к вставке, содержат последовательности нуклеотидов, комплементарные универсальным секвенирующим праймерам — левому и правому. С этих праймеров инициируется синтез ДНк in vitro

Вектор у нас один и тот же, а вставок — миллионы, но все они секвенировались с одной и той же пары праймеров. Основная часть генома была секвенирована при клонировании фрагментов в 2 тысячи пар нуклеотидов, потому что тысяча читалась с одной стороны и тысяча — с другой. Каждая точка генома человека была просеквенирована несколько десятков раз в составе разных клонированных молекул ДНК. То есть расстояние в геноме между концами клонированных и секвенированных фрагментов ДНК составляло меньше 200 пар нуклеотидов. От каждой точки старта было прочитано около 1000 нуклеотидов. Из всего этого набора «текстов» воспроизводилась структура генома человека. Но собрать эти 1000-буквенные сиквенсы в контиги длинной в миллионы букв удалось лишь на основе того, что большая часть фрагментов была предварительно картирована относительно хромосом человека. Без картирования сиквенс мог попасть в повторяющийся участок генома, а продолжение сиквенса из такого участка имеет столько вариантов продолжений, сколько раз повтор присутствует в геноме человека (некоторые повторы — миллион раз). Поэтому сначала устанавливали последовательность расположения клонированных фрагментов в геноме. Это было сделано для фрагментов размером около 200 тыс пар нуклеотидов, а уже затем их секвенировали.

Процесс секвенирования по методу Сенгера может быть автоматизирован. Механизм представлен на следующем слайде.

Ha слайде виден праймер, синтез с которого идет влево. У нас есть дидезоксинуклеотидфосфаты Т, А,С и G. Каждый из них занимает свою позицию во фрагменте синтезируемом по исследуемой матричной нити. На предыдущем слайде каждой букве соответствовала отдельная дорожка геля, их всего четыре. Если каждую из букв терминирующих синтез пометить в свой цвет, то все терминаторы можно объединить в одной пробирке и фракционировать продукты в одной дорожке. Обрыв синтеза в позиции данной буквы даст фрагмент со своим положением в геле после фракционирования. Каждое положение обрыва будет характеризоваться цветом той буквы терминатора, на которой произошел обрыв. В ходе фракционирования терминированных фрагментов лазер будет фиксировать на детекторе последовательные пики — какая прошла полоса по счету, и какого она цвета. Далее эта последовательность пиков дешифруется в последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Точность сиквенса (установления того, какая именно буква терминировала синтез в данной позиции) определяется соотношением высот пиков соответствующих разным буквам в одной и той же позиции секвенируемого фрагмента. Между двумя пиками разных цветов в одной позиции было заданное дискриминирующее значение. Техника отрабатывалась так, что буква считалась достоверно установленной для данной позиции, если основной пик в этой позиции был выше других в заданное количество раз.

Бактерия Н. influenzae была первым свободно живущим организмом, геном которого был полностью секвенирован. Поскольку геном бактерии маленький, около тысячи нуклеотидов, и повторов нем мало (да и короткие они), то предварительное картирование клонированных фрагментов ДНК не понадобилось — эти фрагменты сразу сиквенировались.

Бактерия Н. influenzae была первым свободно живущим организмом, геном которого был секвенирован (TIGR, США)

Такая работа была проведена в институте генетических исследований TIGR под началом Крега Вентера. Вентер затем организовал фирму Селера, секвенировавшую геном человека, где он применил ту же схему секвенирования что и для бактерии. Причем деньги он взял у частных фирм, так как государство не верило, что у него что-нибудь получится.

Мировое сообщество предварительно использовало генетическую и физическую карты, относительно которой была выстроена последовательность перекрывающихся фрагментов клонированной ДНК (контиг), предназначенной для секвенирования. То есть сиквенс генома человека был собран из фрагментов правило благодаря использованию упорядоченного набора клонов и установлению последовательности нуклеотидов картированных клонов.

Вентер же, в отличие от мирового сообщества, использовал случайный набор клонов и попытался восстановить полную последовательность нуклеотидов прямо из сравнения сиквенсов всей кучи фрагментов. На бактерии у него это удалось, но на человеке это сработало лишь потому, что он использовал публично доступные данные от мирового сообщества о том, какие молекулы, где расположены в геноме человека.

Секвенирование всего генома может быть основано на детальной генетической и физической карте, относительно которой выстроена последовательность перекрывающихся фрагментов клонированной ДНК (контиг), предназначенной для секвенирования

Вентер опубликовал свою работу на месяц раньше, чем мировое сообщество, потому что он ничего не картировал, а использовал секвенирование совсем коротких рекомбинантных молекул. Общую длина секвенированных фрагментов ДНК была у Вентера в пять раз больше, чем сделало все мировое сообщество. Используя данные мирового сообщества о картированных фрагментах, Вентер смог восстановить в единую последовательность нуклеотидов все то, что он насеквенировал. Если бы данных мирового сообщества не было бы, то вся его работа была представлена короткими отрезками, которые бы разветвлялись, из-за того, что в геноме находятся повторы.

В результате проделанной работы вышло две статьи: статья Вентера в журнале Science и статья Лэндера — лидера мирового сообщества — в журнале Nature.

Проект генома человека начат в 1990 г. Первая (черновая) версия последовательности нуклеотидов была закончена в 2000 г. Конечная версия, которая больше не будет совершенствоваться (названная Build35) — закончена в 2004 г.

Последняя версия последовательности содержит 2,85 миллиардов пар нуклеотидов с 341 брешью, то есть в этих местах по каким-то причинам секвенировать геномную ДНК не удалось. Сиквенс покрывает около 99 % той части генома человека, которая представлены в некомпактизированной форме — эухроматине. Аккуратность сиквенса в конечной версии — 1 ошибка на 100 тысяч позиций подряд.

Еще точнее секвенировать весь геном уже никто не будет. Напомню, что папин геном отличается у вас от маминого генома примерно в 1 позиции на тысячу.

Предсказанное число генов у человека теперь 20–25 тысяч, что немного меньше, чем предсказывалось раньше.

Кроме данных о последовательности нуклеотидов геномной ДНК человека (референтная последовательность) созданы также базы данных:

1) о последовательности нуклеотидов транскрибируемых участков ДНК (EST database, EST = Expressed Sequence Tags), которая характеризует не геномную ДНК, а то, транскрибировалось с ДНК.

2) о положении и содержании отличий (полиморфизмов, то есть нуклеотидных замен) других известных последовательностей ДНК человека от референтной последовательности (SNP database, SNP = Single Nucleotide Polymorphism)

Геномика (часть 2)

Лекция № 20

Геномика — недавно возникшее направление науки, объектом изучения которой являются геномы всех организмов, не только человека. Одно из направлений геномики — воссоздание суммарной карты метаболических путей живого, состоящей из частных метаболических карт, характерных для каждого организма.

Выявление в разных геномах определенных наборов генов метаболических функций позволяет предположить, функциональную связь генов этого набора в едином участке метаболической цепи. В частности, один из подходов такой. Исследуют ряд видов (рисунок ниже), к примеру, бактерий. У первых трех видов есть гены для белков 1, 3 и 6. Остальные белки у некоторых есть, а у некоторых нет.

Этот набор генов (1, 3 и 6) отсутствует у четвертого вида. Такого рода присутствие-отсутствие цельного набора генов позволяет сделать предположение о том, что кодируемые ими белки каким-то образом связаны в метаболическом цикле. Гены такого набора необязательно располагаются рядом в геноме.

Филогенетический профиль белков — основа гипотез об их функциях белки Р1, Р3 и Р6 присутствуют у трех разных видов бактерий. У четвертого вида весь набор этих белков отсутствует.

Еще один критерий функциональной связи между генами, особо хорошо работающий на бактериях, основан на сохранении соседства одних и тех же (по сиквенсу) генов у разных видов бактерий. У бактерий нередко бывает, что группа генов, расположенных вместе, отвечает за группу последовательных этапов метаболизма. Такая группа генов регулируется на уровне транскрипции единым образом и называется оперон (единица операции). Часто последовательность расположения генов в опероне совпадает с последовательностью метаболических этапов. Для эукариот соседнее расположение функционально связанных генов не типично, но, хоть такие гены и разбросаны у них по геному, скоординированная регуляция транскрипции есть и эукариот.

Геномы четырех бактерий.

_{Гены 1 и 8, а также гены 4 и 5 соседствуют в разных геномах, хотя положение этого блока относительно других генов в каждом из геномов различается.}

На данный момент просеквенировано несколько сотен геномов бактерий и геномы нескольких эукариот. Теперь мы знаем, что у бактерий размеры генома не бывают меньше 0,5 миллионов пар нуклеотидов, а максимальный размер генома около 10 миллионов п.н., у дрожжей (эукариотический организм) — порядка 12 миллионов, у червя нематоды — 97 млн., а у человека — 3 миллиарда пар нуклеотидов. А число генов у про- и эукариот различается уже в меньшее число раз. Минимальное количество генов у бактерии микоплазмы — 470 штук, у дрожжей — 6000, у нематоды — 19000, а у человека около 20000, то есть от нематоды и мухи по количеству генов мы не сильно отличаемся. Количество хромосомной ДНК, приходящейся на один ген у бактерий — 1000 п.н. то есть гены упакованы очень плотно; у дрожжей — 2000 п.н., и кое-где гены разделены некоторым пространством; у нематоды — 5000 п.н. на ген и появляются пространства внутри генов — интроны; у человека — 30000 п.н. У нас в геноме большие межгенные пространства и большие пространства внутри генов, которые не переходят в зрелую РНК.

Заметим, все эти организмы по размерам зрелых транскриптов не сильно отличаются. В зрелой РНК белок-кодирующий участок занимает обычно основную часть последовательности. Часть генов кодируют РНК, с которой белок вообще не синтезируется. Перед белок-кодирующей последовательностью в зрелой мРНК расположены участки регуляции трансляции, а после белок кодирующей последовательности — участки определяющие стабильность (время жизни РНК). У прокариот последовательности перед и после белок-кодирующей части гораздо короче, чем у эукариот. Так что по размерам РНК все организмы ближе, чем по размерам генов, а по размерам белков — еще ближе.

Экспериментально проводили «выключение» каждого гена у многих бактерий, и смотрели, выживут они в данных условиях или нет. Оказалось, что у бактерий можно «выключить» (поочередно) около 50 % генов, и они все равно будут жить. У дрожжей можно выключить 80 % генов и они все равно будут жить.

Как это было экспериментально показано? В геном клетки вставляют репортерный фрагмент ДНК, который позволяет замерить скорость транскрипции и трансляции в точке вставки фрагмента. Известно поэтому, что и траснкрипция и трансляция репортерного гена через данную точку в данных условиях происходит с регуляторных элементов гена, разорванного вставкой репортера, хотя разорванный ген сам не функционален. Таким образом 80 % генов дрожжей по одному «убивали» и видели, что клетка дрожжей все равно живет.

У нематоды на 20 000 генов получено несколько десятков тысяч мутаций, которые, по-видимому, поражают около 2 000 генов (так называемых групп комплементации). Это около 10 % всех генов нематоды. То есть если «выключить» около 90 % генов, клетка будет продолжать жить. У человека из 20 000 генов только в 1700 (меньше 10 %) известны мутации, которые связаны с болезнями, наследуемыми по Менделю как моногенный признак.

В связи с этим понятно, что количество генов, мутации в которых будут приводить заболеваниям человека (по крайней мере, к летальным), скорее всего, не увеличится значительно, по сравнению с тем, что уже известно к настоящему времени. Сейчас в интернет доступна база данных OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) по генам, мутации которых приводят к заболеваниям и проявляются как менделирующие признаки.

В геноме не все его участки транскрибируется. В связи с этим встал вопрос экспериментального определения, где и сколько в геноме генов. Под одним геном понимается участок ДНК, который соответствует единому транскрипту, образованному с этого участка. При транскрипции участка ДНК получается так называемыя пре-мРНК, которая содержит и экзоны (участки, переходящие затем в зрелую мРНК), и интроны (вставочные последовательности, которые удаляются из мРНК). Интроны удаляются из пре-мРНК в результате процесса, называемого сплайсингом. Остающиеся в результате участки пре-мРНК, называемые экзонами, соединяются в единую нить. Она называется зрелой мРНК. (Некоторые из РНК не кодируют белок. Называть такие РНК матричными, т. е. мРНК терминологически не верно, хотя они соответствуют генам и имеют свои функции.)

Зрелая мРНК используется как материал для экспериментального исследования наличия гена в геноме, его положения и интрон-экзонной структуры. Инструментом для такого исследования являются биологические микрочипы.

Первый патент на микрочипы принадлежит коллективу под руководством Андрея Дарьевича Мирзабекова, который был директором Института молекулярной биологии РАН и заведующий одной из кафедр ФМБФ МФТИ. Он предложил иммобилизовать синтетические фрагменты ДНК на твердые матрицы, и проводить гибридизацию этой матрицы с исследуемым образцом нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК.

Как исследовать, действительно ли ген существует, то есть, транскрибируется ли данный участок ДНК? Для этого ген представляют в чипе частью его последовательности — олигонуклеотидом, который иммобилизован в микроплощадке с определенными координатами на этой матрице. Этот олигонуклеотид соответствует части экзона, предсказанного компьютером на основе сиквенса геномной ДНК. Чтобы выяснить, действительно геном в данном участке транскрибируется, берется клетка и из нее выделяется суммарная РНК. Из всех этих молекул РНК получают ДНК-копии, которые флуоресцентно метят и проводят гибридизацию с иммобилизованными на микрочипе олигонуклеотидами. Если в данных условиях какие-то площадки с олигонуклеотидами «молчат» (они показаны черным), то это значит, что участок геномной последовательности, комплементарной этому олигонуклеотиду, не транскрибируется. Если же площадка матрицы «светится», значит олигонуклеотиды в этой площадке прогибридизовались с флуоресцентно меченым продуктом, то есть соответствующий участок генома транскрибировался и действительно является частью какого-то гена.

Биологические микрочипы используются для одновременной детекции экспрессии многих генов

В реальном эксперименте все участки на матрице в той или иной мере «светятся». Поэтому без сравнения с некоторым стандартом, нельзя сказать, с чем связано появление сигнала в данной площадке чипа. Чтобы определить, является ли полученный результат ошибкой эксперимента или нет, проводится сравнение двух объектов. Для этого берутся некие клетки А, из них получают РНК, и их флуоресцентно метят (на слайде — красным). То же проводят и с клетками В, но метят РНК другим цветом (зеленым). Затем проводят гибридизацию чипа со смесью этих двух препаратов РНК. Если сигнал в данной площадке на чипе получается красным, значит в клетках А транскрипция данного гена сильнее, чем в клетках В. Если сигнал зеленый, то транскрипция сильнее в клетках В. Если красного и зеленого поровну, то получится желтый цвет. Таким образом, возникает возможность сравнивать уровень траснкрипции данного гена в разных клетках В, С, D и т. д., нормируя его на уровень транскрипции этого гена в клетках А. При этом сравнивают транскрипцию гена в разных тканях, в них гены экспрессируются по-разному. Можно сравнивать опухоль и норму, тогда выявляют те гены, которые специфически более сильно транскрибируются в опухоли или в норме. Можно посмотреть разные стадии развития, как работают гены в зародышевом развитии и во взрослом состоянии. Таким образом, гибридизация на микрочипах позволяет узнать, какие гены в геноме в данных условиях транскрибируются, а именно этим он и проявляет свою жизнь.

Биологические микрочипы могут быть использованы для установления относительного уровня экспрессии в клетках различных типов (например, печень — почки, норма — опухоль, зародыш — взрослый организм)

_{Если уровень экспрессии данного гена в образце А > В, цвет красный}

_{Если уровень экспрессии данного гена в образце А < В, цвет зеленый Если уровень экспрессии данного гена в образце А = В, цвет желтый}

_{Если образец А используется как нормирующий, то можно сравнивать экспрессию в образцах D, Е, F… друг с другом}

Гибридизация на микрочипах позволяет проверить компьютерное предсказание о том, что данный фрагмент генома — экзон, (участок, остающийся в зрелой мРНК) и он действительно транскрибируется. Каждый ген не обязан экспрессироваться во всех тканях и в каждых данных условиях. Поэтому нужно исследовать много условий и тканей, чтобы выявить все участки генома, соответствующие экзонам. На слайде каждая гибридизация на данном чипе соответствует какому-то одному типу ткани или условиям ее функционирования. Красным указано количество экзонов в каждой из хромосом, существование которых экспериментально подтверждено. На каждом чипе 1 090 408 площадок с пробами-олигонуклеотидами, соответствующими каждому из 442 785 экзонов человека, предсказанных компьютером.

Олигонуклеотиды в площадках соответствуют как транскрибируемой нити ДНК, так комплементарной нити. В геноме человека транскрипция комплементарных нитей ДНК, характерна для небольшой части генов. Такие гены перекрываются и, возможно, взаимно регулируются на уровне транскрипции. У бактерий перекрывание генов гораздо более частое явление, чем у эукариот.

Котранскрибируемые экзоны (границы гена) выявляются экспериментально на чипе. Соседние площадки содержат олигонуклеотиды, соответствующие экзонам, соседним в геноме. Граница выглядит как переход от блока площадок одного цвета (красного, олигонуклеотиды принадлежащие котранскрибируемым экзонам) к другому (зеленому). Полный список данных по экспериментальному подтверждению существования всех предсказанных компьютером экзонов пока не существует.

Границы гена

_{Котранскрибируемые экзоны (границы гена) выявляются экспериментально на чипе}

_{Shoennikei е.а., Natuie (2001), v.409, р.922}

Микрочипы могут быть использованы для исследования изменений уровня транскрипции генов, связанной с возникновением или прогрессией заболевания, (например, опухолевого или инфекционного). Предполагается, что каждая болезнь, характеризуется своим штрих-кодом — изменением уровня транскрипции набора ге нов характерного именно для данной болезни. Этот анализ является очень важным для усовершенствования функциональной диагностики в медицине.

Микрочипы могут быть использованы для исследования экспрессии, связанной с возникновением или прогрессией заболевания (например, опухолевого или инфекционного), поскольку каждая болезнь, вероятно, характеризуется специфичными изменениями наборов экспрессируемых генов по сравнению нормальным состоянием.

Провели такой опыт. Взяли образцы РНК из опухолей у двух групп больных. В одной группе метастазы были, а в другой — нет. Метастазы — это возникновение новых очагов опухоли в организме, пространственно отделенных от исходного очага. На данном чипе довольно резко проходит граница между группами зеленых и красных площадок. То есть, видны гены, изменение уровня экспрессии которых характерно для стадии метастазирования опухоли, что можно использовать для диагностики этой стадии. Пока этот метод диагностики недоработан. Предполагается, что в будущем по штрих-коду изменения экспрессии в определенном наборе генов можно будет диагностировать конкретные заболевания и стадии их развития, а, следовательно, и знать, как лечить.

Сделаем небольшое отступление. На прошлых лекциях было рассказано про генетические карты. Такие карты были построены для многих видов. На видах с подробными генетическими картами проводится экспериментальный поиск мутаций связанных с регистрируемыми морфологическими изменениями. На слайде показана схема такой работы на рыбах. Вначале проводят мутагенез. После этого получают гибриды первого поколения. Их используют для возвратных скрещиваний с мутагенизированными родителями. Если оказывается, что какой-то признак выявляется, то смотрят, с какими генетическими маркерами он сонаследуется. Таким образом исследуется, какие гены повреждены мутациями, выявляемыми фенотипически.

Гены (мутации), определяющие морфологические или биохимические признаки, могут быть идентифицированы после общегеномного мутагенеза (например, EMS) и генетического скрининга. Для этого проводят анализ сонаследования исследуемого аллеля с полиморфными маркерами ДНК, перекрывающими весь геном в известной последовательности, и расстояние между которыми достаточно мало, чтобы отнести исследуемый аллель к одному из интервалов генетической карты.

Обобщая вышесказанное, гены (мутации), определяющие морфологические или биохимические признаки, могут быть идентифицированы после общегеномного мутагенеза (например, EMS) и генетического скрининга. Для этого проводят анализ сонаследования исследуемого аллеля с полиморфными маркерами ДНК, перекрывающими весь геном в известной последовательности, и расстояние между которыми достаточно мало, чтобы отнести исследуемый аллель к одному из интервалов генетической карты.

На этом слайде показано, что существуют бактерии, у которых количество генов может быть больше, чем например у дрожжей. Мы привыкли считать, что бактерии устроены проще, но это не всегда так. Существуют бактерии, у которых генов порядка 10 тысяч.

Даже для прекрасно изученного организма — кишечной палочки, не понятны функции около трети из 4289 ее генов. Известна и последовательность нуклеотидов в этих генах, и как они транскрибируются и т. д., но все равно не известно, какую функцию они выполняют.

На этом слайде хотелось бы обратить ваше внимание на то, что хотя число генов разнится у разных видов, но число так называемых белковых доменов (структурные единицы в белке, отвечающие за единичную функцию) отличаются в пределах разных царств живого (прокариоты и эукариоты) до полутора раз, не более. Конечно комбинации этих доменов разные, но сами домены похожи, то есть они кодируются сходными по последовательности нуклеотидов участками генома и эти сходные участки имеют общее происхождение в эволюции.

Обратно заявление будет не верно. Если функции белков сходны, это не означает, что их структура будет одинакова. Одна и та же функция, например, один и тот же каталитический процесс, может выполняться разными, не родственными по происхождению белками. Один и тот же процесс может катализироваться даже и белком и РНК (рибозим), у которых нет ничего общего в происхождении.

На данном слайде показаны средние значения характеристик различных элементов генов человека. Средний размер экзона — 145 нуклеотидов, интрона — 3365 и т. д. В общей сложности получается, что белок-кодирующая часть гена невелика по сравнению с белок-некодирующей частью, поэтому, когда происходят какиенибудь мутации, велика вероятность, что промутирует белок-некодирующая часть. Такие мутации или вообще не скажутся на структуре белка, или приведут к изменению его количества, но не структуры (изменения регуляторных участков инициации транскрипции или стабильности РНК), или приведут к драматическим изменениям структуры РНК (мутации в мишенях для сплайсинга).

Общая структура генома такова. Напомню, что размер генома человека 3200 Mb. Гены занимают всего 1200 Mb. Основная часть этого пространства приходится на псевдогены (нефункциональные гены, инактивированные мутациями), различные фрагменты генов и интроны. А на экзоны функциональных генов (суммарная длина зрелых РНК) приходится 48 Mb. Здесь есть некоторое лукавство, так как на одну пре-мРНК в среднем приходится 1,4 зрелых РНК. А из одной зрелой мРНК в некоторых случаях может получиться до тысячи белков. Межгенная ДНК занимает 2000 Mb, она представлена главным образом короткими рассеянными по всему геному повторяющимися последовательностями, которые занимают 1400 Mb. Один из таких повторов — Alu-повтор, длиной около 300 п.н., повторен в геноме миллион раз. Другой примечательный тип рассеянных повторов — длинные концевые повторы (LTR, long terminal repeat). Эти элементы являются молекулярными свидетельствами перескока фрагмента ДНК внутри генома. Общая протяженность таких участков на молекуле ДНК-250 Mb.

Геном человека: размеры областей занятых элементами известной структуры

Число генов у человека оценено в 20–25 тысяч, (оценка 2001 г. — 35–40 тыс.).

Основная часть генома человека занята не генами: 63–74 % длины — межгенные пространства, половина из них — повторы. Ген человека внутри «пустой»: 95 % внутригенной ДНК вырезается (интроны). Общая длина белок кодирующих областей около 1 % от геномной ДНК человека. Это лишь в 3 раза больше длины генома бактерий.

От 26383 до 39114 генов человека были предсказаны компьютером (в 2001 г.), но лишь менее 7000 были подтверждены на человеке. И более чем для 80 % генов, хоть в чем-то была пересмотрена структура в период с 2001 по 2003 г и продолжает уточняться на микрочипах.

Сейчас предсказанное число генов у человека 20–25 тысяч и существование около 19 000 из них экспериментально подтверждено — с них образуются транскрипты.

Имеющееся на данный момент определение гена (ген — это фрагмент геномной ДНК с котранскрибируемыми субфрагментами) — не полное. Например, возможна транскрипция с двух цепей. Плохо выявляются короткие гены и белок-некодирующие гены. Их, по крайней мере, под тысячу, но точное число не известно. Такие гены — тоже гены, хоть белок они и не кодируют. Они — гены, потому что с них образуется РНК. Причем РНК некоторых белкнекодирующих генов состоит из нескольких экзонов. То есть, клетке эти РНК зачем-то нужны, но мы пока не понимаем, зачем.

Альтернативный сплайсинг, биологическая роль и механизмы

Предположим, образовался транскрипт зрелой мРНК, и он может содержать экзоны 1, 2, 3. Это вовсе не означает, что он обязательно будет содержать их все. У нас может появиться РНК, которая будет содержать экзоны 1 и 2 или экзоны 1 и 3, ив результате с них будут образовываться разные белки. Такой способ процессинга (обработки) генетической информации называется альтернативный сплайсинг.

Одному гену соответствует с среднем 14 зрелых мРНК Альтернативный сплайсинг — различные комбинации экзонов остающееся в зрелой мРНК получаемой из одной и той же пре-мРНК

У человека есть ген slo. Он «работает» во внутреннем ухе, в частности, этот белок присутствует в ворсинках, которые отвечают за распознавание высоты звука. Он состоит из 35 экзонов (на рисунке — прямоугольники), 8 из которых (синие) могут или присутствовать, или отсутствовать в зрелой мРНК. Возможны 8! = 40 320 вариантов сплайсинга, но только около 500 из них обнаружены. Других, может быть, и нет, то есть природа не должна, вообще говоря, реализовывать все возможные варианты.

Биологическая роль множественного сплайсинга заключается в следующем. Разные типы волосяных клеток внутреннего уха реагируют на звуки разных частот от 20 до 20 000 герц. Различия клеток в восприятии частоты частично определяются свойствами альтернативных сплайс-форм белка Slo. Как определяется выбор между вариантами сплайсинга неизвестно.

Ген slo человека,

Состоит из 35 экзонов (прямоугольники), 8 из которых (синие) могут или присутствовать или отсутствовать в зрелой мРНК Возможны 8! = 40 320 вариантов сплайсинга, но только около 500 из них обнаружены экспериментально.

Биологическая роль множественного спланснгта.

_{Разные типы волосяных клеток внутренне по уха реагируют на звуки разных частот от 20 до 20 000 герц. Различия клеток в восприятии частоты частично определяются свойствами ал тернатмвных сплайс-форм белка Slo.}

_{Как определяется выбор между вариантами сплайсинга неизвестно}

Известны случаи, когда с одного локуса образуются тысячи разных белков. К ним, в частности, относятся белки, которые образуются на поверхности нервных клеток. Таким образом, они, видимо, как-то участвуют в распознавании друг друга, и в формировании нейронных сетей. В этом случае происходит выбрасывание не только экзонов или интронов, но и может реализовываться и альтернативный участок инициации транскрипции. Такие случаи известны, в частности, для человека, когда у разных генов есть несколько разных промоторов, каждый из которых дает свою РНК, в которой, в зависимости от того, где он начался, будет дополнительный экзон, связанной с различной длиной транскрипта на 5' — конце.

Механизм сплайсинга

Процесс соединения одного экзона с другим происходит в участках определенной последовательности нуклеотидов. Донорный сайт сплайсинга всегда заканчивается одним из двух динуклеотидов, обычно — AG.

Консенсусная последовательность донорного и акцепторного участков сплайсинга в интронах и экзонах эукариот

В начале происходит нуклеофильная атака донорного экзона, затем происходит разрезание, кусочек GU заворачивается и присоединяется к А. Затем разрезается вторая часть, первый экзон соединяется со вторым, и образуется интрон.

Если посмотреть, какую долю гена составляют экзоны, то самый большой известный транскрипт (у гена миодистрофина) имеет длину около 2,5 миллионов нуклеотидов. У него в зрелую часть РНК переходит 14 тыс нуклеотидов (0,6 %), а остальные 99,4 % от первичного транскрипта выкидывается (интроны).

С ростом размеров гена в хромосоме его белок-кодирующая часть увеличивается незначительно, а количество интронов в гене растет. С ростом числа интронов растет число сайтов сплайсинга и вероятность их повреждения. Поэтому для генов с большим числом интронов потеря функции при мутации может быть связана не с белок-кодирующей частью ДНК, а с регуляторными элементами сплайсинга.

Секвенирование генома человека показало, что некоторые экзоны многократно повторены в геноме. Это могут повторы экзонов в составе одного гена, или присутствие одного и того же экзона в составе нескольких разных генов. Получается, что экзоны, основные элементы структуры РНК, то есть белок-кодирующие элементы, в процессе эволюции могут каким-то образом размножаться в геноме и «перетасовываться» между разными генами. Такое явление получило название exon shuffling — перетасовка экзонов. Ниже показаны разные белки, в которых содержатся одинаковые экзоны. Таким образом, оказывается, что эволюция — это нередко именно блоковые изменения генома, а не точечные изменения.

Генные дупликации и "тасующиеся" экзоны

_{Ген фибронектина содержит 12 копий экзона, кодирующего "палец" белка. Этот же модуль найдет в продуктах других генов. Он содержит также модули, встречающихся в белках определенных типов, таких как мембранные клеточные рецепторы и белки внеклеточюго матрикса.}

Классификация генов по их функциям

На 2001 год для более 40 % генов человека не было никаких предположений относительно выполняемых функций. А для остальных раскладка была достаточно условной. Принадлежность белка к одному функциональному классу не исключает его принадлежности также и к другому классу. Например, то, что белок связывается с ДНК, не означает, что он не может быть еще и ферментом и т. д. Это — характеристика, которая была дана гену по той его части, которая связана с охарактеризованной функцией, но, вообще говоря, такая функция у белка может быть и не одна.

Распределение функций 26 383 генов человека

Больше всего генов отвечают за экспрессию, репликацию и поддержание функций генома; около 20 % — за передачу сигналов между клетками, около 17 % — за то, чтобы клетка сама по себе была здорова, и для других функции не классифицированы.

Оказывается, что у человека, по сравнению с дрожжами, бактериями и т. д., в геноме имеется больше генов регуляторов транскрипции. То есть, транскрипционные регуляторы сильно размножились в эволюционной линии млекопитающих, в частности, человека. Предполагается, что разнообразие регуляторов транскрипции обеспечивает большую тонкость реакции генома на сигналы внешней среды. То есть у млекопитающих больше число ансамблей координировано транскрибируемых генов, чем в других группах.

Сложность организации человека и.о. связана с большим количеством генных ансамблей, управляемых единичными кнопками: генами активаторами транскрипции. В эволюционной линии человека они сильно амплифицированы

Схема структурных элементов фрагмента генома человек» размером 50 т. п.н. в локусе Т-клеточного рецептора (хромосома 7).

_{Около половины длины фрагмента занимают элементы, структура и функция которых понятна. Это пены (экзоны и нитроны) и псевдогены, короткие (SINE)и длинные (LINE) диспергированные повторы, длинные концевые повторы (LTR), транспозоны, микросателлиты.}

Выше показано, как выглядит кусок генома человека («50 000 п.н.). Около половины длины этого фрагмента ДНК занимают элементы, структура и функция которых понятна. Среди этих элементов есть гены (экзоны и интроны) и псевдогены — есть гены функциональные, а есть их нефункциональные копии. Они, обычно, не содержат интронов (считается, что после транскрипции и при преобразовании зрелой РНК возможен процесс встраивания ее обратно в геном в виде ДНК-копии; тогда это будет ген, содержащий лишний «хвост» и не содержащий интронов). А также короткие (SINE) и длинные (LINE) диспергированные повторы, длинные концевые повторы (LTR) — следы, оставшиеся после транспозиции, транспозоны, микросателлиты.

К 2001 году в геноме человека было выявлено 1112 "генов болезней" (то есть таких, мутации в которых ведут к заболеванию) и еще есть 94 "составных" гена, образующихся при опухолевых перестройках генома. Пока, в основном, раскрыты по механизму те заболевания, которые затрагивают белок-кодирующую часть гена. Возможно, не меньшее количество мутаций, вызывающих болезни, будет найдено и в участках регуляции транскрипции, сплайсинга и стабильности РНК.

В геноме человека выявлено 1112 “генов болезней” + 94 “составных” гена, образующихся при опухолевых перестройках генома

суммарная частота менделирующих заболеваний <1 % новорожденных

Мутации в кодирующей части гена — лишь часть из возможных причин потери функции. Другая часть — дефекты процессинга генетической информации (сплайсинга, регуляции транскрипции и трансляции)

_{McKusick еа, Science (2001), v291, р.1224}

По представлениям на март 2005 года, у человека 24000 белок-кодирующих генов, из них 1700 генов ассоциированы с заболеваниями. Обнаружено 44,500 мутаций в этих 1700 генах (в среднем 26 на ген), связанных к заболеваниям. А для остальных 10 000 000 известных мутаций подобная связь не выявлена.

20 % смертей в США происходит из-за того, что прием лекарства осуществлялся либо не того, либо не так. Но это связано не с некомпетентностью врачей, а с тем, что мы все генетически разные. У болезней много мишеней и если бить не по той мишени, то лекарство точно не будет полезным, а потому может быть и вредным. У человека может быть специфическая реакция на данное лекарство (слишком низкая или слишком высокая скорость метаболизма). А в нашей стране ведущая пока причина смертей взрослого населения — пьянство. Эта первопричина просто скрыта за определением «травматизм» (производственный, бытовой, дорожный и т. д.), который и указывают как причину смерти. Выявлена корреляция потребления алкоголя в нашей стране и продолжительности жизни: когда, снижается потребление алкоголя, продолжительность жизни идет вверх, и наоборот.

Если два белка характеризуются сходной последовательностью аминокислотных остатков (выше критической длины, до которой совпадения могут быть чисто случайными), то у них есть общая предковая последовательность, и соответствующий предковый ген. Количество таких предковых структур убелков весьма ограничено.

К примеру, был один ген в геноме, а потом их стало два (дупликация). Со временем мутации изменили эти гены каждый по-своему. А потом этот вид дал начало двум новым видам (см. рис. ниже). Все эти гены являются «родственниками» (гомологами), но по-разному называются. Гомологичные гены, которые мы рассматриваем в составе разных видов, называются ортологи, а гомологичные гены в одном геноме называют паралоги.

Гомологичные (сходные) последовательности, вероятно, являются родственными по происхождению, если их длина выше некоторого порога. Для генома человека этот порог равен последовательности длиной в 15 нуклеотидам

4¹⁵ = 10⁹ = длина генома человека в нуклеотидах.

Гомологичные последовательности нуклеотидов в геномах разных видов называются ортологи (А1 и В1; А2 и В2).

Гомологичные последовательности нуклеотидов в геноме одного вида называются паралоги (А1 и А2; В1 и В2)

Сравнения таких родственных генов часто используют при исследовании эволюции. Эволюционная геномика (сравнительная геномика), используется очень интенсивно в медицине. Пример ее практического применения. У людей по разным причинам бывает ожирение. В частности, есть семейные формы, менделирующие. У человека мутации, вызывающие это заболевание, картированы не были. Сходный фенотип ожирения наблюдали у мышей. У мышей этот ген генетически картировали (картируют, на самом деле, не ген, а собственно мутацию в гене). Просеквенировали участок вокруг этой мутации, потом нашли такую же последовательность нуклеотидов в геноме человека. Стало ясно, в каком месте генома человека надо искать мутации, вызывающие ожирение у человека. Проверка этого участке генома человека у больных людей и сравнение его со той же нуклеотидной последовательностью у здоровых подтвердила, что мутации этого гена у человека, как и у мыши, приводят к ожирению.

Изменение популяционных частот аллелей у человека в различной природной и культурной среде

Лекция № 21

В школьном курсе биологии вы узнали, об исследованиях костных останков предполагаемых предков человека и родственных видов, австралопитека, питекантропа, неандертальцев, живших более 500 000 лет назад и исчезнувших к настоящему времени. В этой лекции будет рассказано про то, как генетические исследования помогают восстановить историю народов и историю появления вида Homo sapiens в целом.

То, что обезьяна — близкий родственник человека, известно уже давно, шимпанзе среди всех обезьян — наш самый близкий родственник. При исследовании ДНК происхождение человека от обезьяноподобных предков вполне подтверждается. Генетические различия на уровне ДНК между людьми составляют в среднем 1 нуклеотид из 1000 (то есть 0.1 %), между человеком и шимпанзе — 1 нуклеотид из 100 (т. е. 1 %). По размеру генома человек и высшие приматы не отличаются друг от друга, но отличаются по количеству хромосом — у человека на одну пару меньше. Как было рассказано на прошлых лекциях, у человека 23 пары хромосом, т. е. всего 46. У шимпанзе 48 хромосом, на одну пару больше. В процессе эволюции у предков человека две разных хромосомы приматов объединились в одну. Подобные изменения числа хромосом встречаются и в эволюции других видов. Они могут быть важны для генетической изоляции группы в процессе видообразования, так как в большинстве случаев особи с разным числом хромосом не дают потомства.

Время расхождения (дивергенции) видов, или другими словами, время существования последнего общего предка для двух видов, можно определить несколькими способами. Первый такой: проводят датировку костных останков и определяют,

кому эти останки могли принадлежать, когда мог жить общий предок тех или иных видов. Но костных останков предполагаемых предков человека не так много, чтобы можно было с уверенностью восстановить и датировать полную последовательность форм в процессе антропогенеза. Сейчас используют другой способ датировки времени расхождения человека и остальных приматов. Для этого подсчитывают количество мутаций, накопившихся в одних и тех же генах в каждой из ветвей за время их раздельной эволюции. Скорость накопления этих мутаций более менее известна. Скорость накопления мутаций устанавливают по числу различий в ДНК тех видов, для которых известны палеонтологические датировки расхождения видов по костным останкам. Время расхождения человека с шимпанзе по разным оценкам варьирует от 5,4 до 7 млн. лет назад.

Вы уже знаете, что геном человека полностью прочтен (секвенирован). В прошлом году появилось сообщение, что прочтен также геном шимпанзе. Сравнивая геномы человека и шимпанзе, ученые пытаются выявить те гены, которые "делают нас людьми". Это было бы легко сделать, если бы после разделения ветвей эволюционировали только гены человека, но это не так, шимпанзе тоже развивались, в их генах тоже накапливались мутации. Поэтому, чтобы понять, в какой ветви произошла мутация — у человека или у шимпанзе — приходится сравнивать их еще и с ДНК других видов, гориллы, орангутана, мыши. То есть то, что есть только у шимпанзе и нет например у орангутана, это чисто «шимпанзиные» замены нуклеотидов. Таким образом, сравнивая нуклеотидные последовательности разных видов приматов, мы можем выделить те мутации, которые произошли только в линии наших предков. Сейчас известно около дюжины генов, которые "делают нас людьми".

Филогенетическое древо высших приматов

Генетические различия на уровне ДНК между людьми: 1 нуклеотид из 1000 между человеком и шимпанзе: 1 нукл. из 100

Обнаружены различия между человеком и другими животными по генам обонятельных рецепторов. У человека многие гены обонятельных рецепторов инактивированы. Сам фрагмент ДНК присутствует, но в нем появляются мутации, которые инактивируют этот ген: либо он не транскрибируется, либо он транскрибируется, но с него образуется нефункциональный продукт. Как только прекращается отбор на поддержание функциональность гена, в нем начинают накапливаться мутации, сбивающие рамку считывания, вставляющие стоп-кодоны и т. д. То есть мутации появляются во всех генах, и скорость мутирования примерно постоянная. Удается поддерживать ген функционирующим только за счет того, что мутации, нарушающие важные функции, отбрасываются отбором. Такие инактивированные мутациями гены, которые можно распознать по последовательности нуклеотидов, но накопившие мутации, делающие его неактивным, называются псевдогенами. Всего в геноме млекопитающих около 1000 последовательностей, соответствующих генам обонятельных рецепторов. Из них у мыши 20 % псевдогенов, у шимпанзе и макаки инактивирована треть (28–26 %), а у человека — более половины (54 %) являются псевдогенами.

Псевдогены найдены у человека также среди генов, которые кодируют семейство белков кератинов, входящих в состав волос. Так как волосяной покров у нас меньше, чем у шимпанзе, то понятно, что часть таких генов могла быть инактивирована.

Когда говорят об отличие человека от обезьяны, то в первую очередь выделяют развитие умственных способностей и способность к речи. Найден ген, связанный со способностью говорить. Этот ген выявили, изучая семью с наследственными нарушением речи: неспособностью научиться строить фразы в соответствии с правилами грамматики, сочетавшейся с легкой степенью задержки умственного развития. На слайде представлена родословная этой семьи: кружки — это женщины,

квадратики — мужчины, закрашенные фигуры — больные члены семьи. Мутация, ассоциированная с заболеванием, находится в гене F0XP2 (forkhead box Р2). У человека достаточно трудно исследовать функции гена, легче это делать у мышей. Используют так называемую технику нокаута. Ген прицельно инактивируют, если знать конкретную последовательность нуклеотидов, то это возможно, после этого у мыши этот ген не работает. У мышей, у которых выключили ген F0XP2, нарушилось формирование одной из зон мозга в эмбриональный период. Видимо, у человека эта зона связана с освоением речи. Кодирует этот ген фактор транскрипции. Напомним, что на эмбриональной стадии развития факторы транскрипции включают группу генов на тех или иных этапах, которые контролируют превращение клеток в то, во что они должны превратиться.

Способность говорить

_{Выявлена семья с наследственными нарушениями речи затруднениями движений, связанных с артикуляцией; нарушением разбивания слов на фонемы Мутация, ассоциированная с заболеванием, находится в гене FОXP2 (forkhead box Р2)}

Чтобы посмотреть, как этот ген эволюционировал, его просеквенировали у разных видов: мыши, макаки, орангутана, гориллы и шимпанзе, после этого сравнили эти последовательности нуклеотидов с человеческой.

Оказалось, что этот ген очень консервативен. Среди всех приматов только у орангутана имелась одна аминокислотная замена, и одна замена у мыши. На слайде у каждой линии видны две цифры, первая показывает число аминокислотных замен, вторая — число так называемых молчащих (синонимических) нуклеотидных замен, чаще всего это замены в третьей позиции кодона, не влияющей на кодируемую аминокислоту. Видно, что молчащие замены накапливаются во всех линиях, то есть мутации в данном локусе не запрещены, если они не ведут к аминокислотным заменам. Это не значит, что не появлялись мутации в белок-кодирующей части, они скорее всего появлялись, но были отсеяны отбором, поэтому мы не можем их зафиксировать. В нижней части рисунка схематично изображена аминокислотная последовательность белка, отмечены места, где произошли две аминокислотные замены человека, которые, видимо, повлияли на функциональные особенности белка FOXP2.

Если белок эволюционирует с постоянной скоростью (число нуклеотидных замен в единицу времени постоянно), то число замен в ветвях будет пропорционально времени, в течение которого замены накапливались. Время разделения линии грызунов (мыши) и приматов принимается равным 90 млн. лет, время разделения человека и шимпанзе — 5.5 млн лет. Тогда количество замен ш, накопившихся, накопившихся суммарно в линии мыши и в линии приматов между точкой разделения с мышью и точкой разделения человека и шимпанзе (см. рисунок), по сравнению с числом замен h в линии человека, должно быть в 31.7 раз больше. Если же в линии человека накопилось больше замен, чем ожидается при постоянной скорости эволюции гена, то говорят об ускорении эволюции. Во сколько раз ускорена эволюция, вычисляют по простой формуле:

А.I. = (h/5.5)/[m /(2 х 90 — 5.5)] = 31.7 h/m

Где A.I. (Acceleration Index) — индекс ускорения.

Теперь надо оценить, находится ли отклонение числа замен в линии человека от в пределах случайного, или отклонение достоверно выше ожидаемого. Вероятность того, что в линии человека за 5.5 млн. лет появится 2 аминокислотные замены при том, что вероятность появления замен оценивается по линии мыши как 1/(90+84.6)=1/174.6. При этом используют биноминальное распределение B(h + m, Th/(Th+Tm)), где h — число замен в линии человека, m-число замен в линии мыши: Th=5.5, Tm=174.5.

Попробуйте самостоятельно рассчитать вероятность в приведенном примере.

Генетическое разнообразие современного человечества

Вы знаете, что антропологи подразделяют людей на три большие расы: негроиды, европеоиды и монголоиды. Представители этих рас отличаются цветом кожи, формой тела, разрезом глаз и т. д. Но на самом деле четкие различия между разными людьми, относящимся к разным расам, имеются только если мы возьмем географически отдаленные группы. Если посмотреть на все разнообразие антропометрических признаков в целом, то окажется, что четких различий нет, существует множество переходных форм. Почему и как у людей сформировались внешние различия, где и когда зародилось человечество?. Чтобы ответить на этот вопрос в 1985 году Алан Уилсон — американский генетик — вместе со своей группой исследовал митохондриальную ДНК (мтДНК), которая передается, как известно из прошлых лекций, только по материнской линии (обозначена красным). Y-хромосома передается же только по отцовской линии (синяя линия), серой линией обозначена передача аутосомной ДНК, то есть весь остальной геном, передающийся нам от всех наших предков.

Y-хромосоме не с чем рекомбинировать, поэтому она, в отличие от рекомбинирующих аутосом, передается из поколения в поколение от отца к сыну неизменной. Изменения происходят в ней только за счет новых мутаций. То же и с мтДНК.

Генетическая карта мтДНК показана на рисунке, разным цветом показаны разные гены. У человека ее размер составляет 16 500 нуклеотидов.

Генетическая карта мтДНК человека (размер 16500 п.н.) Указано положение мутации, маркирующим разные линии.

Из-за того, что система репарации в митохондриях работает не так, как в ядре, скорость накопления мутаций в мтДНК в 10 раз больше, чем в ядерной. В ней есть один интересный участок примерно в 300 нуклеотидов (показан сверху на рисунке), называемый некодирующим или гипервариабельным, в котором скорость накопления мутаций в 10 раз выше, чем в остальной части мтДНК. Он очень интенсивно изучается. На рисунке стрелками показаны положение известных мутаций в мтДНК и разными буквами указаны линии, маркируемые этими мутациями. Скорость накопления нуклеотидных замен в гипервариабельном участке мтДНК человека: 1 нуклеотид в 18–20 тысяч лет. Максимальные отличия между мтДНК у двух разных людей 22 нуклеотида. Генетическое разнообразие в эволюционно родственной группе, например, среди членов одной этнической группы, меньше. Например, максимальное число отличий в гипервариабельном участке мтДНК между индивидами у русских — 4 нуклеотида. Скорость накопления замен у человека рассчитывается по сравнению с числом замен, возникших после дивергенции человека и шимпанзе, и, в зависимости от того, какая дата расхождения этих видов принята за основу расчетов (5.5 или 7 млн. лет), полученные генетические датировки событий популяционной истории колеблются на 20–30 %. Что сделал Алан Уилсон?

Реконструкция происхождения Homo sapiens по различиям в митохондриальной ДНК

Он собрал кровь у людей разной расовой принадлежности (красные кружки на рисунке), исследовал мутации в мтДНК и выстроил дерево, в котором родственные последовательности, отличающиеся одним нуклеотидом, находились рядом, отличающиеся двумя нуклеотидами находились подальше друг от друга, и т. д. В конце концов, у него получилось дерево, восходящее к одному корню, показанному желтым кружком. Все линии возле корня оказались африканскими, из чего был сделан вывод об африканском происхождении человека. Гипотетическую прародительницу, обладавшую мтДНК с рассчитанной последовательностью нуклеотидов, окрестили митохондриальной Евой, из-за чего неспециалисты стали писать, что Библия подтвердилась, что все человечество произошло от одной женщины Евы, жившей в Африке. Это неверно, так как она жила там не одна, при исследовании других генетических локусов было показано, что предковая популяция человека составляла 5 тыс. человек, просто одна из линий мтДНК дошла до нас, остальные линии потерялись. Это может произойти, когда у женщины рождаются только сыновья или она бесплодна. Точка, к которой сходятся линии, называется точкой коалесценции. Проводившиеся дальнейшие исследования, покрывающие практические весь земной шар, подтвердили выводы Уилсона. Датировка точки коалесценции — от 100 до 200 тыс. лет назад (последние оценки показывают 130–180 тыс. лет). Удалось выделить мтДНК из двух образцов костей неандертальцев. Неандертальцы также относятся к роду Homo (лат. называние Homo neanderthalensis) Один, из пещеры Фельдгофер (не датирован) и второй на Кавказе в пещере Мезмай (останки датируются радиоуглеродным методом 29 тыс. лет назад). Гипервариабельный участок в мтДНК неандертальцев отличался от человеческой 24 заменами, что, как формулируют генетики, выходит за пределы видового разнообразия человечества. Молекулярно-генетическая датировка расхождения линий человека и неандертальца — примерно 500 тыс. назад. По палеонтологическим данным, предки неандертальца поселились в Европе 300 тыс. лет назад. Вымерли неандертальцы 28–30 тыс. лет назад. Так как люди пришли в Европу 40–50 тыс. лет назад, то на протяжении 20 тыс. лет они сосуществовали с неандертальцами, а затем неандертальцы вымерли.

Предки неандертальца поселились в Европе 300 тыс. лет назад. Неандертальцы вымерли 28–30 тыс. лет назад

_{Пунктиром очерчен район находок останков неандертальцев. Отмечено положение пещер Фельгофер и Мезмайская}

Все генетические корни человека уходят в Африку, численность предковой группы человека была 100 тыс. человек, затем был период резкого падения численности в 10 раз, как раз это время генетики считают временем схождения разных линий — датой точки коалесценции (так называемое время прохождение через "бутылочное горлышко"). Генетики считают, что именно в это время появился вид Homo sapiens. У антропологов дата появления человека — 2 млн. лет назад. На самом деле это время появления рода Homo. Можно столкнуться с тем, что неандертальца также считают подвидом Homo sapiens (называя его в этом случае Homo sapiens neanderthalensis) вместе с человеком вида (Homo sapiens sapiens). Однако критерий принадлежности к одному виду — появление при скрещивании потомства, что генетики отрицают, так как генетическое разнообразие у человека было бы гораздо больше, если бы оно накапливалось 500 тыс. лет, а не 100 или 200 тыс. лет. Раньше, в середине 20-го века предполагали, что неандерталец — предок человека. Однако сейчас ясно, что он наш эволюционный "двоюродный брат".

Если более крупно и подробно нарисовать это дерево мтДНК всего человечества, то получится такая картинка:

Древо мтДНК

Красные кружочки на рисунке обозначают мтДНК современных людей, а само это дерево — гипотетическое, потому что есть очень немного образцов древних ДНК. Сначала отделились ветви на древе, которые сейчас находятся в Африке. Затем от одной из африканских ветвей отделилась ветвь, которая ушла в Азию. Там эта популяция поделилась на часть, которая ушла в Австралию и Океанию, и оставшуюся часть, которая поделилась на европейскую и азиатскую ветки. От последней отделилась группа, которая ушла в Америку. (Даты на рисунке — по количеству накопившихся мутаций митохондриальной ДНК).

Если это дерево положим на географическую карту, то увидим, как и когда люди расселились по Земле. Корень дерева — в Африке, потом ветвь идет в Азию, потом от азиатской ответвились все европейские линии митохондриальной ДНК.

Ниже показано упрощенное древо человечества по Y хромосоме. В Y хромосоме появляются мутации, и если у одного из братьев появилась мутация, то он дал начало новой генетической линии. Каждая линия датируется по числу мутаций, отличающей ее от остальных. Ниже для примера показана область распространения линий. Самая древняя — в Африке, следующая — расселение вокруг Средиземного моря, и более молодая линия заселяет Северную Евразию.

Древо линий Y хромосомы человека

_{Каждая линия cooтветствует появлению мутации. Даты, тыс. лет назад. указывают распространение этих мутаций (в маркированных или линий) в популяциях.}

По времени события развивались так. Вначале люди появились в Африке. Точное место назвать нельзя, но наиболее древние линии встречаются у некоторых этнических групп в Танзании и Субсахарской Африке (у бушменов и готтентотов). Потом они разделились на группы, одна из которых около 90 000 лет назад вышла в Восточное Средиземноморье (Левант). Эта группа затем полностью вымерла. Раньше считалось, что из Африки люди вышли через Левант, это на самом деле не так: первая попытка выхода около 90 000 лет назад оказалась неудачной — люди вымерли, и территория была заселена неандертальцами, которые потом тоже вымерли. Люди выходили из Африки при потеплении, вслед за животными, на которых они охотились, и за растениями, которые они ели. В благоприятных условиях численность популяции росла, и они расселялись на новые территории.

Следующая попытка выхода из Африки осуществилась по южному пути, через Южную Аравию. Преимущества этого пути заключалось в получении бесконкурентного источника питания — моллюсков (их раковину практически никто из животных не может разбить). Вышли они около 80 000 лет назад, а 74 000 лет назад случилось извержение вулкана Тоба, которое привело к экологической катастрофе — похолоданию по сценарию "ядерной зимы". Слой пепла, оставшегося после этого извержения, достигает 3 метров. И, видимо, люди здесь вымерли, потому что потом территория Индии повторно заселялась с двух сторон. Далее люди заселили очень благоприятную для проживания территорию Юго-Восточной Азии. Там береговая линия была другой, не такой, как сейчас, водные промежутки были не очень большими, и, скорее всего, люди уже умели плавать на плотах. Около 60 000 лет назад они добрались до Австралии, около 50 000 они появились в Европе, а затем во время потепления была заселена вся Евразия. Предполагается, что около 25 000 лет назад была первая волна расселения в Америку. Тогда туда можно было пройти по суше. На месте Берингова пролива была суша Берингия. Эта первая волна вызывает очень много споров — была ли она на самом деле или нет. А 12–15 тыс. лет назад пошла вторая волна расселения, которая не вызывает уже никаких сомнений (есть археологические данные, подтверждающие этот факт).

Около 10–11 тысяч лет назад появляется земледелие на Ближнем Востоке. Плотность населения земледельцев была в 10 раз больше плотности населения охотников — собирателей. И эти земледельцы начинают расселяться во все стороны; идет вторая волна заселения территорий, на которые уже живут охотники-собиратели.

Когда люди расселялись в разные стороны, мутации в географически изолированных популяциях накапливались, давая начало новым генетическим линиям. Но популяции не только разделялись, в какие-то периоды они смешивались.

На карте ниже обозначены народы бывшего СССР и сопредельных стран для того, чтобы можно было представить, каковы разные этнические группы, населяющие эту территорию. Этнический ареал русских, т. е. та область, где они сформировались, не очень большой, несмотря на то, что сейчас русские составляют около 80 % населения России.

Народы бывшего СССР

Следы смешения народов можно найти в их генах. На рисунке частоты европейских и азиатских линий мтДНК для некоторых народов, населяющих Россию.

Относительные частоты европейских и азиатских линий у народов европейской части России.

_{Исследованные народы относятся к разным языковым семьям: индо-европейской, уральской, алтайской}

На карте доля европейских линий показана синим, а азиатских — желтым. Видно, что генетическая граница между Европой и Азией проходит там же, где и географическая — по Уралу.

Расселяясь по земле, люди оставляли по земле генетический след расселения, потому что, если какие-то мутации были частыми у африканских линий, то когда люди уходили, накапливались другие мутации, чем дальше они уходили, тем больше их накапливалось. Есть определенный градиент частоты разных аллелей по долготе — это и есть след расселения. Но есть и другие причины изменения частот аллелей. С расселением связывают очень интересный ген, дофаминовый рецептор, DRD4, связанный с поведением человека, с такой психологической характеристикой как стремление к новым впечатлениям (она тестируется по психологическим опросникам). Один из аллелей этого гена, называемый R7, ассоциирован с более высоким уровнем стремления к новым впечатлениям. Журналисты иногда называют это ген геном «авантюризма». Частота аллеля сильно варьирует в разных популяциях. Например, в Европе частота составляет 10–15 %, на Севере Америки — 40 %, а в Южной Америке доходит до 70 %. Американский психолог Майкл Бертон выдвинул гипотезу о том, что когда народы расселялись по Земле, уходили с обжитого места именно люди с повышенной частотой этого аллеля.

Генетические различия между разными популяциями могут быть связаны с адаптацией к факторам внешней среды, таким как климат, природные условия или к особенностям питания и типу хозяйства (производящее или присваивающее), к эндемичным инфекциям и некоторым другим факторам.

Адаптация к геоклиматическим факторам

Наиболее известный признак, связанный с адаптацией к климату — цвет кожи. Там, где ультрафиолет наиболее интенсивен — там самая темная коже у людей. В северных широтах кожа у людей самая светлая, если бы это было не так, у детей был бы рахит, так как темная кожа защищает от ультрафиолета, под действием которого вырабатывается витамин Д. Витамин Д необходим для усвоения кальция. Интенсивность кожной пигментации связана с накоплением пигмента меланина, которое контролируется белком мелонокартиновым рецептором. Ген, кодирующий данный белок, исследован у разных народов, и было показано, что накопление мутаций, ведущих к ослаблению пигментации, происходило у жителей Азии и Европы. Интересен тот факт, что хотя у народов Африки самое высокое генетическое разнообразие, по этому гену мутации там отсутствуют, так как светлая кожа там неадаптивна. На рисунке показано широтное распределение кожной пигментации.

Цвет кожи в различных регионах мира

Интенсивность кожной пигментации негативно коррелирует с широтой, хотя встречаются некоторые исключения. Например, у эскимосов кожа немного темнее, чем у других популяций, живущих на той же широте. Предполагается, что это из-за того, что они пришли из более южных районов в недалеком прошлом и не успели адаптироваться, или из-за того, что они много едят печени морских животных, где много витамина Д.

Рост и форма тела также являются адаптацией к климатическим условиям. На севере выгоднее всего быть низкого роста, с более короткими конечностями, так как будут наименьшие потери тепла через кожу, на юге — наоборот, худым и высоким, чтобы больше терять тепло.

Рост и форма тела — адаптация к климатическим условиям

Адаптация к особенностям питания и типу хозяйства

После перехода от присваивающего хозяйства многое изменилось: от кочевого образа жизни люди перешли к оседлому, питание стало более однообразным (вместо десятков диких растений и животных), возросла плотность населения и возникли более благоприятные условия для распространения инфекций.

Раньше всего земледелие появилось на Ближнем Востоке в районе Месопотамии, в так называемом «плодородном полумесяце» (здесь очень благоприятный климат), затем в Китае. Здесь начали выращивать рис через 2000 лет после появления земледелия в Месопотамии. И еще через несколько тысяч лет появились независимые самостоятельные зоны земледелия в Америке, а только потом и в Африке.

После появления земледелия возросла частота нарушений зрения, например, дальтонизма. Понятно, почему — альтернатива такая: либо дальтоник, либо охотник. От успеха на охоте зависит количество детей; женщины предпочитают выбирать хороших охотников себе в мужья, так что у хорошего охотника больше шансов оставить потомство. Частота нарушения цветового зрения в обществах, где вклад охоты-собирательства 15 % и выше, близка к нулю. У индустриализованных странах частота дальтонизма может достигать 7 %.

У охотников-собирателей редко встречаются нарушения цветового зрения

_{Популяционная частота нарушении цветового зрения (частоты для 19 этнических групп, по Рычков и др. 2000)}

Есть еще один интересный ген, связанный со способностью пить молоко. Все млекопитающие кормят своих детенышей молоком, и чтобы расщеплять молочный сахар лактозу в кишечнике детеныша вырабатывается фермент лактаза. И у всех нормальных млекопитающих по окончании периода грудного вскармливания лактаза перестает синтезироваться, потому что в дикой природе им молоко больше никто не даст.

Так же было и у людей, пока у них не появилось молочное животноводство. С его появлением, стало выгодно пить молоко и взрослым, так как оно является ценным пищевым ресурсом. Но дело в том, что если взрослый человек, у которого лактаза не синтезируется, пьет молоко, ему становится очень плохо, у него вздувается живот и начинается понос. Это происходит, потому, что сахар, нерасщепленный лактазой в кишечнике, перерабатывается бактериями, которые на него бурно набрасываются и расщепляют его с выделением водорода. Человек становится похожим на шарик, наполненный водородом, что порождает массу неприятных симптомов. В норме синтез лактазы прекращается примерно в пять лет. Охотники-собиратели кормят своих детей грудью до трех-пяти лет. Но у европейцев распространилась мутация, которая препятствует отключению фермента в пятилетием возрасте. Эта мутация найдена, она находится в регуляторном участке гена лактазы. У 90 % взрослого населения датчан синтез лактазы продолжается. У китайцев только 2 % взрослого населения способны усваивать молоко, но они все равно его не пьют, в их культуре это не принято, они молоко за еду для взрослых не считают. Среди русских 30–40 % взрослых не могут пить молоко. Есть корреляция с широтой частоты этой мутации — на севере молоко важнее как источник кальция, так как там меньше интенсивность ультрафиолетового излучения.

Частота переносимости/непереносимости молочного сахара лактозы

_{Козлов А.И., Балановская Е.В., Нурбаев С.Д., Балановский О.П. Геногеография первичной гиполактатки в популяциях Старого Света. Генетика, 1998, 34 (4): 551–561 с разрешения А.И. Козлова}

Еще один интересный ген — аполипопротеин Е. О нем уже шла речь на одной из прошлых лекциях. Разные аллели этого гена связаны с разными уровнями холестерина. Самый высокий уровень — у носителей аллеля е4. Уровень холестерина разный у разных этнических групп. У европейцев частота этого аллеля 5-15 %, и он ассоциирован с рядом болезней, в том числе с болезнью Альцгеймера. У гомозигот по аллелю е4 вероятность заболеть старческим слабоумием выше в 10 раз, чем у тех людей, у которых этого аллеля нет. На севере уровень холестерина и частота е4 больше, чем на юге. На экваторе частота аллеля е4 около 3–5 %. У лапландцев (саамов) — 20–30 %. У бушменов он достигает 40 %, но никакой болезни Альцгеймера у них нет. И не потому, что они не доживают до такого возраста, просто у них этот ген ни с какими рисками не ассоциирован. Когда это было обнаружено, выдвинули предположение, что этот ген относится к так называемым «жадным» генам. Раньше была низкохолестериновая бессолевая диета, и сахар тоже охотникам-собирателям никто просто так не давал. И им приходилось эти ценные вещества эффективно усваивать из той пищи, которая была им доступна. Теперь сахар, соль и масло продаются в любом магазине, а организм человека «заточен» на то, что это ценные вещества, и людям кажется, что они вкусные. И те гены, которые раньше помогали человеку запастись необходимыми веществами, стали аллелями риска. Иногда их называют «жадными» генами. Те гены, которые обеспечивали эффективное поглощение холестерина, стали факторами риска атеросклероза; те, которые обеспечивали эффективное поглощение соли — факторами риска гипертонии, сахара — факторами риска диабета.

Когда исследовали питание бушменов — охотников-собирателей, живущих в Южной Африке, оказалось, что оно соответствующим рекомендациям ВОЗ по общему балансу белков, жиров, углеводов, витаминов, микроэлементов и калорий. Они ведут тот образ жизни, к которому человек приспособлен лучше всего. Биологически человек и его непосредственные предки на протяжении сотен тысяч лет адаптировались к образу жизни охотников-собирателей. Рекомендации врачей по поддержанию здоровья — физическая активность, прием витаминов и микроэлементов, ограничение соли и т. п. по сути, искусственно воссоздают условия, в которых человек жил большую часть времени своего существования как биологического вида.

Инфекции как фактор отбора

Серповидноклеточная анемия — это смертельная болезнь крови. Ею болеют гомозиготы по мутации в гене гемоглобина. Распространена эта болезнь в тропическом поясе. Оказалось, что эта мутация выгодна для гетерозигот, потому что от анемии они не умирают, зато малярийный плазмодий в их эритроцитах размножается гораздо хуже. Это открытие было сделано, когда американские солдаты в середине 20-го века находились в Корее. То, что в этой зоне распространена малярия, — хорошо известный факт. Это очень тяжелая болезнь, и чтобы защитить солдат от этой болезни, им давали противомалярийные лекарства. Эти препараты ингибируют развитие плазмодиев. Многих солдат эти лекарства спасли, но некоторые солдаты умерли непосредственно от самого лекарства. Причем умерли только либо афроамериканцы, либо те солдаты, которые происходили из Италии или Испании. Когда провели расследование этого случая, выяснилось, что они как раз были носителями этих мутаций, которые защищали их предков от малярии, а у них стала причиной смерти от противомалярийных препаратов. Частота мутаций, защищающих от малярии, достигает 20 % в тех регионах, где люди более всего страдают от этой инфекции, и быстро снижается по мере удаления от тропической зоны.

Серповидноклеточная анемия и малярия

Есть мутации, защищающие от вируса иммунодефицита. На одной из предыдущих лекций было рассказано, что ВИЧ проникает в клетку, связываясь с рецептором. Есть люди, у которых этот рецептор отсутствует. Называется этот рецептор — хемокиновый рецептор CCR5. Найдена мутация в кодирующем его гене, делеция 32 нуклеотидов, (мутантный аллель называется CCR5delta32) которая прерывает синтез белка.

ВИЧ протективные мутации CCR5A32,CCR2-64I, SDF1-3'

_{Эти гены кодируют рецепторы, с которыми связываются вирус.}

Есть мутации в других генах, выше приведен пример с двумя генами. На рисунке выше показаны результаты обследования выборки приблизительно двух тысяч человек. Часть из них умерла к концу исследования, длившегося 15 лет. Около 65–70 % людей, у которых нет ни одной протективной мутации, при наличии инфекции умерло. У людей, у которых есть три протективных мутации, симптомы СПИДа не проявлялись на протяжении достаточно большого периода времени, и лечению они поддавались значительно лучше. Правда, людей с тремя мутациями было всего несколько человек.

Частота этой мутации (делеции в гене CCR5) у русских — 15 %. Несложно подсчитать, что 1 % русских гомозиготен по этой мутации и устойчив к заражению СПИДом половым путем. Но, тем не менее, никто никаких экспериментов подобного рода на них не ставит, потому что защита не абсолютная, и при инъекционном заражении никакие мутации не помогут. На рисунке представлена карта частоты делеции CCR5delta32 на территории Евразии. Предполагается, что в прошлом какая-то свирепствовавшая в Европе мутация провела отбор по этой мутации.

Географическое распределение частоты ВИЧ-протективной мутации CCR5delta32

Генетическая детерминация химических зависимостей

Сейчас установлено, что в развитие как химических, так и поведенческих зависимостей вклад наследственности составляет 40–60 %. Вклад наследственности определяется по близнецовым исследованиям. Если монозиготные близнецы по дан ному признаку больше похожи друг на друга, чем дизиготные, значит, наследственность работает. Когда признаки совпадают, близнецов называют конкордантными по данному признаку. Ниже показаны результаты таких исследований на примере зависимости от кокаина. Уровень конкордантности монозиготных близнецов при злоупотреблении кокаином достоверно выше, чем дизиготных. Вывод — развитие злоупотребления кокаином зависит от генов, не только от среды.

Выявлены две группы генов, связанные с развитием зависимостей:

1. Гены, связанные с работой системы положительного подкрепления (преимущественно рецепторы и транспортеры нейромедиаторов). Когда вы сделали что-нибудь хорошее для своего организма, то система подкрепления дает сигнал, что все хорошо. То есть, в лимбической системе мозга вырабатывается дофамин, рецептор воспринимает дофамин, сигнал идет дальше и организм знает, что все хорошо. Когда дофаминовый рецептор слабо чувствителен, необходимо увеличить дозу дофамина. Наркотическая зависимость возникает, потому что наркотики действует на эти рецепторы впрямую, обманывая организм, подавая ему ложный сигнал «все в порядке» даже в том случае, когда человек близок к смерти.

К этой же группе генов также относится ген транспортер серотонина. Серотонин — это нейромедиатор, участвующий в передаче сигналов в мозге. В ряде работ показано, что различия в активности этого гена связаны со склонностью к депрессиям.

2. Гены метаболизма алкоголя и наркотиков. В организме алкоголь окисляется в альдегид, а потом — в кислоту. В гене алкогольдегидрогеназы ADHlb имеется точечная мутация, ведущая к аминокислотной замене (аргинин на гистидин), от чего сильно увеличивается скорость работы фермента. И этанол начинает быстро перегоняться в альдегид. А альдегид — это как раз то «злобное» вещество, которое вызывает неприятные ощущения после приема спиртного, похмелье. Когда алкоголики похмеляются, они пьют спирт, подстегивая тем самым работу ферментов метаболизма алкоголя, и весь накопившийся альдегид при этом может окислиться дальше (до тех пор, пока ферментные системы печени не истощены регулярным приемом алкоголя). Носители мутации (она называется ADH1B*47His) обладают повышенной чувствительностью к алкоголю.

Частота этой мутации, которая ведет к быстрому росту концентрации альдегида в крови, разная у разных народов. У финнов — 0, у русских — 6 %, у якутов — 16 %, у китайцев — 76 %, у тайванцев — 86 %. Фермент перерабатывающий альдегид, также может иметь разную активность. Если он неактивен, то от очень маленьких доз спиртного человеку становится очень плохо — концентрация альдегида в его крови в 30 раз выше, чем у «устойчивого» индивида при тех же дозах этанола. Частота неактивного аллеля альдегидегидрогеназы также высока в Юго-Восточной Азии и составляет там 30–50 %. В Японии аллель выявлен у 2 % алкоголиков и 44 % неалкоголиков. Гомозиготы по альдегиддегидрогеназе ALDH2 практически не встречаются среди больных алкоголизмом.

Риск развития алкоголизма в 100 раз выше при сочетании (1), чем при сочетании (2), показанным на рисунке. Ген ADH1b может быть вовлечен в адаптацию к внешней среде: показано, что в Юго-Восточной Азии высокая частота аллеля ADHlb*47His обусловлена действием отбора, тогда как в других регионах преобладает предковый вариант ADHlb*47Arg. Возможными факторами отбора могли быть какие-либо особенности диеты или инфекции.

Гены метаболизма алкоголя и риск развития алкоголизма

Риск развития алкоголизма в 100 раз выше при сочетании (1), чем при сочетании (2)

_{Распространенность аллеля ALDH2*2 (фермент не активен) у монголоидов 30–50 %}

_{В Японии аллель выявлен у 2 % алкоголиков. 44 % неалкоголиков}

_{Гомозиготы по алкогольдегидрогеназе ALDH2*2/2 практически не встречается среди больных алкоголизмом}

_{Частота аллеля ADH1b*47Hi$}

_{финны — 0, русские — 6 %,якуты -16 %, китайцы 76 %}

Экология

Лекция № 22

Д. И. Люри

ЭКОЛОГИЯ (ойкос — «дом, жилище») — наука о взаимоотношениях между организмами и средой их обитания. Такое определение дал классик современной экологии Ю. Одум в 1975 году. Но изначально термин был предложен Э. Геккелем в 1866 г. Как наука, экология сформировалась как раздел биологии примерно к 1900 г. Чем же занимается экология? Есть много подразделений экологии, здесь дана упрощенная схема.

1. Один из крупных блоков экологии — биоэкология, наука о взаимодействии организмов с окружающей средой. Один из ее подразделов — аут-экология, изучающая взаимодействие видов с окружающей средой. На слайде представлена фотография птенцов белоголового орлана, по отношению к ним, а также и к любому другому виду аут-экология изучает ареал распространения вида, его экологическую нишу, то есть в каких пределах температуры, влажности, скоростей ветра, живет орлан, чем он питается, где гнездится, какие есть влияющие на его жизнь экологические факторы — паразиты, хищники, жертвы, как происходит динамика популяции, адаптацию к окружающей среде и т. д. Другой раздел — син-экология, изучающая закономерности образования сообществ, а также взаимодействие этих сообществ с окружающей средой. На слайде показана астраханская степь, в которой живет орлан. Синэкология изучает проблемы объединения разных видов в общую экосистему-биогеоценоз, пищевые цепи, как по этим цепям движется энергия, трофические пирамиды (как вещество и энергия движется по цепям), потоки энергии и круговороты веществ в экосистемах.

2. Второй крупный блок — социоэкология, изучающая взаимодействие человеческого общества с окружающей средой. Она тоже делится на две части. Первая — экология человека, изучающая влияние окружающей среды на здоровье и жизнедеятельность человека, как биологического вида, а конкретно комфортность среды для человека, влияние ядовитых и токсичных веществ, заболеваемость, системы жизнеобеспечения и т. д. Вторая часть — социо- или геоэкология, изучающая взаимодействие цивилизаций, создаваемых ею систем, с окружающей средой, а конкретно загрязнение среды, деградация экосистем, экологические кризисы, проблемы устойчивого развития и т. д. На слайде показано поле, на котором выращивают бахчевые культуры. Такое поле используется всего три — четыре года, после этого оно становится непригодным.

3. Третий блок — прикладная экология, занимающаяся созданием техники, технологий и методов для:

• минимизации воздействия человека на среду,

• контроля за ее состоянием,

• управления средой,

• охраны природы и рационального природопользования,

• систем жизнеобеспечения и др.

Кроме перечисленных выше направлений есть еще псевдоэкология (экология культуры, мышления, разума, стеклопакетов и т. д. и т. п.), служит для привлечения денег, клиентов и прочих благ. Экология — «несчастная» наука, стала она несчастной лет 20 назад, когда политики и журналисты ее очень полюбили и стали использовать этот термин вне связи с его научным содержанием.

В этой лекции будет преимущественно рассказано про социоэкологию. В сферу внимания социоэкологии входит:

• влияние природных факторов на развитие цивилизации

• влияние человеческой деятельности на окружающую среду

• деградация окружающей среды, загрязнение и др.

• закономерности ресурсопользования и управление ресурсами

• экологические угрозы

• экологические кризисы

• устойчивое развитие: правила и способы перехода

• экономическая и внеэкономическая оценка стоимости природных ресурсов

• ренатурализация и рекультивация нарушенных экосистем

• правила сохранения природных экосистем и биоразнообразия

Сейчас идут разговоры об изменении климата. Является ли это следствием деятельности человека или нет, как оно подействует на человека? На этот вопрос сейчас нет однозначного ответа. Также существует проблематика экологической угрозы, попытки оценить экономически и внеэкономически стоимость природных ресурсов. Возьмем, например, лес. Ясно, сколько стоит древесина, ягоды, пушнина в отдельности. Но также ясно, что лес не сводится к этим ресурсам, он еще очищает воздух, запасает углерод и т. д. Возникает вопрос, как это оценить? Это огромная проблема во всем мире. В нашем современном рыночном мире то, что не имеет стоимости, не включается в систему цивилизации, в какие-либо программы охраны.

Можно ли выделить основную проблему геоэкологии, такую, от которой зависят ответы на частные вопросы? Ее можно сформулировать так: является ли цивилизация составной частью системы биосферы или самостоятельной системой — биосферопользователем? В первом случае есть механизмы, регулирующие развитие цивилизации, направленные от биосферы к цивилизации, то есть цивилизация включена в систему биосферных процессов, во втором случае таких механизмов нет и цивилизация "сидит" на биосфере как спрут.

От ответа на этот вопрос зависят стратегии выживания человечества. Понятно, что человек — потребитель ресурсов (сам он ресурсом не является, разве что для комаров). Потребителей (называемых в экологии консументами первого порядка, консументами второго порядка) очень много, однако они никогда не смогут «съесть» свою экосистему, потому что существуют механизмы регуляции их численности. Это проиллюстрировано на следующем рисунке:

Динамика численности «потребителя» при наличии (А) и отсутствии (Б) регулирующих связей с «ресурсом»

На верхнем графике показаны колебания численности рыси и зайца по данным о закупках шкур этих зверей компанией Гудзонова залива. Это классическая схема колебания численности зверей при наличии механизмов их регуляции. Рысь никогда не сможет съесть всех зайцев, так как существуют механизм регуляции. В более упрощенной схеме (справа вверху) колебания выравниваются и численность колеблется около среднего значения.

Совершенно по-другому ведет себя система, если нет регулирующих связей (нижний график). Есть какая-то питательная среда, туда «высевается» жертва, после в пробирку запускают хищника, который съедает жертву и затем сам погибает от голода.

Какая из этих схем соответствует отношениям цивилизации и биосферы?

Существуют два подхода к разрешению этого вопроса. Первый подход, которого, к сожалению, до последнего придерживалось большинство ученых, представляет человека как биосферопользователя. Этот подход представлен в ставших классическими работах супругов Даниелы и Денниса Медоузов и Й.Рандерса, выполненных под эгидой Римского клуба (организация, созданная 100 крупнейшими промышлен никами, они дают заказы ученым, которые пишут книги на заказанные темы). Это работы «Пределы роста» (1972 г.) и «За пределами роста» (1992 г.). На схеме из этой книги человек представлен системой, стоящей на потоке, переводящей энергию высокого уровня и ресурсы в отходы.

Человек здесь представлен как система, стоящая на потоке, превращающая энергию высокого уровня (солнечную энергию, нефть) и ресурсы (древесину, полезные ископаемые) в энергию низкого уровня, словом, ресурсы в отходы.

Смысл работы в том, что источники ресурсов и стоки имеют свои пределы. Человечество близко подошло к этим пределам, и из-за экспоненциального роста скоро эти пределы перейдет. Выход за эти пределы грозит катастрофой, разрушением биосферы, а вместе с этим и разрушением человечества в целом. Так, как это было представлено с моделью хищника и жертвы в пробирке.

Какие существуют ограничения по использованию ресурсов? Из 3.2 млрд. га максимально возможных зеленых ресурсов (то есть если мы сведем все леса) мы используем 1.5. Использовали уже почти половину доступных водных ресурсов, треть лесных и т. д. Согласно этим расчетам, 10 % стоков уже заполнено.

Сценарии будущего по модели МИР-3

Если вложить в эту модель удвоенные значения пределов, то есть если у нас в 2 раза больше ресурсов, чем мы сейчас думаем, и если у нас будут сверхмощные, безотходные технологии переработки, картина принципиально не изменится, только сдвинется на 20–30 лет.

Сверху показана схема оптимистического сценария. Если в 1995 г принята программа стабилизации населения (1 семья — 2 ребенка), внедрены безотходные и ресурсосберагающие технологии, удвоенные значения пределов. Все это приводит к тому, что в 2005 г. ситуация стабилизируется. Но так как ничего не сделано, Медоузы разработали модель, когда меры приняты в 2015 г. Тогда ситуация несколько ухудшается, а затем стабилизируется. И чем позже приняты меры, тем больше "оптимистический" сценарий приближается к стандартному.

Что же предлагается в социально-экономическом отношении:

• Скорейшее прекращение роста населения (к 2015 г.: 1 семья — 2 ребенка, эффективность контроля -100 %).

• Стабилизация промышленного производства на уровне 350$ на человека в год (это примерно Южная Корея или в два раза больше, чем Бразилия в 1990 г.).

• Внедрение «безотходных» и ресурсосберегающих технологий (снижение ресурсопользования и загрязнения до уровня 1975 г.).

В отношении ресурсопользования:

• Темпы потребления возобновимых ресурсов не должны превышать темпов их регенерации.

• Темпы потребления невозобновимых ресурсов не должны превышать темпов их замены на возобновимые (очень сложно выполнить в практическом смысле, т. е. наращивать добычу нефти так, чтобы вкладывать в лесоразведение, чтобы количество энергии в новых лесах было таким же, как в использованной нефти)

• Темпы выбросов загрязняющих веществ не должны превышать темпов их природной «переработки» (очистки).

Требования очень жесткие. Но они мягкие по сравнению с другой теорией.

Вторая теория, называемая «теорией золотого миллиарда» принадлежит физику

В.Г. Горшкову, разработана в 1990–1995 гг. Она говорит о следующем:

1. Биосфера представляет собой систему, работающую по принципу Ле Шателье (компенсация внешних воздействий внутренними механизмами).

2. Действие этих механизмов устойчивости обеспечивается «невозмущенной биотой», т. е. ненарушенными природными экосистемами.

3. Разрушение природных экосистем приводит к потере устойчивости биосферы, ее разрушению и последующей гибели цивилизации

4. Современная цивилизация уже превысила пределы возмущения биоты, что привело к нарушению принципа Ле Шателье (биосфера, теряющая управляемость — об этом говорит изменение климата, нарушение/размыкание круговоротов, загрязнение среды и др.).

Устойчивость суши, по его мнению, была нарушена в середине XVIII века, до начала XX века устойчивость биосферы поддерживалась за счет океана, после чего она была нарушена глобально. Принцип, заложенный в основу работы, совершенно другой, если у Медоузов были рассмотрены ресурсы, то здесь рассмотрена термодинамическая модель биосферы.

Пределы нарушения биоты: площадь нарушенных экосистем не должна превышать 20 % от площади суши, а сейчас нарушено уже 60 %, доля антропогенного потребления продукции биосферы не должна превышать 1 %, а сейчас она составляет 10 %. То есть здесь тоже есть пределы, но совсем другие.

Пределы нарушения биоты

В социально-экономическом отношении предлагается сокращение численности населения за несколько десятилетий в 10 раз до 0,5–1 млрд. человек. В отношении ресурсопользования предлагается:

1. Фактический отказ от использования невозобновимых ресурсов: уменьшение их эксплуатации в сотни раз.

2. Прекращение роста энергопотребления (в первую очередь ГЭС и АЭС).

3. Сокращение вырубки лесов как минимум в 10 раз.

4. Прекращение экспансии на еще неосвоенные земли и сокращение уже используемых в 3 раза.

Как это сделать — неизвестно, в том числе и автору теории, понятно, что демографическими методами это сделать не удастся (если только мерами физического воздействия)

Что общего в этих двух классических работах? Очень жесткие требования к численности населения и ресурсопользованию. Причем если эти требования не будут выполнены в ближайшие десятилетия, нам грозит катастрофа.

Этот подход очень безрадостен. Допустим, эта модель верна. Но мы реально не готовы не только сократить население, но даже и прекратить его рост (как показывает опыт Китая). Переход только на возобновимые ресурсы — также невозможен, это другая цивилизация. Допустим, мы согласимся принять меры, а окажется, что модели неверны.

То есть в любом случае, будем ли мы принимать эти требования или нет, согласно этим моделям наша цивилизация или погибнет или радикально поменяется.

Второй подход гласит, что цивилизация — часть биосферы. Основу заложили работы Вернадского, Тьер де Шардена и др. Их теория ноосферы говорит о том, что появится некий центр, который может управлять биосферой с помощью разума. Этот подход представлен на следующей схеме.

Цивилизация как часть биосферы

Рассмотрим с этих позиций взаимоотношения человека с ресурсами и с природой. Начнем с типов ресурсов? Ресурсы существуют возобновимые и невозобновимые. Мы можем выделить 4 типа:

1. природно-возобновимые ресурсы (воздух, вода, растительная и животная биомасса):

• они восстанавливаются после использования до исходного состояния посредством природных механизмов

• производительность природных механизмов восстановления имеет свой предел (река может переработать определенное количество отходов в год, а если больше — то начнется загрязнение)

• человек может вложить средства в интенсификацию возобновления

2. антропогенно-возобовимые ресурсы (металлы, сера, соли, фосфаты, строительные материалы и т. д.):

• восстановления осуществляется только самим обществом за счет имеющихся у него средств

• в принципе могут быть восстановлены после использования до исходного состояния, но природные механизмы для этого отсутствуют

3. невозобновимые ресурсы (энергоресурсы углеводородные — нефть, газ, уголь, неуглеводородные — уран, а также алмазы-брильянты т. д.). Они в принципе не могут быть восстановлены после использования до исходного состояния.

4. условно неисчерпаемые ресурсы (солнечная и гравитационная энергии):

• поступают из-за границ биосферы

• за счет них функционируют природные механизмы восстановления ресурсов

Соотношение между этими группами представлено на рисунке. Видно, что возобновимых ресурсов большинство, они могут вовлекаться в круговороты «ресурс — отход — ресурс» посредством природных и антропогенных механизмов.

БОЛЬШИНСТВО РЕСУРСОВ ЯВЛЯЮТСЯ ВОЗОБНОВИМЫМИ И МОГУТ ВОВЛЕКАТЬСЯ В КРУГОВОРОТЫ «РЕСУРС-ОТХОД-РЕСУРС» ПОСРЕДСТВОМ ПРИРОДНЫХ II АНТРОПОГЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

Рассмотрим способы взаимодействия человека с природой (эволюции ресурсопользования). Первый тип назван «природа — мать». Заключается он в том, что энергия тратится только на добычу ресурсов (охота, собирательство), которые затем восстанавливаются посредством природных механизмов. Вся промышленность начинается именно с этого — воздухо- и водопотребление без очистки (только там нет природного восстановления).

МОДК. Ill РЕСУРСОИОЛЬЮНАИНЯ

1. «ПРИРОДА — МАТЬ»

К этому типу ресурсопользования относятся охота, собирательство, отгонное животноводство, начало индустриального производство (воздухо- и водопотребление без очистки), начало добычи полезных ископаемых и др. Объемы ресурсопользования при этом ограничены регенерационным потенциалом природы — мы не можем убить мамонтов или выловить рыбу больше определенного количества. Поэтому человечество переходит на второй тип, названный «природа — соратник». Его суть в том, что восстановление ресурсов идет за счет природы и человека, интенсивность цикла зависит от общих регенерационных вкладов природы и человека, при этом снимается ограничение на объемы ресурсопользования.

Человек делает ресурсные циклы все более и более интенсивными. Начало этого этапа связано с возникновением земледелия. Сейчас преобладает почти во всей ресурсной деятельности, т. е. человек использует ресурсы, которые требуют от него затрат на восстановление. биомассы и для рыбных ресурсов.

Видим, что чем больше добыча рыбы, тем больше доля аквакультуры. Рыболовство заменяется рыбоводством. Сейчас каждая пятая рыба выращена, а не выловлена. Чем больше мы используем ресурсов, тем больше мы вкладываем в их восстановление.

Продуктивность древесных насаждений в 20 раз может превосходить продуктивность естественных лесов. Использование в водных ресурсах технологии «природа-соратник» — это их очистка и зацикливание. Данные по древесным и водным ресурсам представлены ниже.

Перейдем к антропогенно-возобновимым ресурсам.

Выше — данные по цветным металлам. Видим, что доля вторичного металла в потреблении все время растет. На осях трехмерного графика отложены запасы металлов, потребление металлов, доля вторичного металла. При малых запасах при увеличении потребления очень быстро растет доля вторичного металла, но стоит увеличиться запасам металлов, эта зависимость ослабевает. Подобные графики характерны для многих ресурсов.

И вполне, возможно, что если мы дальше будем развиваться по увеличению своей доли восстановления ресурсов, мы придем к третьему типу «природа-экспонат». То есть, в рамках этой модели мы полностью тратимся на добычу и восстановление ресурсов. В наше время этот тип встречается исключительно редко (например, в системах жизнеобеспечения на подлодках и космических станциях, но и там зациклены воздух и частично вода, но не продукты питания).

Мы как бы движемся к этому, но пока не подошли. Возникает вопрос: почему же мы еще не подошли? На рисунке ниже приведены обозначения, которыми мы будем пользоваться.

• R — объем ресурсопользования (то количество ресурсов, которое мы получаем за единицу времени, за год);

• А — объем потребления (разница между тем, что получили и тем, что затратили);

• Z — затраты, подразделяются на D (затраты на добычу) и V (затраты на восстановление);

• Р — это то, что природа восстанавливает;

• К1 и К2 — удельные затраты на добычу и восстановление.

А теперь давайте посмотрим, как изменяется эффективность ресурсопользования по мере роста его объемов. Если мы возьмем «природу-мать», то это будет просто константа. Для системы «природа-соратник» получается, что чем больше объемы ресурсопользования, тем больше падает эффективность, то есть каждая единица ресурса становиться все дороже. Именно поэтому доля восстановленного хорошо растет при малых запасах ресурсов, и плохо — при больших. Если ресурсов достаточно, то в их восстановление средства не вкладываю

Посмотрим, в какой мере это соответствует реальности.

Если при собирательстве, затратив 1 дж, получали 20 джоулей, то при агропромышленном производстве это на порядок меньше.

Рост объемов ресурсопользования сопровождается падением его эффективности. То есть каждая единица ресурсов дается нам дороже и дороже.

Из этого следует, что у нас есть первый регулирующий механизм в системе "общество-природа", который основан на совместном с природой восстановлении ресурсов.

Напомню, в системе Медоузов человек стоял на протоке, превращая ресурсы в отходы. А здесь принципиально другая схема, человек участвует в ресурсном цикле, восстанавливает ресурсы вместе с природой.

Итак, рост объема ресурсопользования ведет к снижению эффективности, добыча ресурса становится все дороже и дороже, это ведет к замедлению роста объема ресурсопользования (потом даже и к падению объема)

Получается, что, двигаясь по этой ниспадающей кривой, мы найдем где-то равновесную точку, которая будет нас устраивать и по эффективности (по стоимости добычи ресурса), и по объемам ресурсопользования.

Механизм, показанный выше, хорош всем, кроме того, что никак не соответствует тому, что происходит в действительности. В таблице показано, что у нас на самом деле получается.

Так происходит потому, что затраты на восстановление обычно гораздо ниже необходимых, всех волнует только одно — объемы потребления. Поэтому вся наша стратегия ресурсопользования направлена на увеличение объемов потребления. Люди стремятся увеличить объемы ресурсопользования и снизить затраты. Снижать затраты на добычу ресурсов почти невозможно (очевидно, если вы не посеете зерно, то вы его и не соберете), а с восстановлением все гораздо проще — его можно отложить на будущее. И в этом одна из основных причин экологических кризисов.

В реальности мы не движемся по равновесной траектории. Мы сначала отходим от нее (фаза I на рисунке), увеличивая объемы ресурсопользования без соответствующего увеличения вложений в восстановление ресурсов, и получаем в результате излишки ресурсов.

И все вроде бы хорошо, но затем у нас начинают истощаться ресурсы. В связи с этим увеличиваются удельные затраты на их добычу, следовательно, падает эффективность. То есть, мы сталкиваемся (фаза II) с той же проблемой, что и при движении по равновесной траекторией, только на равновесной снижение эффективности связано с увеличением затрат на восстановление ресурсов, а на кризисной траектории — с ростом затрат на их добычу. Причем в первом случае не происходит истощения ресурсов. Выход из сложившейся ситуации возможен тремя принципиально различными путями.

(1) Первый — социально-благоприятный. Мы вкладываем средства в восстановление ресурсов, но мы платим за это падением эффективности. В результате мы оказываемся на равновесной траектории.

(2) Второй — социально-неблагоприятный, когда у нас нет средств для восстановления, объем ресурсопользования сокращается до равновесного.

(3) Третий — катастрофический, когда ресурсы настолько истощены и нет механизма их природного или антропогенного восстановления, что объемы ресурсопользования падают до нуля, что приводит к гибели основанной на них цивилизации.

В правом верхнем углу рисунка тот же процесс показан в других координатах — вместо эффективности (Е) здесь затраты (Z).

Таков механизм развития экологических кризисов. Под экологическими кризисами мы понимаем такой этап развития системы "общество-природа", при котором высокоэффективное увеличение объемов ресурсопользования и потребления, достигаемое за счет истощения ресурсов, тем или иным образом меняется на восстановление ресурсно-экологического равновесия ("вираж экологического кризиса").

Причина их заключается в стремлении человека увеличивать объемы потребления наиболее быстрыми темпами (что характерно для большинства обществ) и, экономя на регенерационных затратах, повышать эффективность хозяйства.

Возникновение таких этапов в ходе развития ресурсопользования является вполне закономерным, поскольку потребительские цели главенствуют в современном обществе и поэтому постоянно толкают его к отклонению от равновесной траектории.

Некоторые характеристики кризиса: Г — глубина кризиса (максимальное удаление от равновесной траектории), φ — резкость кризиса, (t_кон. — t_нач.) — продолжительность кризиса (период между уходом с равновесной траектории и возвращением на нее).

Рассмотрим конкретные примеры. Ниже показана история развития сельского хозяйства в центральном Черноземье России в 1785–1985 гг. В самом начале у нас восстановление ресурсов было намного меньше, чем необходимо, за счет этого достигалось потребление ресурсов в 2 раза большее, чем могла обеспечить равновесная траектория. Эффективность была 1.4 джоуля на джоуль, тогда как надо было бы 1.2 дж/дж, при этом шла деградация почв.

В 45-ом году луга стали настолько вытравлены, что стала падать численность скота, вследствие этого снизилось внесение удобрений, а затем стала падать урожайность зерновых, результатом чего стал знаменитый голод конца 19-ого века. Здесь есть момент, похожий на то, что происходит в нашей стране сейчас. Дело в том, что после освобождения крестьян освобожденный пахарь перестал вкладывать средства в восстановление почв, и этот привело к кризису. Аналогичным образом сейчас "освобожденный бизнесмен" тоже первым делом перестает вкладывать средства, как говорят, "в экологию", что также ведет к кризису.

В начале 20-го века кризис углубился — хотя вложения пошли, но их не хвата-

Лишь в 1950-х годах в ЦЧР началось активное увеличение вложений в регенерацию агроресурсов при переходе к современному агропромышленному хозяйству. Их 10-кратный рост позволил в 6 раз повысить объемы ресурсопользования и при этом практически полностью восстановить ресурсно-экологическое равновесие — прекратить истощение полей и ослабить пастбищную дигрессию. Платой за это стало снижение эффективности примерно в 2 раза с 1.5 до 0.9 дж/дж.

Грустно, что даже при падении объемов ресурсопользования мы не вкладываем деньги в восстановление ресурсов, хотя, казалось бы, уже все плохо и надо что-то делать, мы все равно пытаемся на этом экономить. В современной России, падение объемов ресурсопользования гораздо больше, чем падение выбросов загрязнений.

Похожая ситуация имела место на Великих Американских Равнинах в середине XX в. Аналогичным образом произошел выход из экологического кризиса, связанного с загрязнением атмосферы в США оксидами серы. Развитие угольной энергетики без необходимой очистки выбросов к 1970-м годам привело к катастрофическому загрязнению атмосферы оксидами серы в крупных городах. Однако последующие огромные вложения в очистные сооружения позволили к 90-м годам не только продолжать наращивать производство электроэнергии из угля, но и довести загрязнение воздуха до приемлемого уровня. Платой за это стало снижение рентабельности энергетики США в некоторых штатах на 20 %.

Теперь посмотрим кризис с неблагоприятным выходом. Выше проиллюстрировано развитие животноводства в аридной Африке. График показывает зависимость деградации пастбищ от увеличения объемов использования мясо-молочной продукции. Некоторые страны миновали кризис, а часть стран в него вошла. Марокко и Тунис вложили средства и достигли равновесной траектории. А Сомали, Нигеру и Кении ничего не оставалось, только как катастрофически сократить численность скота.

Кризис с катастрофическим исходом. Ниже показано, как мы выбили китов (есть модель того, как мы выбили мамонтов, с абсолютно идентичным графиком). Был перейден рубеж естественного восстановления, потом мы продолжали некоторое время истощали ресурсы, потом китов стало мало и начала падать эффективность их добычи, а затем снизилось ресурсопользование. У нас стали слишком совершенными технологии добычи, поэтому голубых китов мы добили до последнего.

Посмотрим типологию экологических кризисов. Кризисы, о которых шла речь выше — это кризисы от жадности. Представим себе другую ситуацию. Мы развиваемся по абсолютно равновесной траектории, например, сбрасываем мало отходов в Финский залив. И в какой-то момент мы просто строим некую дамбу. В результате изменяется вся структура потоков, механизмы восстановления начинают работать хуже, и мы оказываемся в состоянии кризиса. Равновесная траектория сама падает, а не мы от нее отодвигаемся. Это кризисы "от глупости". И третий тип — природные кризисы, когда снижение регенерационного потенциала природы происходит в результате естественных причин.

Ответим на три вопроса: когда НУЖНО выйти из кризиса, всегда ли МОЖНО выйти из кризиса, ХОТИМ ли мы выйти из кризиса.

Экологический кризис нам нужен для того, чтобы увеличить объемы потребления. Рассмотрим динамику ресурсопользования при развитии кризиса.

Синяя линия на рисунке — это как бы росли объемы потребления, если бы мы развивались по равновесной траектории, кривая линия показывает развитие по кризисной траектории. Заштрихованы — кризисные излишки потребления. После достижения точки максимального потребления и точки максимального ресурсопользования кривая идет вниз, но понятно, что ниже прямой R = D она не упадет (R — добываемые ресурсы, D — затраты на добычу).

Посмотрим, как развиваются события, если мы не вкладываем ничего в восстановление ресурсов. У нас начинает загибаться кривая объемов ресурсопользования, а ей навстречу падают равновесные объемы ресурсопользования. В итоге, точка их пересечения является наиболее выгодной точкой ресурсопользования. И чем более совершенны технологии добычи, тем глубже оказывается эта точка.

Посмотрим теперь этот же график в "более важных" координатах — объемы потребления (А) и объемы ресурсопользования (R).

На этом графике показано, что в ходе кризиса у нас возникают 4 критических точки: (1) когда кризисные объемы потребления равны максимально возможным равновесным, (2) когда достигаются максимальные объемы потребления, (3) когда максимальны объемы ресурсопользования, (4) когда равновесные объемы потребления равны нулю.

Развитие событий при выходе из кризиса на разных участках кризисной траектории представлены на следующем рисунке:

Когда мы выходим до первой кризисной точки (слева вверху), у нас абсолютно не снижаются объемы потребления, заштрихованную часть ресурсов мы вкладываем в восстановление ресурсов, и только в какой-то момент снижаются темпы роста потребления.

Когда мы выходим между первой и второй точкой (справа вверху), мы, судя по рисунку, должны заплатить снижением объемов потребления. На самом деле, это не совсем так, потому что люди могут находить новые ресурсы и технологии. Этот момент — наиболее подходящий для маневра, потому что человечество достигает того, что хотело, входя в этот кризис, максимальных объемов потребления. Дело в том, что здесь мы можем делать ресурсный маневр: часть новых ресурсов и технологий вкладывать не в увеличение объемов производства, а в восстановление ресурсной среды.

Если мы переходим вторую критическую точку (слева внизу), то события все больше усложняются и вероятность выхода из кризиса снижается. После четвертой критической точки (справа внизу) вероятность выхода без снижения численности населения практически нулевая.

Посмотрим, что происходит с населением во время кризиса. Введем еще один параметр — А_ж — объем минимального жизнеобеспечения.

А_ж = N*а(min),

где N — численность населения, a(min) — минимальный уровень потребления.

Если у нас реальный объем индивидуального потребления очень велик, то мы, в принципе, можем согласиться на то, чтобы не покупать второй телевизор и вложить эти средства в восстановление природы; но последний кусок хлеба мы для этого не отдадим. И если объемы жизнеобеспечения идут практически рядом с кризисными объемами потребления, то у человечества просто нет ресурсов, чтобы вкладывать в восстановление.

Ниже показана картинка для Сомали, Кении и т. д. — им просто не откуда взять ресурсы, чтобы их восстановить. Бросается в глаза, что мы можем выйти из кризиса только в том случае, если объемы жизнеобеспечения будут расти достаточно медленно, не доходя до второй критической точки. Мы можем выйти из кризиса только в этой ситуации. Но это достаточно трудно осуществить.

Экологический кризис гасит демографический взрыв прирост населения % в год

_{Падение темпов роста численности населения начинается с 700-1000 $ВВП/чел∙год и 2000–2300 Кал/чел∙день}

Известно, что чем богаче страна, чем больше ВВП на душу населения, тем меньше прирост населения. Падение темпов роста населения начинается в среднем с 1000$ в год, или в других координатах с 2000 калорий в день на человека.

Экологический кризис и демографический взрыв: кто быстрее?

_{выход из кризиса с падением уровня индивидуального потребления не ниже аmin, если Аж приближаемся к Aeq между первой Acr = Aeq(max) и второй Асr(maх) критическими точками.}

То есть происходит следующее. Мы входим в экологический кризис, чтобы получить максимальные объемы потребления, тем самым мы увеличиваем индивидуальные объемы потребления, и таким образом гасится демографический взрыв, являющийся одним из основных толчков экологического кризиса. Если экологический кризис успеет погасить демографический взрыв до второй критической точки, то есть шанс выйти из экологического кризиса, если нет — шансы резко падают.

Вышесказанное можно обобщить следующей схемой.

Механизм регулирования экологического кризиса

_{Основан на обратной зависимости скорости роста населения от уровня потребления}

Давайте посмотрим на конкретные числа. В следующей таблице показан прирост населения в 1990 году относительно 1950 года, а также ресурсопотребление. Видно, что только потребление картофеля и шерсти не превосходит прироста населения. Видно, что индивидуальное ресурсопотребление растет, а прирост населения падает, то есть наши рассуждения оправдываются.

Теперь ответим на последний вопрос: хотим ли мы платить, вкладывая средства в восстановление ресурсов? Неким образом было рассчитано для 149 стран мира «экологичность» экономики (ВВП страны и «чистоту» производства внутри страны), по отношению к среднему мировому значению, равному единице. На этом слайде показана логарифмическая зависимость «экологичности» экономики от ВВП на одного человека. Видно, что чем богаче страна, тем более высокоэкологичную экономику она имеет, люди хотят жить в гармонии с окружающей средой и ради этого готовы вкладывать деньги в восстановление ресурсов. Это можно назвать неким «культурным» механизмом регулирования взаимодействия человека с природой.

Хотим ли мы платить? «Культурный» механизм регулирования взаимодействия человека и природы

В заключении хочется отметить, что сейчас происходит поворот от представления цивилизации как биосферопользователя, к представлениям о том, что все-таки существуют некие биосферные механизмы регулирования человеческой деятельности.

Нейробиология и генетика поведения

Лекция № 23

Наверняка каждый бывавший в селе человек видел, как утята бегают за своей мамой-уткой. Откуда же они знают, кто их мама и за кем надо бежать? Здесь мы сталкиваемся с явлением импринтинга (от англ. запечатлевать), описанным лауреатом Нобелевской премии Конрадом Лоренцом. Дело в том, что если утенок или цыпленок увидит в течение нескольких часов после вылупливания движущийся объект, он будет бегать за ним всю оставшуюся жизнь. Образ движущегося объекта впечатывается в их зрительную память, это достаточно разумное эволюционное приспособление, так как в обычной жизни первое, что видят цыплята, — это их мать, которая обеспечивает их существование. Каким же образом формируются нервные связи, с помощью которых мы можем что-то запомнить? Об этом и пойдет речь.

Если вам нужно узнать время, вы можете взглянуть на часы и некоторое время помнить, что показывали стрелки часов. Но одного мимолетного взгляда на часы не достаточно, чтобы запомнить на всю оставшуюся жизнь, что именно в этот момент было столько-то времени, разве что в это время произойдет что-то необычное. При неоднократном повторении какого-либо действия оно запоминается и уходит в так называемую долгосрочную память. Механизмы формирования кратко- и долгосрочной памяти разные. Они были изучены на разных животных, от улиток до обезьян, и знания, полученные в экспериментах, применяются сейчас в медицине, а также помогают понять, что происходит, как происходит развитие ребенка. Каким образом формируется память? Со школы известно, что мозг состоит из нейронов, у которых имеется тело, длинный отросток аксон и короткие отростки дендриты, которые получают сигнал от других нейронов или рецепторов, обрабатывают его и посылают его дальше. При рождении животного часть нервных путей уже сформирована, это то, что называют безусловными рефлексами или комплексами фиксированных действий. Это набор реакций на какой-либо стимул, для которых не требуется обучения. На прошлых лекциях упоминалось, что у ребенка при рождении есть набор рефлексов, например хватательный и сосательный. На основе врожденного поведения формируется дальнейшее поведение. Мы разберем формирование нервных связей на примере зрительных, то есть, как ребенок или котенок учится различать объекты. При рождении животное не способно различать объекты, хотя способно реагировать, например, на яркий свет, так как глаза у котенка устроены так же, как и у взрослой кошки, есть связи, передающие сигнал от светочувствительных клеток к зрительной коре, но структура этих связей еще не такая, как у кошки. После рождения, та часть коры головного мозга, которая отвечает за зрительное и другие типы восприятия претерпевает изменения. От глаз, светочувствительных клеток идут цепи нейронов к структуре, называемой боковым коленчатым телом, от них сигналы поступают к зрительной коре противоположной части головного мозга. Сигналы, поступающие в мозг, обрабатываются на каждой стадии поступления, то есть если в самом глазном яблоке миллионы рецепторов, то в боковом коленчатом теле на порядок меньше нервных связей, соответственно каждый нейрон получает сигнал от нескольких рецепторов. То, как формируется распознавание объектов в зрительной коре, было изучено на котятах. У новорожденного котенка, зрительные нервные связи перекрываются, но по мере накопления зрительного опыта оказывается, что глаза посылают сигналы в не перекрывающиеся участки коры, то есть остаются только те чередующиеся связи, которые идут только к одному глазу отдельно. Эти структуры называются колонками глазодоминантности. На слайде они показаны на примере макаки. Они видны, потому что макаке ввели в глаз радиоактивное вещество, которое распространилось только в техклетках коры, которые отвечают за зрительное восприятие, то есть, имеют нервные связи с этим глазом.

Колонки глазодоминантности в стриарной коре макаки формируются в результате конкуренции потоков нервных импульсов от левого и правого глаза

_{Hubei and Wiese 1977}

Исследование того, как сигнал с сетчатки глаза последовательно передается в структуры мозга и как он обрабатывается в каждой из них, что приводит в конечном итоге к восприятию изображения, провели лауреаты Нобелевской премии Дэвид Хьюбел и Торстен Визел. Они провели серию экспериментов по так называемой монокулярной депривации у котят. Один глаз у новорожденного котенка закрывали на несколько недель. Сигналы от этого глаза поступали в кору. Было показано, что соответствующие этому глазу колонки глазодоминантности были очень узкими, в то время как от другого — очень широкими. Таким образом тот глаз, который был закрыт, представлен в коре головного мозга небольшим числом нервных связей. Если через месяц глаз открыть, то новые нервные связи уже не образуются, хотя глаз и нервные структуры не повреждены. Это говорит о существовании сензитивного (чувствительного) периода, когда клетки компетентны и способны образовывать нервные связи, соответствующие получаемому опыту. После этого периода такие нервные связи не образуются. До того, как были проведены эксперименты с котятами, когда врачи лечили врожденную катаракту (помутнение хрусталика) у детей, операцию откладывали на более поздний возраст, когда ребенок легче перенесет операцию. В результате после операции зрение не восстанавливалось. После проведения опытов с котятами стало ясно почему — у детей проходил сензитивный период, когда еще был смысл проводить операцию. Если котятам в течение сензитивного периода закрывать глаза по очереди, то у котят не формировалось бинокулярное зрение, то есть они видели, но не могли оценить перспективу.

Есть концепция, основанная на ряде проведенных опытов, что процесс образования колонок глаза доминантности является конкурентным, идет конкуренция потоков сигналов от левого и правого глаза. Так же конкурентный характер носит формирование связей в других участках коры, принимающих сигналы от других рецепторов. Представление о конкурентном формировании нервных структур мозга разработана Джеральдом Эдельманом (лауреат Нобелевской премии за серию работ по структуре антител). Эдельман показал, что при поступлении сигналов между нейронами, которые активируются одновременно, образуются нервные связи. Они образуют группы нейронов, которые на следующем этапе обучения животного, образуют группы более высокого порядка и так далее.

Схема различных типов связей в группах нейронов

_{Edelman 1987}

Таким образом, в результате приобретения жизненного опыта изначально одинаковые нейроны делятся на группы, которые взаимодействуют и работают вместе при поступлении какого-либо сигнала. Например, если одна группа нейронов отвечает за вкус, другая — за цвет, третья — за запах, четвертая — за форму, то при возникновении связей между этими группами можно создать целостное представление о яблоке. На каждом этапе образование нервных связей между группами нейронов идет за счет конкуренции, то есть если сигналы не поступают, то нервные связи отмирают, и наоборот. Свою концепцию Эдельман назвал нейродарвинизмом, так как процесс конкурентного отбора нервных связей очень похож на естественный отбор, происходящий в процессе эволюции и образования видов.

Следующая серия экспериментов была проведена с совами Э.Кнудсеном. У сов очень хорошо развита зрительная и слуховая система. На совенка надевали призматические очки, в которых все образы смещались на двадцать градусов в сторону. Происходило рассогласование между слуховыми и зрительными сигналами. Через некоторое время после того, как зрительная кора сделала пересчет на двадцать градусов назад, слуховая система подстроилась под зрительную, и совенок без проблем ловил мышей. Но это происходило только в том случае, если совенку было не больше 70 дней. Если после этого очки снять, то слуховая кора может опять подстроиться под зрительную, но только если совенку не больше 200 дней. Однако если совенка держать в вольере, где много других сов, сензитивный период увеличивался, они больше времени были способны к обучению. Их этих экспериментов был сделан вывод: богатая сенсорная среда продлевает сензитивный период.

Похожие опыты проводились и на крысах. Оказывалось, что у крыс, у которых была интересная, богатая среда, в коре сформировано больше нервных связей, у них более разветвленные дендриты на аксонах, на нейронах больше синапсов. Уже давно известно, что с младенчества ребенку надо давать много разных игрушек, погремушек, ярких картинок, чтобы он тренировал тактильные, зрительные и слуховые системы восприятия, у таких детей в дальнейшем лучше развиваются интеллектуальные способности.

В следующей серии экспериментов котят помещали в так называемую вертикальную среду (котята сидели в темноте, и свет зажигали ненадолго, при этом в пустом помещении имелись только вертикальные полоски на стенах). По окончании сензитивного периода их помещали в обычную среду. Оказалось, что такие котята не видят горизонтальные предметы, то есть если швабра стоит, то котенок может ее обойти, если она лежит, то он на нее натыкается. Это происходит потому, что в коре не образовались связи, реагирующие на горизонтальные предметы. То есть сигнал, поступивший через глаза и далее через боковое коленчатое тело, просто не может быть обработан в коре, он не распознается. Этот пример говорит о том, что животное, в частности человек, который в сензитивный период (до 3–5 лет) не получил богатый сенсорный опыт, будет ограничен в развитии своих интеллектуальных способностей. Пример — дети-Маугли, которых находили в возрасте 5–7 лет, не способных уже научиться говорить.

Каким образом изучают гены, связанные с поведением? Их изучают и животных и у человека. На прошлых лекциях упоминалось о том, как степень наследственной детерминации признака изучается на близнецах, монозиготных и дизиготных. Здесь представлено сравнение конкордантности (совпадения признака) по росту у моно- и дизиготных близнецов.

Видно, что у монозиготных близнецов совпадение по росту заметно больше, чем у дизиготных, из чего можно сделать вывод, что вклад наследственности велик. Поведение больше подвержено внешнему влиянию, но все же и здесь можно уследить, хоть и более слабое, но заметное влияние наследственности на поведение. В данном случае брался такой признак, как стремление к новизне, которое устанавливается на основе психологического тестирования и оценивался в баллах. Видно, значения признака у монозиготрных близнецов ближе, чем у дизиготных.

Стремление к новизне в парах близнецов

На прошлых лекциях уже рассказывалось о гене DRD4, ассоциированном со стремлением к новым впечатлениям. Длинный аллель этого гена с повышенной частотой встречается в семьях больных с наследственной формой алкоголизма, и он ассоциирован с «модным» детским диагнозом — синдром гиперактивности с нарушением внимания. Дети с таким диагнозом в школах не могут усидеть за партами. Любопытно, что это заболевание эффективно лечится без всяких таблеток на тренажерах с обратной связью. Детям показывают мультфильм на экране компьютера, и мультфильм выглядит резко, когда они внимательны. Внимательность фиксируется с помощью энцефалограмм, и в зависимости от внимательности детей изменяется резкость мультфильма.

Аллель с 7 повторами ассоциирован с повышенным уровнем стремления к новым впечатлениям, а также с синдромом гиперактивности с нарушением внимания

Имеется генетический вклад и в развитие наркотической зависимости — конкордатность монозиготных близнецов по злоупотреблению и зависимости от кокаина выше, чем у дизиготных.

Действие кокаина было изучено на крысах. У крысы с сформированной кокаиновой зависимостью нейроны, опосредующие действие кокаина, имеют больше синапсов, чем у нормальных крыс. То есть, кокаин оказал на крыс такое же действие, как обучение. То есть, человек или крыса, которая пользовалась наркотиком, прошел «обучение», чтобы реагировать на наркотик, и у него сформировались патологические нервные связи, которые делают для него полученный опыт легко восстановимым, потому что нервные связи уже есть. А другие нервные связи, которые бы в норме обеспечивали ему приятные ощущения от полезных для здоровья переживаний, из-за конкурентного формирования оказываются ослабленными. То есть использование наркотиков, особенно в раннем возрасте, меняет морфологию и анатомию нейронов, структуру коры головного мозга, и уклоняет развитие с нормального пути.

Влияние кокаина на нейроны

_{Крысы с сформированной кокаиновой зависимостью имеют больше синапсов, чем нормальные в зонах коры (nucleus accurubulens and preftonatl corex), связанных с действием кокаина}

Как известно, сигнал в нейронах передается в два этапа. На первом этапе передается электрический импульс вдоль отростка нейрона. При этом происходит поляризация-деполяризация мембраны, потому что поперек мембраны идет поток ионов (К, Mg и т. д.). На участке контакта между двумя нейронами имеется структура, которая называется синапс. Это тесный контакт меду двумя клетками, а между ними имеется синаптическая щель. В эту щель при деполяризации мембраны передающего сигнал нейрона попадают нейромедиаторы (посредники передачи нервного импульса). На мембране воспринимающего нейрона «сидят» рецепторы, которые воспринимают сигнал, опять происходит поляризация-деполяризация мембраны и сигнал передается дальше. Ниже показаны некоторые вещества, которые выступают в роли нейромедиаторов: Глицин, ацетилхолин, γ-аминомаслянная кислота, гистамин, серотонин, дофамин и т. д. Структура некоторых нейромедиаторов представлена на рисунке.

Биосинтез дофамина и других катехоламинов

К примеру, дофамин образуется из тирозина, и в результате последовательности реакций получается адреналин. Существуют последовательности реакций, в которых происходит синтез нейромедиаторов и их распад. Рассмотрим это на примере дофамина. В пресинаптическом нейроне синтезированный дофамин упаковывается в пузырьки, которые, в ответ на поступивший сигнал, сливаются с пресинаптической мембраной и выпускают дофамин в синаптическую щель. Поступивший в синаптическую щель дофамин связывается с рецепторами на постсинаптической мембране и с ауторецепторами пресинаптического нейрона. Связывание нейромедиатора с рецепторами постсинаптического нейрона «включает» трансмембранный поток ионов, что приводит к изменению заряда мембраны нейрона. Изменение заряда (область переполяризации мембраны) распространяется вдоль аксона, что собственно и представляет собой нервный импульс, и сигнал идет дальше следующему нейрону. Через ауторецепторы синтез дофамина в пресинаптическом нейроне ингибируется. Неиспользованный дофамин транспортируется обратно в пресинаптический нейрон или окисляется ферментами, работающими в синаптической щели (катехоламин-о-метилтрансфераза, моноаминоксидаза и другие).

Другой нейромедиатор, серотонин, работает сходным образом. Есть нейрон, который передает сигнал, и есть нейрон, который его принимает. Передающий нейрон синтезирует серотонин. Когда поступает сигнал, серотонин выпускается в синаптическую щель и связывается с рецептором на мембране воспринимающего нейрона.

После того, как нейромедиатор серотонин поступил в синаптическую щель, часть его была использована для запуска сигнала и деполяризации постсинаптической мембраны, а часть (также как и в случае с дофамином) осталась «болтаться» в синаптической щели. Во-первых, этот неиспользованный серотонин разрушается ферментами. Но система устроена настолько экономично, что на пресинаптической мембране (то есть на мембране подавшего сигнал нейрона) «сидит» специальный белок — транспортер серотонина, который, как хорошая хозяйка, закладывает обратно на хранение неиспользованный серотонин. Оказалось, что генетически детерминированы две формы этого белка-транспортера, одна работает быстро, а другая медленно. Ниже показано, чем на уровне ДНК отличаются эти две формы. Оказалось, что различие между ними вызвано различием в регуляторной области гена.

Вставка в регуляторном участке гена транспортера серотонина ("длинный аллель”).

_{У гомозигот по длинному аллелю уровень синтеза данного белка в 2 раза выше, чем у гомозигот по короткому аллелю, что ассоциируется с повышенной склонностью к депрессии при неблагоприятных жизненных событиях.}

Если белка-транспортера много, то серотонин поступает в синаптическую щель, и тут же начинает закачиваться обратно. Рецепторы, даже не успевают толком на него среагировать — это случай склонности к депрессии и, возможно, повышенной частоты самоубийств. Лекарства от депрессии блокируют работу транспортера серотонина и дают возможность серотонину сделать свою работу.

Для исследования связи между генотипом по гену серотонина и склонностью к депрессии провели следующий эксперимент. Выборку молодых людей до 26-летнего возраста опросили о том, какие тяжелые переживания достались на их долю, и о том, бывает ли у них депрессия, а затем определили, какие аллели он по гену транспортера серотонина они несут. Оказалось, что существует связь между перенесенными стрессами и сообщениями о депрессии в зависимости от того, какой вариант гена транспортера серотонина они несли. Люди с высокоактивным белком-транспортером серотонина чаще испытывают депрессию по мере накопления негативных событий в их жизни, чем те, у кого транспортер обладает низкой активностью. Если же негативных событий в жизни было мало, то различия между людьми с разными генотипами не были обнаружены.

Сейчас выявлено около 60 генов, регулирующих передачу нервного импульса в разных системах мозга.

Выше упоминался фермент моноаминоксидаза А (МАОА), который разрушает нейротрансмиттеры, оставшиеся в синаптической щели. Этот ген привлек внимание ученых, когда была обнаружен семья с мутацией в этом гене. На прием к врачу пришла женщина, которая хотела иметь ребенка, но боялась, что ребенок будет болен, — у нее в семье мужчины (не все, но многие) отличались высокой агрессивностью (немотивированная агрессия и легкая степень умственной отсталости). Когда они были обследованы, оказалось, что это не просто дурной характер, а генетически детерминированное заболевание. Родословная этой семьи представлена на рисунке (темные кубики — больные мужчины, кружочки с ромбиком в центре обозначают женщин-носительниц мутации).

Х-сцепленное наследование признака

По характеру наследования поняли, что это заболевание, сцепленное с X-хромосомой, потому что здоровые женщины рожали больных сыновей (дочери рождались нормальными, потому что у них две Х-хромосомы, и в одной ген мутантный, но в другой — нормальный). На Х-хромосоме нашли мутантный ген, оказалось, что он кодирует МАОА. Мутация — единичная нуклеотидная замена, которая вела к обрыву синтеза белка и МАОА при этом была нефункциональна. Таким образом, замена одного нуклеотида (цитозина на Тимин в данном случае) приводила к изменению поведения.

Этот ген стали более активно исследовать. Такая мутация, как в этой семье, полностью инактивирующая фермент, больше нигде не была найдена, но были обнаружены мутации, снижающие активность МАОА. Исследовали группу людей с низкой и нормальной активностью МАОА и сравнили количество случаев асоциального поведения (нападение, нападение с целью нанесения повреждений, убийство, изнасилование, жестокость по отношению к животным). Когда просто так исследовали выборку, разницы не нашли. Но когда эту выборку разделили по условиям воспитания в детстве, оказалось, что разница в поведении людей, которые воспитывались в благоприятных условиях, практически отсутствует, а вот если условия были плохие, то разница становится существенной.

Для изучения связи моноаминоксидазы А с поведением провели серию экспериментов на мышах. У мышей «нокаутировали» (то есть инактивировали) ген МАОА. Такие мыши были очень агрессивны, они набрасывались на своих сородичей без всякого повода, то есть вели себя также как и люди с аналогичным генетическим дефектом. Эти исследования помогают понять, что именно в поведении детерминировано генетически и в какой мере, а что подвержено влиянию среды.

Другая серия исследований была посвящена тому, как формируется память и каким образом в этом процессе участвуют гены. На мышах была проведена серия экспериментов. Были исследованы глутаматные рецепторы. Они работают в зоне мозга, которая связана с ориентацией на местности. Нобелевский лауреат Сусуми Тонегава получил мышей, мутантных по рецептора глутамата, и исследовал их способность к запоминанию. В разных мышиных тестах мутанты не отличались от нормальных собратьев, но в тесте на запоминание положения предметов оказались "двоечниками". Мышей запускали в ванну с платформой, на которую можно было встать. Непрозрачная вода не позволяла узнать где платформа, пока мышь не наткнется на нее случайно. Обычно мыши, несколько раз побывав в ванне, запоминали, где находится платформа и сразу плыли к ней. Мутанты не могли запомнить даже после десятков повторений. Их "географический кретинизм" связан с мутацией в рецепторе. Изменив этот рецептор, удалось получить и мышей-"отличниц".

Дело в том, что существуют как минимум два типа глутаматных рецепторов. Один тип работает у молодых мышей и в ответный на сигнал дает сильный ионный ток через мембрану и, следовательно, сильный и дольше действующий потенциал. Но в определенном возрасте, по мере созревания, рецептор меняется, и вместо белка-рецептора, который давал сильный ионный ток, в мембранах уже находится рецептор, который дает слабый и менее продолжительный ток. Это связано с тем, что интенсивное обучение нужно проходить в молодости, а с возрастом животное становится более консервативным, повторяет то, что выучило в молодости. Исследователи ввели в геном мышей мутацию, в результате которой синтез "юношеского" белка усилился в несколько раз. Мутанты лучше запоминали и распознавали звуки, объекты и их положение в пространстве, быстрее справлялись с тестами. Тем самым, им как бы продлили сензитивный период. Может возникнуть вопрос, почему способность к обучению угасает с возрастом, то это уже отдельный эволюционный вопрос.

Каким же образом формируются навыки, то есть, новые синаптические связи? В серии экспериментов на мухах и улитках морских зайцах (аплизиях — их очень любят нейробиологи), были расшифрованы механизмы формирования кратковременной и долговременной памяти. За эти работы Эрик Кенделл получил Нобелевскую премию.

Допустим, улитке подали электрический ток на хвост. Ей нужно хвост отдернуть. Каким образом это происходит.

Молекулярно-генетические механизмы формировании условного рефлекса

_{Продолжительность реакции: 1 —минуты, 2 — часы, 3 — формирование новых синапсов}

От обиженного хвоста поступил сигнал в виде серотонина. Серотонин связывается с рецептором на мембране сенсорного нейрона. Именно здесь происходит этап обработки информации и принятии решения. Рецептор взаимодействует с аденилатциклазой, которая синтезирует циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Последний взаимодействует с киназой (киназы — это белки, которые фосфорилируют другие белки). Киназа фосфорилирует кальциевые каналы в мембране, через них идет ток, мембрана деполяризуется, что является сигналом к выбросу нейромедиаторов в синаптическую щель. Нейромедиатор связывается с рецептором на постсинаптической мембране мотонейрона, и мотонейрон дает мышцам команду отдернуть хвост от неприятного раздражителя. Это — кратковременная память (работает 3–4 минуты).

Если раздражение продолжает поступать регулярно, то эта реакция — долгосрочная память (работает 12–24 часа). В этом случае продолжает синтезироваться цАМФ, то фрагмент киназы перемещается в ядро и активирует здесь ген, модифицирующий киназу — отщепляющий от нее кусочек таким образом, что она становится перманентно активной. То есть, циклический аденозинмонофосфат ей для активации становится не нужен. Это — долговременная память.

Если сигнал продолжает поступать и дальше, то включается следующий механизм. Большие количества фрагментов киназы активируют фактор транскрипции, запускающий работу группы генов, обеспечивающей синтез белков и образование нового синапса. Это — память на всю жизнь, именно она должна работать при обучении.

Эволюционная теория пола. биотехнологии. иммунология. передача сигналов в организме

Лекция № 24

ЭВОЛЮЦИОННАЯ ТЕОРИЯ ПОЛА

С.А.Боринская

Теория полового отбора Дарвина вызывала споры, неоднократно высказывалось мнение, что она является самым слабым местом дарвиновского учения. После Дарвина проблемой пола занимались крупнейшие биологи, однако современные авторитеты продолжают говорить об отсутствии удовлетворительного объяснения того, почему возник и сохраняется пол. Например, в книге канадского ученого Белла, вышедшей в 1982 г., читаем: "Пол — главный вызов современной теории эволюции. Интуиция Дарвина и Менделя, которые осветили так много загадок, не смогла справится с центральной загадкой полового размножения. В чем функциональное значение пола, которое приводит к его сохранению в биологических популяциях? "

Путь к решению проблемы был предложен в середине 60-х гг. в новой концепции В.А. Геодакяна, дающей объяснение эволюционного смысла деления на два пола.

Существование двух полов чаще всего связывают с размножением. Верно ли это?

Древнейшим способом размножения является бесполое, осуществляющееся путем простого деления клетки. Оно широко распространено у одноклеточных организмов (бактерии, сине-зеленые водоросли, амебы, инфузории и др.). При бесполом размножении не нужно искать партнера. Однако при таком способе размножения изменчивость достигается только за счет мутаций. Значительное увеличение изменчивости за счет комбинирования признаков различных особей обеспечивает половой процесс (скрещивание). Процесс скрещивания лежит в основе половых способов размножения. Если брачным партнером особи может быть любая из остальных, такой способ полового размножения называется гермафродитным. К гермафродитам относятся черви, пиявки, усоногие ракообразные, многие моллюски, некоторые рыбы. Следующим шагом в эволюции размножения стало раздельнополое размножение, при котором популяция делится на два различающихся между собой по ряду признаков пола.

Сравним эти способы размножения по двум параметрам: количественной эффективностью и комбинаторным возможностям. В количественном отношении самая высокая эффективность принадлежит бесполым формам, которым не надо искать партнера. При половом размножении эффективность в два раза меньше. Значит, с появлением скрещивания количественные преимущества утрачиваются. Однако появляются практически неисчерпаемые возможности быстрого обмена полезными мутациями, обеспечивающими комбинаторное богатство популяции. Но по этому показателю у половых форм явное преимущество принадлежит гермафродитам, где при скрещивании нет ограничений по полу партнера.

Выходит, раздельнополое размножение уступает двум предыдущим формам или по комбинаторному потенциалу, или по количественной эффективности. Тогда встает вопрос, почему же все прогрессивные в эволюционном плане формы животных (млекопитающие, птицы, насекомые и другие) раздельнополы. Среди растений прослеживается та же тенденция — более поздние формы дифференцированы по полу (двудомные растения). Раздельнополый способ размножения появился в процессе эволюции в очень далеких друг от друга группах. Парадокс? Но известно, что в эволюции ничего не бывает зря. Зачем же эволюции понадобились два пола?

Как совместить устойчивость и изменчивость

Весь окружающий нас мир можно представить как совокупность разнообразных систем. Каждая из них существует в определенной среде. Эволюционирует как среда, так и система. Среда диктует системе направление эволюции. Каждая эволюционирующая система должна быть устойчивой, консервативной, сохраняя накопленную полезную информацию, и одновременно изменчивой, способной адаптироваться к меняющимся требованиями среды.

Как же снят этот конфликт? Возможны два решения. Первое — поддерживать свойства системы к изменчивости в некотором промежуточном, оптимальном состоянии. Однако это создает для системы довольно узкие рамки существования.

Второе решение — разделить систему на две части, подсистемы. Одна из этих частей — консервативная — убирается подальше от среды (не в геометрическом, а в информационном плане) для сохранения полезной информации, а другая — изменчивая, оперативная — воспринимает и проверяет новую информацию. Такое разделение на две сопряженные подсистемы (консервативную и оперативную) повышает устойчивость системы в целом. Но ведь популяция особей — это живая система, эволюционирующая в изменчивой среде и нуждающаяся в повышенной устойчивости. Логично предположить, что разделение ее на две части — два пола — и обеспечивает такую устойчивость. Но тогда один из полов должен быть консервативен, представлять собой "ядро" системы, а второй должен быть оперативной, изменчивой "оболочкой". Таким образом, разделение на два пола оказывается выгодной для популяции формой получения информации от среды и сохранения информации о собственном строении. Возникает вопрос, кто есть кто в системе "мужской — женский пол", какой из полов специализирован на получении информации, а какой — на сохранении? Однако прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, в чем суть различий между полами.

Репродуктивная стратегия

Женщина не может иметь в год более одного ребенка (если только у нее не рождаются близнецы). То есть за весь репродуктивный период своей жизни (с 13 до 45–55 лет) они способна родить примерно три десятка детей.

Возможности мужчины гораздо больше. Он может стать отцом 4–5 тысяч детей. Рассмотрим популяцию, в которой особи разного пола скрещиваются хаотически. Понятно, что количество потомства пропорционально количеству женских особей. А вот качество зависит от количества мужских особей — ведь чем их больше, тем шире возможности выбора "самых качественных".

Это значит, что при неблагоприятном воздействии среды сокращение количества самок приведет к снижению численности потомства, а сокращение количества самцов — к изменению его качества.

Мужчины отличаются друг от друга больше, чем женщины (дисперсия признаков)

Совокупность всех генов организм составляет его генотип. В процессе индивидуального развития организма его генотип взаимодействует со средой, определяя формирование внутренних и внешних признаков индивида. Совокупность всех этих признаков составляет его фенотип.

Генотип — это программа, которая в разных условиях среды может реализовываться по-разному. В генотипе записано не жестко определенное значение признака, а диапазон его возможных значений. В онтогенезе (процессе индивидуального развития от зарождения до конца жизни) реализуется один самый подходящий для данной конкретной среды фенотип. Следовательно, генотип задает диапазон, а среда выбирает "точку" внутри него. Ширина этого диапазона называется нормой реакции организма на воздействие окружающей среды.

Есть признаки, например, группа крови или цвет глаз, влияние среды на которые сводится практически к нулю. По другим признакам (например, интеллектуальным способностям) норма реакции очень широкая, поэтому их часто связывают только с влиянием среды, то есть воспитанием. Третьи признаки (рост, масса) занимают промежуточное положение. Норма реакции у женского пола значительно шире, чем у мужского.

Рис. 1. Норма реакции

Это положение проверено при сравнении близнецов. Монозиготные братья должны быть больше похожи друг на друга, чем монозиготные сестры. Но если близнецы не монозиготные, то больше сходство должно быть у девочек. Иными словами, женский пол больше поддается влияниям среды, а мужской влиянию генотипа.

На рисунке 2 на графике А показано распределение фенотипов у мужского и женского пола. По горизонтальной оси отложены значения признака, а по вертикали — частота появления особи с данным значением признака.

Рис. 2. Распределение генотипов (внизу) и фенотипов (вверху) в стабильной среде

Так как люди со средним значением признака — например, среднего роста, встречаются чаще, чем карлики или великаны, кривая имеет вид колокола и у женщин, и у мужчин. Такую же колоколообразную кривую можно получить, измеряя успеваемость учеников в школе: выявим некоторое число отличников и двоечников, основное же количество — среднеуспевающие. Кривые распределения признаков мужского и женского пола отличаются — у мужского пола кривая более пологая, то есть отражает большую дисперсию признаков. Из такого распределения можно было бы сделать вывод, что если среди мужчин больше гениев, то среди них больше и полных идиотов.

Распределение генотипов при этом одинаково для обоих полов и показано на графике Б. По горизонтали отложены средние значения какого-либо признака, определяемые генотипом, а по вертикали — частота появлений генотипа с тем или иным значением.

Из-за узкой нормы реакции (то есть низкой способности поддаваться воздействиям среды) у мужского пола распределение мужских фенотипов примерно повторяет распределение определяемых генотипами средних значений. Для женского же пола картина иная. Из-за широкой нормы реакции женские фенотипы более подвержены влиянию среды и ближе к среднему (оптимальному) значению в стабильной среде. То есть самцы отличаются большей степень разнообразия признаков, чем самки. Из-за этого первыми жертвами всех неблагоприятных изменений среды становятся мужские особи. Часть из них (обладатели крайних значений признака) погибает, поэтому оставшиеся в живых передадут следующему поколению спектр генотипов, измененный в соответствии с направлением воздействия среды.

Широкая норма реакции женского пола позволяет уходить от вредных воздействий среды за счет онтогенетической пластичности. Поэтому женский пол сохраняет и передает потомству весь спектр исходных генотипов.

Таким образом, в каждом поколении яйцеклетки широкого разнообразия, несущие информацию о прошлом богатстве генотипов, оплодотворяются спермиями узкого разнообразия, генотипы которых содержат информацию только о самых подходящих для текущих условий среды признаках. То есть, следующее поколение получает информацию о прошлом по материнской линии, а о настоящем — по отцовской. Из чего видно, кто есть кто в системе "мужской-женский пол". Женский пол — стабильное, консервативное "ядро" популяции, а мужской — лабильная "оболочка". Мужской пол выступает как эволюционный "авангард", принимающий на себя удары меняющейся среды. При этом за информацию приходится платить гибелью части мужских особей. Отсюда и повышенная смертность мужского пола.

Мы пришли к выводу, что два пола существуют не только для размножения — оно возможно и бесполым путем. Два пола это два канала информации, один (женский) — от предшествующих поколений, другой (мужской) — от среды. Их взаимодействие обеспечивает системе — эволюционирующей популяции — успешное функционирование.

Природа не бережет мужчин (соотношение полов)

Повышенная чувствительность и смертность мужского пола всегда была одной из загадок. Из 163 стран мира, по которым есть данные, в 152-х женщины живут в среднем дольше мужчин. По миру в целом средняя продолжительность жизни женщин (59,3) на 3,6 года больше, чем у мужчин (55,7).

Повышенную смертность мужчин пытались объяснить социальными причинами, такими как алкоголизм, курение, опасные профессии, рискованное поведение и т. д. Но оказалось, что аналогичная картина смертности наблюдается у большинства животных и даже растений, при чем на всех этапах — от зачатия до самой смерти. Платить за новую информацию популяции выгоднее мужскими, а не женскими особями.

Исходя из этого, можно ожидать, что при всех неблагоприятных условиях (резкие изменения климата, голод, войны, переселения) должна повышаться смертность самцов. Но чтобы популяция в экстремальных условиях не потеряла мужской пол, это должно сопровождаться одновременным увеличением их рождаемости. То есть увеличивается "оборачиваемость" самцов, что позволяет раздельнополой популяции быстрее приспособиться к новым условиям.

Соотношение полов потомства у позвоночных, видимо, регулируется интенсивностью половой деятельности. Чем выше половая активность данного пола, тем больше появляется потомков того же пола. Этот механизм объясняет многие факты демографической статистики: "феномен военных лет", избыточное рождение мальчиков в "женских коллективах" (гаремы, текстильные города) и девочек в "мужских" (экспедиции, портовые города).

У перекрестноопыляющихся растений связующим звеном является количество пыльцы, попадающее на женский цветок. Чем больше пыльцы, тем больше женских потомков, и наоборот.

Почему мужчины отличаются от женщин (половой диморфизм)

У одних видов самцы почти неотличимы от самок, тогда как у других, в том числе человека, они имеют различия по ряду признаков. Различие средних значение по любому признаку мужского пола и женского называется половым диморфизмом (рис. 3).

Рис. 3. Распределение фенотипов в нестабильной среде

Половой диморфизм — еще одна характеристика раздельнополой популяции, кроме соотношения дисперсий и численности полов.

Через изменение этих трех характеристик плавно регулируется степень изменчивости популяции. В оптимальных условиях стабильной среды, когда нет необходимости что-либо менять, усиливаются консервативные тенденции: снижается рождаемость мальчиков, уменьшается дисперсия полов (уменьшается их разнообразие) и уменьшается половой диморфизм новорожденных. В экстремальных условиях, когда от популяции требуется высокая пластичность, рождаемость мальчиков увеличивается, увеличивается дисперсия признаков (сначала у мальчиков, потом у девочек), возникает или растет половой диморфизм. Таким образом, эти три параметра могут служить своеобразным индикатором состояния экологической ниши.

За последнее десятилетие в Каракалпакии рождаемость мальчиков возросла на 5 %. Печальное наблюдение. Видимо, это реакция популяции на экстремальные изменения среды в связи с гибелью Аральского моря.

Мужчины — авангард эволюции

Попробуем схематически изобразить процесс эволюции какого-либо признака в филогенезе, то есть в его историческом развитии. Допустим, что существует некий стабильный признак, по которому нет полового диморфизма, то есть он одинаково представлен и у одного, и у другого пола. Но вот произошли какие-то изменения в среде, и под их воздействием признак начал меняться (рис. 4).

Как мы уже выяснили, первым реагирует мужской пол. Изменения сначала происходят только у него. Сначала увеличивается дисперсия признака, поскольку для отбора необходимо разнообразие. Затем под давлением среды начинает меняться и среднее значение признака. Женский пол остается некоторое время (может быть, много поколений) неизменным. В этот период эволюции популяции появляется и растет половой диморфизм по данному признаку. Образно выражаясь, мужской пол ведет "авангардные бои" за новые эволюционные позиции, а женский остается на месте.

Затем перемены затрагивают и женский пол. У него также начинают расти дисперсия и скорость эволюции, достигая их значения для мужского пола. На этой фазе эволюция идет параллельно у обоих полов. Половой диморфизм доходит до своего максимума и остается постоянным.

Когда у мужского пола признак достигает нового стабильного значения, у женского он еще продолжает меняться. На этой стадии дисперсия и скорость эволюции больше у женского пола (женский пол ведет "арьергардные бои").

Таким образом, фазы эволюции признака у разных полов сдвинуты во времени: у мужского они начинаются и заканчиваются раньше, чем у женского. При этом половой диморфизм это своего рода дистанция между полами на пути эволюции признака. Смысл ее состоит в том, чтобы проверить эволюционные "новости" на мужском поле прежде, чем передать их женскому. Отсюда миссия мужского пола — поиск и пробы. Он является той оперативной частью системы, которая делает находки, но неизбежно при этом чаще совершает ошибки. В консервативную, женскую, часть системы должны попасть только находки. Поэтому миссия женского пола — сохранение и закрепление находок. Это придает ему черты совершенства, которые, однако, оплачиваются неизбежной эволюционной инерционностью, тогда как новаторство и прогрессивность мужского пола сочетаются с его несовершенством.

А теперь можно сделать ряд важных выводов.

Половой диморфизм существует только во время эволюции признака: появляется с ее началом, сохраняется, пока она идет, и исчезает, как только эволюция заканчивается. Значит, если половой диморфизм отсутствует, то признак стабилен и эволюция по нему не идет, а если он существует, то признак находится на "эволюционном марше". То есть, наличие полового диморфизма может служить критерием эволюции признака.

По половому диморфизму можно определить направление эволюции признака: как правило, он меняется от женской формы к мужской.

Наконец, можно судить о фазе эволюционного процесса: только он начался или уже завершается. На это указывает соотношение дисперсий признака у мужского и женского пола. Таким образом, получаем своего рода хронометр эволюции.

Половой диморфизм — "последние новости" эволюции

Все признаки можно разделить на три группы по степени различия между полами. К первой группе отнесем те признаки, по которым между мужским и женским полом нет никакой разницы. К ним относятся качественные признаки, которые проявляются на уровне вида — общий для обоих полов план и принципиальное строение тела, число органов и многие другие. Половой диморфизм по этим признакам в норме отсутствует. Но он наблюдается в области патологии. У девочек чаще проявляются атавистические аномалии (возвраты или остановки развития), а у мальчиков — футуристические (поиск новых путей). Например, среди 4000 новорожденных детей с тремя почками девочек было в 2,5 раза больше, чем мальчиков, а среди 2000 детей с одной почкой было примерно в 2 раза больше мальчиков. Напомним, что у наших далеких предков в каждом сегменте тела имелась пара выделительных органов — метанефридиев. Следовательно, три почки у девочек — это возврат к предковому типу (атавистическое направление), а одна почка у мальчиков — футуристическая тенденция. Такая же картина наблюдается среди детей со сверхнормативным числом ребер, позвонков, зубов и т. д., то есть органов, претерпевших в процессе эволюции уменьшение числа — среди них больше девочек. Среди же новорожденных с их нехваткой больше мальчиков.

Сходная картина наблюдается и в распределении врожденных пороков сердца и магистральных сосудов. У девочек преобладают элементы, свойственные сердцу эмбриона или филогенетическим предшественникам человека: открытое овальное отверстие в межпредсердной перегородке, незарастающий Боталлов проток(сосуд, соединяющий у плода легочную артерию с аортой) и др. "Мужские" пороки чаще бывают новыми, ни у эмбрионов, ни в филогенезе они не имеют аналогий — это разного рода стенозы (сужения) и транспозиции магистральных сосудов.

Итак, на уровне видовых признаков половые различия проявляются в области патологии.

Теперь рассмотрим вторую группу признаков — тех, которые встречаются и у мужского пола, и у женского, но распределены в популяции с разной частотой и степенью выраженности. Это количественные признаки: рост, вес, размеры и пропорции, многие морфофизиологические и этолого-психологические признаки. Половой диморфизм по ним проявляется как отношение их средний значений. Именно этот половой диморфизм служит "компасом" эволюции признака.

Например, эволюция большинства позвоночных сопровождалась увеличением их размеров. Многие же виды насекомых и паукообразных, наоборот, мельчали. Можно предсказать, что у крупных позвоночных самцы должны быть крупнее самок, а у мелких насекомых — наоборот.

Те же тенденции наблюдаются и внутри таксономических единиц низшего ранга, скажем, в классе млекопитающих: у крупных форм чаще крупнее самцы, а у мелких — самки. Например, самцы африканского слона весят до 6,5 т, а самки — до 3,5 т. У некоторых летучих мышей, белок-летяг, карликовой мангусты, кролика, то есть у те формы, которые, видимо, эволюционно мельчали, самки более крупные, чем самцы.

Здесь можно воспользоваться и обратной логикой: если мужские особи крупнее — вид эволюционирует в сторону увеличения размеров, если мельче — наоборот.

Это правило справедливо также и для растений. Например, существует половой диморфизм по форме листьев. У тополя женские экземпляры имеют более продолговатые листья, мужские более округлые. Значит, филогенетические предшественники тополя имели узкие (как у ив) листья.

Наконец, к третьей группе относятся признаки, присущие только одному полу. Это первичные и вторичные половые признаки: половые органы, молочные железы, борода у человека, грива у льва, а также многие хозяйственные признаки (продукция молока, яиц, икры и т. д.) Половой диморфизм по ним носит генотипический характер, поскольку в фенотипе одного пола эти признаки отсутствуют, Но наследственная информация об этих признаках записана в генотипе обоих полов. Поэтому, если они эволюционируют, то по ним должен существовать генотипический половой диморфизм. Обнаруживается он в виде реципрокных эффектов.

Исходя из авангардной роли мужского пола можно предсказать существование реципрокного "отцовского эффекта" (доминирование отца) по всем эволюционирующим, новым признакам. "Отцовский эффект" наблюдается у кур по таким хозяйственно-ценным признакам, как инстинкт насиживания, скороспелость, яйценоскость и живой вес. У крупного рогатого скота этот эффект наблюдается по удою молока и продукции молочного жира.

У человека к эволюционно молодым признакам, видимо, можно отнести все социальные, психологические характеристики, связанные с эволюцией мозга (в первую очередь асимметрия полушарий, речь, абстрактное и логическое мышление, пространственное воображение, юмор и другие творческие способности).

Таким образом, по всем признакам животных и растений, по которым наблюдается половой диморфизм, его можно рассматривать, как эволюционные "последние новости", уже попавшие к мужскому полу, но еще не дошедшие до женского. При этом, как мы уже отметили, по видовым (качественным) признакам закономерность проявляется в области патологии, по популяционным (количественным) — в норме, а по половым — в виде реципрокного "отцовского эффекта".

Если по данному признаку существует половой диморфизм, то в индивидуальном развитии (с возрастом) признак будет меняться от женской формы к мужской. То есть для начальной, ювенильной стадии (для человека это возраст до 25 лет) более характерна женская форма признака, а для взрослой, зрелой (старше 25 лет и до начала старческой инволюции) более характерна мужская форма.

Заключение

До сих пор мы считали, что два пола необходимы для размножения. А оказывается, что пол — это скорее способ эволюции. Теория эволюции стала основой мировоззрения современного человека. Необходимую информацию эволюционное учение получало из трех источников: палеонтологии, эмбриологии и сравнительной анатомии. Теперь к ним добавляется четвертый — эволюционная теория пола, дающая возможность извлекать ценную информацию о процессах индивидуального и исторического развития организма.

Конечно, закономерности, с которыми нас знакомит теория пола, справедливы для всего живого. Но все же больше всего нам интересен человек, и в первую очередь такие его признаки, как темперамент, интеллектуальные возможности, творческие способности, камор. Именно эти признаки, как находящиеся на "эволюционном марше", теория описывает наиболее четко.

Считается, что биологическая эволюция человека завершилась 40–50 тысяч лет назад. Теория опровергает эту точку зрения, давая возможность в перечне признаков человека отличить эволюционирующие признаки от стабильных, неизменных в данный момент.

Мужчине и женщине в эволюционном процессе отведены разные роли. Знание теории заставляет отказаться от идеи социальной одинаковости и взаимозаменяемости полов, и в противоположность ей развивать идею их различия и взаимодополнительности. Не тождественность, но равноправие, не конкуренция и драматизм неоправдавшихся притязаний, а коалиция и разумный выбор социальной ниши.

_{Материал подготовлен с использованием следующей литературы:}

_{1. "Два пола: зачем и почему?" Всеросиийский институт повышения квалификации инженерно-педагогических работников профтех образования. Санкт-Петербург, 1992. Составитель Е.И.Соколова}

_{2. Геодакян В.А. "Эволюционная теория пола". Журнал "Природа", 1991, N 8, с. 60–69.}

_{3. Геодакян В.А. Теория дифференциации полов в проблеме человека. В кн.: "Человек в системе наук". М., "Наука", 1989, с. 171–179.}

СИЯЮЩИЕ ВЫСОТЫ ГЕНОМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

С. Боринская, Н. Янковский

К успехам биологии конца XX века, символизирующим прогресс науки, относятся открытия, ставшие научными сенсациями, и разработанные на их основе технологии, которые позволяют манипулировать генным материалом всех живых существ — от бактерий до человека. Это дает надежду на решение множества стоящих перед человечеством проблем (разработку новых средств диагностики и лечения болезней, продление жизни человека, обеспечение продовольствием) и в то же время вызывает опасения, что внедрение биотехнологий может нарушить равновесие природных экосистем и привести к катастрофическим последствиям. Современная биосфера есть результат миллиардов лет эволюции. Достаточно ли человеку пятидесяти лет развития генных технологий, чтобы быть уверенным, что его вмешательство не вызовет глобального экологического кризиса? Чем в связи с этим пугают людей? Утратой биологического разнообразия в результате неконтролируемой экспансии созданных человеком генных конструкций. Замещением сельскохозяйственных сортов растений и пород животных немногочисленными генетически модифицированными организмами в результате монополизации источников сортов и пород. Снижением жизнеспособности будущих поколений людей в результате массового осуществления медико-генетических мероприятий. Обоснованы ли эти опасения? Что действительно можно ждать от этих технологий?

Как устроен геном и как он работает

Программа развития организма записана в его генетическом коде. Геном — это весь текст данного организма, записанный в ДНК четырьмя буквами-нуклеотидами. Самый короткий текст из свободно живущих организмов у бактерии микоплазм — 600 тысяч знаков. В геноме человека — 3 миллиарда. Чтобы только пробежать глазами по собственному генетическому тексту вам потребуется вся жизнь (три миллиарда секунд).

Генетическая программа каждого организма разбита на отдельные гены — подпрограммы, отвечающие за определенную часть жизни клетки. У бактерий от полутысячи до почти десяти тысяч генов, а у человека, мыши и слона лишь немногим больше — 30–40 тысяч. В каждый момент времени в клетке работает лишь небольшая часть генов, необходимых для жизнедеятельности в данной конкретной ситуации, остальные «молчат».

Как у человека, так и у бактерии ген состоит из структурной и регуляторной части. В структурной записана информация о составе синтезируемого с этого гена белка, который, взаимодействуя с другими белками, участвует в построении клеточных структур и проведении биохимических реакций. В регуляторной части записано, когда и при каких условиях данный белок должен синтезироваться.

На структурную часть генов у бактерий приходится 80–90 % ДНК, остальная ДНК участвует в регуляции работы генов. У человека ситуация принципиально отличается. Кодирующие белок участки генома занимают меньше 3 %, тогда как остальная часть выполняет регуляторные и другие, пока неизвестные функции. Система регуляции работы генов человека (и других млекопитающих) гораздо сложнее. Никаких уникальных биохимических процессов клетки человека не проводят, зато те процессы (общие для всего живого мира), которые идут, включаются и выключаются в нужное время и в нужной части тела в соответствии с генетической программой. Например, перед человеческим геном, контролирующим переработку лактозы, найдены два регуляторных участка. Один определяет место, другой — время работы гена. Первый указывает, что ген должен работать только в клетках слизистой кишечника, ведь именно здесь расщепляются поступившие с пищей сахара. Второй полностью отключает работу гена по окончании периода грудного вскармливания (у человека в возрасте 3–5 лет), так как в естественных условиях детеныши млекопитающих получают лактозу только с материнским молоком, а взрослым особям фермент не нужен. Однако у некоторых людей в этом регуляторном участке имеется мутация, которая «разрешает» синтез фермента у взрослых. Такие люди могут пить молоко, тогда как у носителей исходного, немутантного варианта молоко не усваивается, что приводит к расстройству пищеварения.

Записанная в генах человека программа развития реализуется в процессе роста и деления клеток, от первого деления зародышевой клетки до последнего вздоха на жизненном пути. Судьба каждой клетки — станет ли она клеткой эпителия или превратится в нейрон, лейкоцит или эритроцит — определяется тем, какие группы генов в ней работают. Постоянно работают во всех клетках только так называемые гены «домашнего хозяйства» — то есть те, которые заняты синтезом клеточных структур, производством энергии, ремонтом молекулы ДНК. Большая же часть генов обычно бездействует, и необходимы специальные сигналы для того, чтобы они активизировались. Например, гены, контролирующие форму тела, расположены на хромосомах несколькими блоками, причем идут один за другим в том же порядке, в каком и контролируемые ими части тела: сначала гены, которым положено работать в голове, потом гены грудного отдела, потом те, которые определяют развитие задней части тела. Включаются они по очереди. Причем эти свойства генов «домашнего хозяйства» присущи и человеку, и животным. Так, в экспериментах на мухах показано, что если порядок включения генов нарушен, то могут получиться монстры, каких не придумать и Спилбергу, — с дополнительными ногами вместо антенн на голове или с глазами на брюшке и крыльях. У человека известные мутации (на латыни «мутация» означает «изменение») в этих генах также приводят к нарушениям — к изменению положения органов или, например, отсутствию некоторых зубов. Более серьезные нарушения останавливают развитие плода.

Хотя прочтена последовательность нуклеотидов всего генома человека, функции большинства генов по-прежнему неизвестны. Многие гены в нуклеотидной последовательности выявлены лишь с помощью компьютерного анализа (см. «КТ» # 413), и их существование следует подтвердить не вычислительными, а экспериментальными методами. Мы видим текст, но не понимаем, что он означает. Кроме знания структуры и функций генов, нужно еще представлять, чем отличается их работа в разных клетках и на разных этапах развития. И еще — знать, как взаимодействуют генные продукты. Порой утрата довольно больших фрагментов генома не приводит к заметным последствиям. А в других случаях замена всего лишь одной буквы из трех миллиардов приводит к тяжелому заболеванию.

Генные технологии

Теперь мы можем попытаться понять, каким образом генетики вмешиваются в работу наследственных программ. До появления биотехнологии и методов генной инженерии генетические изменения тоже, конечно, происходили, но шли они совершенно иными темпами. С очень значительными генетическими изменениями связана вся эволюция жизни на Земле, насчитывающая более трех миллиардов лет. От времени существования общего предка обезьяны и человека прошло пять миллионов лет, накопившиеся за это время изменения затронули 1,5 % их генетических текстов. Селекционная работа, которую человек вел на протяжении десяти тысячелетий существования производящего хозяйства, также вызвала изменения геномов культурных растений и одомашненных животных, являвшихся объектом отбора. Да и сами люди были вынуждены приспосабливаться (в том числе и на генетическом уровне) к создаваемой ими самими среде обитания.

Заставить ген одного организма работать в геноме другого можно лишь при соблюдении определенных условий. Во-первых, к чужеродному гену следует «подшить» регуляторные элементы подходящего хозяйского гена с тем, чтобы он включился в нужное время в нужной ткани (например, чтобы его продукт секретировался в молоко у коровы), а также элементы, обеспечивающие его встраивание в геном или самостоятельное воспроизведение в хозяйской клетке. Во-вторых, нужно обеспечить систему введения генетической конструкции в клетки хозяина. Технологии «кройки и шитья» генов для всех одинаковы, а вот системы введения ДНК в клетки организма-хозяина сильно различаются. Сейчас такие системы отработаны и для микроорганизмов, и для растений, и для некоторых животных, причем существуют методы введения ДНК в клетки, размножаемые в пробирках, и методы, пригодные для модификации сформированного организма. Последние используют для генотерапии, то есть лечения наследственных болезней путем введения человеку «здоровых» генов.

Еще одно условие — работа гена не должна вредить самому организму-хозяину. Например, устойчивость трансгенного картофеля к колорадскому жуку обеспечена введением в растительный геном бактериального гена, контролирующего синтез белка, токсичного для насекомых (причем не для всех, а для определенной группы) и безвредного для растений, животных и человека. После генетической модификации полученный уникальный организм следует размножить. Для этого используется клонирование.

Клонирование

Клонирование (от греч. клон — ветвь, побег) — точное воспроизведение того или иного живого объекта в некотором количестве копий. Этим термином обозначают два совершенно разных процесса — клонирование (то есть получение идентичных копий) фрагментов ДНК и клонирование клеток взрослого организма (то есть получение группы клеток с одинаковым генотипом).

Клонирование фрагментов ДНК широко используется в молекулярной генетике, так как изучать небольшой участок (размером сотни или тысячи пар нуклеотидов) гораздо легче, чем целую хромосому. Для этого изучаемый фрагмент вводят в клетки микроорганизмов. В частности, в биотехнологии именно с помощью клонирования фрагментов ДНК в бактериях получают клетки, продуцирующие нужные медицине человеческие белки.

Клонирование растений всем известно — это размножение растений черенками. А эксперименты по клонированию животных впервые осуществили в начале 1950-х годов американские эмбриологи Роберт Бриггс и Томас Кинг (Robert Briggs, Thomas King), пересадившие ядро зрелой клетки лягушки в яйцеклетку, собственное ядро которой было удалено. В России такие эксперименты были проведены даже несколько раньше Георгием Лопашевым, но его результаты не были опубликованы из-за преследований генетиков в сталинское время. Английскому ученому Джону Гердону (John Gurdon) удалось усовершенствовать методику и добиться того, что из 1–2 % яйцеклеток с пересаженным ядром вывелись лягушата. Из остальных яйцеклеток или развивались дефектные эмбрионы, или не развивались вообще — слишком велики были повреждения во время операции по пересадке ядер. Если можно клонировать лягушку, то почему не попробовать сделать это и с другими животными?

В 1997 году появилось сенсационное сообщение о том, что в лаборатории Яна Вилмута (Ian Willmut, Эдинбург, Шотландия) разработан метод клонирования млекопитающих. Эксперименты проводились на овце. Ядро из клетки молочной железы взрослой особи ввели в яйцеклетку с удаленным ядром и затем активировали ее посредством электрического удара. Развивающиеся зародыши пересадили в матку приемной матери, где они оставались до рождения. Из 236 опытов успешным был только один, в результате которого родилась ставшая знаменитой овечка Долли. Позже появились сообщения о клонировании других млекопитающих — коровы, козы, мыши, свиньи.

В принципе, технически можно клонировать и человека, но в этом случае возникают моральные, этические и юридические проблемы. Но даже если удастся осуществить клонирование людей, получить личность, идентичную личности донора ядра, невозможно. Невозможно получить даже организм, полностью идентичный исходному по своим биологическим свойствам — для этого пришлось бы точно воспроизвести условия развития плода и рождения ребенка. А предположения о массовом производстве сверхгениев или сверхпослушных солдат не имеют под собой никаких оснований. Любые возможности, которые могут быть реализованы при клонировании, будут все равно лежать в границах возможностей человека как биологического вида.

Сообщения о клонировании животных и появляющиеся время от времени сообщения о якобы успешных попытках клонирования человека (которые пока ничем не подтверждены) привлекают огромное внимание публики. Опросы, проведенные в европейских странах фондом Progress Educational Trust (Лондон), показали, что об овечке Долли знают около 90 % опрошенных, тогда как об имеющих гораздо большее значение для людей и уже применяемых на практике генодиагностике и генотерапии слышали лишь около половины. Похоже, что клонирование ассоциируется у неспециалистов с чем-то вроде возрождения душ и порождает страхи, подобные тем, что были высказаны участниками студенческого митинга в Беркли, во время Международного генетического конгресса (1973). Студенты пытались бойкотировать ученых, обвиняя их в попытках клонировать Ленина, Гитлера, Сталина, Мао Цзэдуна. Как правило, такие опасения возникают из-за недостатка информации. Для клонирования организмов нужны живые клетки. После смерти целостность ДНК нарушается, и она может быть использована для уже упоминавшегося молекулярного клонирования отдельных фрагментов, но никак не для воспроизведения генетически идентичного организма.

Геном человека как объект генных технологий

Геномы разных людей содержат одинаковые наборы генов, но их генетические тексты различаются. Различия составляют в среднем один нуклеотид на тысячу «букв» текста, то есть 0,1 %. С генетическими различиями связаны видовые и индивидуальные биологические признаки каждого организма. Индивидуальные особенности человека затрагивают и устойчивость к инфекциям, и адаптацию к определенным климатическим условиям (в частности, цвет кожи является такой адаптацией), и приспособленность к тому или иному типу питания. Образ жизни, к которому человек генетически и физиологически не приспособлен (включая климатические условия, уровень физической активности, диету), ведет к болезням. Некоторые болезни можно вылечить или предотвратить, меняя среду или образ жизни. Всем известен «бег от инфаркта». Но есть наследственные заболевания, проявляющиеся вскоре после рождения ребенка и до недавнего времени неизлечимые.

Понимание молекулярных основ развития организма в норме и при патологии позволяет разработать принципиально новые подходы к лечению и профилактике заболеваний. Полученная при расшифровке генома человека информация уже привела к созданию систем диагностики для нескольких сотен наследственных заболеваний. Еще двадцать лет назад для большинства из них в справочниках указывалось «исходное нарушение, приводящее к развитию заболевания, неизвестно». Понимание закономерностей работы генов позволяет обнаружить болезнь еще до проявления симптомов. Во многих случаях раннее начало профилактического лечения позволяет предотвратить развитие заболевания или отодвинуть начало его проявления. Например, у одного из десяти тысяч новорожденных встречается серьезное нарушение обмена веществ — фенилкетонурия. При этом заболевании недостает фермента, превращающего аминокислоту фенилаланин в другую аминокислоту — тирозин. У больных накапливается промежуточный продукт обмена фенилаланина — фенилпировиноградная кислота. Избыток ее приводит к поражению клеток мозга и умственной отсталости. Всех младенцев проверяют на наличие этого заболевания. Если оно выявлено, назначают специальную диету, которая позволяет избежать или в значительной мере смягчить развитие симптомов.

Диагностика может проводиться даже еще до рождения ребенка. Для этого на ранних сроках беременности отбирают небольшое количество околоплодной жидкости, содержащей клетки плода. Затем определяют, имеются ли нарушения в генетическом материале этих клеток и не содержатся ли в нем болезнетворные мутации. Такая диагностика может быть проведена еще до имплантации зародыша в матку, поэтому она называется преимплантационной.

Системы генодиагностики самых распространенных заболеваний, таких как болезнь Дауна, фенилкетонурия и др., введены в практику медико-генетического консультирования. Для некоторых заболеваний это позволило значительно снизить частоту рождения детей, обреченных на неизбежную мучительную смерть.

При выявлении генетических нарушений у плода врач предоставляет информацию о возможных рисках, но только родители могут решать, прерывать беременность или нет. Появление новых методов сделало необходимым обсуждение этических проблем и принятие соответствующих законов, защищающих права и достоинство человека, в том числе и в эмбриональном состоянии. В таких дискуссиях участвуют медики и генетики, представители общественных организаций, религиозные деятели, юристы, философы и специалисты по этике.

Разрабатывается новый метод лечения — генная терапия. Больным с генными нарушениями вводят генетический материал, который должен компенсировать исходный дефект. Хотя до широкого применения метода еще далеко, однако основания для оптимизма есть. Например, в 1990 году американский генетик Андерсон (W.F. Anderson) успешно применил генную терапию для лечения девочки с тяжелыми врожденными нарушениями иммунитета.

Большое внимание привлекают исследования по генетике рака. Рак может возникать как под воздействием внешних причин (канцерогенов или вирусов), так и при повреждении генетического аппарата клетки. Найдены гены, мутации в которых повышают риск развития злокачественных преобразований, в частности рака груди. Это позволило проводить диагностику предрасположенности к развитию некоторых форм рака. При лечении онкологических заболеваний может быть эффективна генотерапия. Но разрабатываются и другие направления — например, получение вакцин против рака. В 2001 году начаты испытания вакцины, предотвращающей заражение папилломавирусом — одним из основных агентов, вызывающих рак шейки матки (вирус передается половым путем, и формально этот вид рака можно рассматривать как венерическое заболевание). Если они будут успешны, то в ближайшие годы будет получена вакцина против рака шейки матки — второй по распространенности среди 20-30-летних женщин форм рака.

Задолго до появления генотерапии люди стремились к улучшению породы. В древней Спарте «неправильных» младенцев сбрасывали со скалы. В 30-х годах в США с той же целью было подвергнуто принудительной стерилизации около ста тысяч человек, носителей определенных, утвержденных государством признаков. Такие меры бессмысленны с точки зрения генетики, так как не снижают частоты проявления данных признаков в следующем поколении. На пороге третьего тысячелетия человечество стремится заплатить поменьше за свое благополучие — взять под контроль собственные генетические процессы и вносить в них коррективы не ценой жизни носителей неблагоприятных мутаций, а подправляя генетические тексты по собственному разумению, добываемому в геномных исследованиях.

ОСНОВЫ ИММУНИТЕТА

Г. И. Абелев

Введение

Иммунитет — защита организма от инфекции или, в более широком смысле, — реакция организма на чужеродные макромолекулы, микроорганизмы и клетки. Защита осуществляется с помощью двух систем — неспецифического (врожденного, естественного) и специфического (приобретенного) иммунитета. Эти две системы могут рассматриваться и как две стадии единого процесса защиты организма. Неспецифический иммунитет выступает как первая линия защиты и как заключительная ее стадия, а система приобретенного иммунитета выполняет промежуточные функции специфического распознавания и запоминания болезнетворного агента (или чужеродного вещества) и подключения мощных средств врожденного иммунитета на заключительном этапе процесса.

Система врожденного иммунитета действует на основе воспаления и фагоцитоза, явлений, которые будут рассматриваться в следующей статье. Эта система реагирует только на корпускулярные агенты (микроорганизмы, занозы) и на токсические вещества, разрушающие клетки и ткани, вернее, на корпускулярные продукты этого разрушения.

Вторая и наиболее сложная система — приобретенного иммунитета — основана на специфических функциях лимфоцитов, клеток крови, распознающих чужеродные макромолекулы и реагирующих на них либо непосредственно, либо выработкой защитных белковых молекул.

Феноменология

Рассмотрим элементарную реакцию специфического иммунитета на двух внешне совершенно непохожих моделях — выведении чужеродного белка и отторжении чужеродной ткани. Если в кровь животного, например, кролика, ввести непосредственно, минуя тканевые барьеры, белок крови животного другого вида (например, альбумин лошади) в смеси с собственным альбумином, то в первые дни после введения оба белка будут вести себя неразличимо, то есть выводиться с постоянным и довольно длительным периодом "полужизни" (рис. 1).

Рис. 1. Кривые выведения собственного и чужеродного белков из крови кролика.

_{САК — сывороточный альбумин кролика, CAЛ — сывороточный альбумин лошади, САЧ — сывороточный альбумин человека, а — первичный ответ, б — повторный ответ, в — индукция толерантности.}

Чужеродный белок в нашем случае не токсичен и молекулярно-дисперсен. Он не вызывает ни воспаления, ни фагоцитоза, то есть беспрепятственно минует первую линию защиты и непосредственно встречается со второй. Примерно на 7-й день кривые выведения собственного и чужеродного белка резко расходятся — первый продолжает "двигаться" по своей кривой "полужизни", для второго наступает перелом и он выделяется из кровотока с резко возросшей скоростью (рис. 1а). Организм, следовательно, отличает "свое" от "не своего", это первая особенность реакции специфического иммунитета. Отличие запоминается — повторное введение лошадиного белка приводит к сокращению латентного периода и усиленной реакции (более крутой наклон кривой выведения). Это так называемая иммунологическая память — вторая характерная черта реакции специфического иммунитета. Память специфична, запоминается контакт лишь с лошадиным альбумином, но ни с каким-либо третьим белком. Специфичность запоминания очень высока, и это третья особенность реакции приобретенного иммунитета (рис. 1б). Иммунный ответ на чужеродную макромолекулу можно избирательно подавить, если ввести ее в развивающийся организм внутриутробно или в первые часы после рождения. Способность отличать введенный чужеродный белок от собственного у такого животного утрачивается после рождения. Подавление реакции строго специфично — оно распространяется только на белок, введенный в процессе развития, но не какой-либо иной чужеродный белок (рис. 1в). Это явление носит название толерантности (терпимости). Оно составляет четвертую неотъемлемую особенность элементарной реакции приобретенного, или специфического, иммунитета.

Четыре признака реакции неразделимы, они всегда вместе независимо от того, в какой системе разыгрывается реакция иммунитета. Например, отторжение кожи или органов у генетически разнородных животных и человека, внешне совсем не похожее на выведение чужеродного белка, подчиняются тем же закономерностям. Так, если взять мышей какой-либо генетически однородной линии, то все особи этой линии будут генетически идентичны и иметь, например, белую окраску. Если таким мышам пересадить лоскут кожи (трансплантат) другой инбредной линии, пусть черной, а в качестве контроля — лоскут кожи от генетически идентичной линии, то оба трансплантата сначала приживутся, но на 12—14-й день черный лоскут будет окружен валом лейкоцитов, затем его кровоснабжение начнет ухудшаться и через 3–4 дня он будет отторгнут, в отличие от контрольного, генетически идентичного трансплантата. Очевидно, мы вновь встретились здесь со способностью организма отличать "свое" от "не своего". Эта особенность запоминается: вторичная пересадка черной кожи на белую мышь ведет к усиленному отторжению трансплантата, в более короткие сроки и более интенсивно (иммунологическая память). Запоминание специфично — лоскут кожи от мыши "коричневой" линии, пересаженный при повторной трансплантации "черного" трансплантата, отторгается по типу первичного, а не повторного ответа. И, наконец, толерантность: при пересадке тканей она выявляется еще лучше, чем в системе с чужеродным белком. Введение животному живых клеток крови генетически чужеродной линии в процессе внутриутробного развития делает его на всю жизнь восприимчивым к пересадке тканей и органов линии донора крови. Именно на этой модели толерантность и была впервые обнаружена в 1953 году.

Таким образом, в организме человека и животных (рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие) имеется система иммунитета, способная отличать "свое" от "не своего", запоминать встречу с "не своим", причем с высокой специфичностью, отторгать "не свое" и отвечать иммунологической ареактивностью (толерантностью) на контакт с чужеродным веществом, предварительно введенным в процессе раннего развития. Эта система лежит в основе приобретенного, или специфического, иммунитета.

Приобретенный иммунитет широко используется для вакцинации, то есть введения ослабленных или убитых микроорганизмов, или выделенных из них макромолекул, вызывающих иммунологическую реакцию на эти микроорганизмы. Вакцинация является основным способом предупреждения таких страшных заболеваний как оспа, туберкулез, полиомиелит, сибирская язва и многих других. Приобретенный иммунитет составляет основное препятствие для пересадок органов (сердце, почки, печень) и тканей (кожа) от одного человека другому. Для преодоления этого барьера несовместимости пользуются препаратами, подавляющими иммунную систему.

Вещество, способное вызывать реакцию приобретенного иммунитета, носит название антигена. Антигеном может быть не всякое вещество. Оно должно быть чужеродным, макромолекулярным (с мол. весом более 10 000 — 12 000) и иметь устойчивую химическую структуру. К типичным антигенам относятся белки и полисахариды. В первом примере (см. рис. 1.) антигеном является сам чужеродный белок — альбумин крови, во втором — особые белки, присутствующие на мембранах пересаженных клеток, так называемые антигены тканевой совместимости.

Антитела и антиген-распознающие рецепторы лимфоцитов

Что же происходит в точке перелома кривых выведения и отторжения? В первом случае, когда свободный молекулярно-дисперсный антиген циркулирует в крови, в ответ на него появляются защитные белки — антитела, которые специфически распознают его, образуют с ним комплекс, обезвреживают, если антиген токсичен (бактериальный токсин, змеиный яд или болезнетворный вирус), и способствуют ускоренному выведению его из организма.

При отторжении трансплантата главная роль принадлежит особой разновидности лимфоцитов Т-лимфоцитам-киллерам, "убийцам". Эти лимфоциты несут на своей наружной мембране антителоподобные рецепторы — рецепторы Т-клеток (РТК). РТК специфически распознают антиген, находящийся на мембране чужеродных клеток, и обеспечивают прикрепление киллера к клетке-мишени, что необходимо для осуществления киллером своей смертоносной функции. Для того чтобы киллеры убили клетку-мишень, они должны прикрепиться к ее мембране и выделить в просвет между киллером и мишенью особый белок, "продырявливающий" мембрану клетки-мишени, в результате чего клетка гибнет. После этого они открепляются от мишени и переходят на другую клетку, и так несколько раз. При повторной встрече организма с антигеном образуется больше антител и киллеров, они появляются в более короткие сроки, чем при первой встрече, и их специфичность во взаимодействии с антигеном возрастает. В этом и проявляется иммунологическая память, и на этом основан эффект вакцинации.

Как устроены антитела и рецепторы лимфоцитов? Очевидно, что их структура должна быть необычной, так как они строго специфически распознают громадное множество различных антигенов — любой чужеродный белок, полисахарид или синтетическую молекулу, вообще в природе не встречающуюся. При этом антитела и Т-лимфоциты, как правило, не реагируют с белками и клетками собственного организма. Как природа решает эту задачу?

Принцип строения антитела и РТК представлен на рисунке 2. Антитело состоит из двух идентичных пар полипептидных цепей: Н (Heavy — тяжелых) с молекулярным весом примерно 50 000 и L (Light — легких) — примерно 25 000. Цепи соединены друг с другом ковалентными (дисульфидными) связями (рис. 2а).

Рецептор лимфоцитов, в отличие от антител, — гетеродимер, состоящий из пары различных цепей — а и Ь с молекулярным весом около 50 000, соединенных между собой одной дисульфидной связью. Н-, L-, а- и b-цепи имеют сходный план строения и относятся к одному большому суперсемейству белков — иммуноглобулинов. В основе их структуры лежит сходное повторяющееся звено (домен), состоящее примерно из 110 аминокислот, свернутых в глобулы, напоминающие друг друга (см. рис. 2, где эти звенья обозначены как прямоугольники). Каждый домен в молекуле антитела или РТК выполняет свою биологическую функцию, а наиболее важную из них — распознавание и связывание с антигеном — осуществляют концевые домены (см. рис. 2).

Пара концевых доменов (один из Н-цепи, другой из L-цепи, а в РТК — один из a-цепи, другой из b-цепи) образуют активный центр, уникальную по структуре полость, распознающую в молекуле антигена небольшие дискретные участки, состоящие из 4–8 аминокислот. Эти участки антигена подходят к структуре активного центра, "как ключ к замку", образуя прочные нековалентные связи антигена с антителом. Разные антитела (и РТК также) отличаются друг от друга структурой активных центров. На химическом уровне отличие активных центров определяется первичной структурой концевых доменов Н- и L-, а- и b-цепей, то есть последовательностью аминокислот в них. Участки Н и L цепей (равно как а и Ь), образующие "стенки" активного центра, носят название вариабельных (или V) районов. Остальная часть молекул постоянна и носит название константного (С) района. Вариабельных районов среди молекул антител тысячи, константных — единицы. Главная функция вариабельных районов — образование активных центров антител и РТК. Разнообразие активных центров очень велико, не менее 107–108, что вполне достаточно для более или менее специфического распознавания любого произвольно взятого антигена. Таким образом, структура антител и РТК, а точнее их активных центров, обеспечивает узнавание любого чужеродного белка или полисахарида, попавшего в организм.

Рис. 2. Принципиальная схема строения антител и рецепторов Т-клеток (РТК).

_{Н и L — тяжелая и легкая цепи антител соответственно, VL и VH — вариабельные районы соответственно легких и тяжелых цепей; Va и Vb — вариабельные районы а- и b-цепей; Акт. ц. — активные центры антител и РТК. Прямоугольники — повторяющиеся сходные звенья (домены) в структуре полипептидных цепей; М — клеточная мембрана.}

_{1 D — от diversity (разнообразие), J — от Joining (соединяющий).}

_{V' — фрагмент гена контролирует первые 95 аминокислот в V-доменах,}

_{D — от 2 до 10 и J — от 5 до 15 (см. рис. 3).}

Генетический контроль синтеза антител

Как же осуществляется контроль синтеза полипептидных цепей, один из районов которых постоянно варьирует при переходе от одного антитела (или РТК) к другому (вариабельный, V-район), а остальные строго постоянны (константные, Cl-районы). Эта задача решается благодаря уникальному генетическому механизму — независимому генетическому контролю V- и С-районов, составляющих одну полипептидную цепь, и сборке гена, контролирующего вариабельный район, из фрагментов в процессе созревания лимфоцита.

Гены, контролирующие структуру одной полипептидной цепи антитела или РТК, объединены в семейства, расположенные в одном участке хромосомы. При этом гены, соответствующие V-районам, "разорваны" на 2 или 3 фрагмента — основной V' и один или два дополнительных — D и J 1. V'-фрагментов в геноме недифференцированных лимфоцитов много — от 50 до 1000 для разных цепей и все они отличаются друг от друга по своей структуре. D представлены несколькими десятками копий, a J — единичными, причем каждая из копий имеет уникальную структуру. В процессе созревания лимфоцита фрагменты V-гена объединяются на случайной основе в V'DJ-ген (рис. 3), причем число возможных сочетаний равно произведению числа V'-, D- и J-генов. Для различных цепей антител или РТК число вариантов от тысячи до десятков тысяч.

Рис. 3. Упрощенная схема семейства антител (а) и сборки гена, контролирующего вариабельный район антитела (б).

_{а — Принципиальная схема участка хромосомы, включающего семейства вариабельных (V') и константных (С) генов. Численность V'-генов в отдельных семействах варьирует в зависимости от типа цепей и вида животных от 50 до 1000, а С-генов от 1 до 9.}

_{б — Сборка V-гена из фрагментов. V' — фрагмент гена, контролирующий первые 95 аминокислот V-района; D — короткий фрагмент, контролирующий от 2 до 10 аминокислот, начиная с 96. (Число D — до 20, в зависимости от типа цепи и вида животных); J — короткий концевой фрагмент V-гена, контролирующий от 5 до 15 аминокислот концевого района V-гена. Районы ДНК, разделяющие V'-D и D-J вырезаются и утрачиваются при сборке гена. Транскрибируется (то есть переписывается в информационную РНК) лишь собранный VDJ ген. Расстояние от VDJ до С-гена вырезается и утрачивается при синтезе информационной РНК.}

Кроме того, в процессе сборки возможны ошибки и химические модификации объединяющихся фрагментов, что резко увеличивает число возможных комбинаций. Дальнейшее разнообразие активных центров возникает за счет объединения вариабельных районов пары цепей, составляющих этот центр (см. рис. 2). Таким образом, благодаря сборке V-гена из фрагментов и образования активных центров из разных цепей, создается 107–108 уникальных по своей структуре участков молекулы антител и РТК, среди которых всегда найдутся способные взаимодействовать с любым произвольно взятым антигеном. Все это разнообразие составляет репертуар антител или РТК. Следует подчеркнуть, что этот репертуар возникает до встречи с антигеном и независимо от антигена и что бóльшая часть репертуара антител не потребуется в течение всей жизни особи.

Клеточные механизмы иммунитета

Итак, в организме предсуществуют антитела и РТК к любому произвольно взятому антигену. Эти антитела и РТК присутствуют на поверхности лимфоцитов, образуя там антиген-распознающие рецепторы. Чрезвычайно важно, что на поверхности одной клетки находятся антитела (или РТК) одной и той же специфичности. Один лимфоцит может синтезировать антитела (или РТК) только одной специфичности, не отличающиеся друг от друга по структуре активного центра. Это формулируется как принцип "один лимфоцит — одно антитело".

Каким же образом антиген, попадая в организм, вызывает усиленный синтез именно тех антител, которые специфично реагируют только с ним?Ответ на этот вопрос дала теория селекции клонов австралийского исследователя, Нобелевского лауреата Ф.М. Бернета (1899–1985). Согласно этой теории, высказанной в 1957 году и полностью подтвержденной последующими экспериментами, одна клетка синтезирует лишь один тип антител, которые локализуются на ее поверхности. Репертуар антител формируется до, и независимо от встречи с антигеном. Роль антигена заключается лишь в том, чтобы найти клетку, несущую на своей мембране антитело, реагирующее именно с ним, и активировать эту клетку. Активированный лимфоцит вступает в деление и дифференцировку. В результате из одной клетки возникает 500 — 1000 генетически идентичных клеток (клон), синтезирующих один и тот же тип антител, способных специфически распознавать антиген и соединяться с ним. В результате дальнейшей дифференцировки лимфоцит превращается в клетку, не только синтезирующую данное антитело, но и секретирующую его в окружающую среду. Таким образом, функции антигена — найти соответствующий ему лимфоцит, вызвать его деление и дифференцировку в клетку, секретирующую антитела. В этом и заключается суть иммунного ответа: в селекции нужных клонов и их стимуляции к делению. Динамика первичного и повторного ответов, согласно теории Бернета, — это отражение динамики размножения клонов клеток, продуцирующих антитела к данному антигену. Толерантность — утрата клона клеток вследствие их контакта с антигеном в процессе созревания лимфоцита.

В основе образования лимфоцитов-киллеров лежит тот же принцип: селекция антигеном Т-лимфоцита, несущего на своей поверхности РТК нужной специфичности, и стимуляция его деления и дифференцировки. В результате образуется клон однотипных киллеров, несущих на своей поверхности большое количество РТК, взаимодействующих с антигеном, входящим в состав чужеродной клетки, и способных убивать эти клетки.

И здесь мы встречаемся с новыми проблемами, уже выходящими за пределы клонально-селекционной теории иммунитета. Первая из них: как РТК узнают антиген? Дело в том, что киллер ничего не может сделать с растворимым антигеном, ни обезвредить его, ни удалить из организма. Но лимфоцит-киллер очень эффективно убивает клетки, содержащие чужеродный антиген, поэтому он проходит мимо растворимого антигена, но не пропускает антиген, находящийся на поверхности чужеродной клетки. Для этого существует специальный механизм, так называемое "распознавание в контексте". Он заключается в том, что РТК не узнают соответствующий ему антиген, если он находится в свободном виде, но строго специфически реагируют с ним, если он находится в комплексе с антигеном тканевой совместимости, о котором мы упоминали выше. Эти антигены всегда присутствуют на поверхности любых клеток организма и обладают способностью комплексироваться с чужеродными белками, вернее, с их фрагментами. Таким образом, антигены тканевой совместимости образуют "контекст", в котором (и только в котором!) РТК распознают чужеродный антиген, активируя лимфоцит и стимулируя его к делению и дифференцировке в полноценный киллер.

Вторая проблема, выходящая за пределы клонально-селекционного принципа, — это лимфоциты-помощники. Детальное изучение реакций иммунитета показало, что для образования клона клеток, продуцирующих антитела, или клона киллеров необходимо участие специальных лимфоцитов-помощников. Сами по себе они не способны ни вырабатывать антитела, ни убивать клетки-мишени. Но, распознавая чужеродный антиген, они реагируют на него выработкой ростовых и дифференцировочных факторов, которые необходимы для размножения и созревания антителообразующих и киллерных лимфоцитов. В этой связи интересно вспомнить о вирусе СПИДа, вызывающем сильнейшее поражение иммунной системы (синдром приобретенного иммунодефицита — СПИД). Этот вирус поражает именно лимфоциты-помощники, делая иммунную систему не способной ни к выработке антител, ни к образованию киллеров.

И наконец, очень важная проблема: как вырабатывается толерантность к антигенам собственного организма? В полном соответствии с теорией Бернета было показано, что если незрелый лимфоцит, несущий антительный рецептор или РТК к собственным антигенам, встречается с таким антигеном, то он инактивируется или погибает. Таким образом, организм лишается клонов лимфоцитов, способных реагировать с собственными антигенами, не ослабляя своего ответа на антигены чужеродные. Важно отметить, что при некоторых заболеваниях сохраняются "запрещенные" клоны, отвечающие антителами или киллерами на антигены собственных клеток. В этом случае возникают тяжелейшие заболевания, такие, например, как красная волчанка, при которой поражаются собственные ткани организма.

Эффекторные механизмы иммунитета

Как антитела или лимфоциты-киллеры удаляют из организма чужеродные вещества или клетки? Очевидно, что в случае киллеров РТК выполняют лишь функцию "наводчика" — они распознают соответствующие мишени и прикрепляют к ним клетку-убийцу. Так распознаются клетки, зараженные вирусом. Сам по себе РТК не опасен для клетки-мишени, но "идущие за ним" Т-клетки представляют огромный разрушительный потенциал. В случае антител мы встречаемся со сходной ситуацией. Сами по себе антитела безвредны для клеток, несущих антиген, и не обладают физиологической активностью, ведущей к разрушению антигена. Правда, они подавляют биологическую активность опасных антигенов, таких, как дифтерийный или столбнячный токсины, или змеиный яд. Они также способны блокировать вирус, находящийся в крови (но не в клетках). Но это лишь особые случаи действия антител. При встрече с обычными антигенами (не токсичными), циркулирующими или входящими в состав клеточной стенки микроорганизма, к антителам подключается система комплемента, резко усиливающая эффект действия антител. Комплемент сообщает образующемуся комплексу антиген-антитело биологическую активность: токсичность, сродство к фагоцитирующим клеткам и способность вызывать воспаление.

Система комплемента включает более 10 белков, большая часть которых является проферментами — неактивными предшественниками специфических ферментов, действующих на белки. Первый компонент этой системы распознает комплекс антиген-антитело, находящийся либо в жидкостях организма (в крови или лимфе), либо на поверхности бактериальной клетки. Распознавание комплекса антиген-антитело ведет к активации первого компонента комплемента, в котором появляется ферментативная активность к последующему компоненту. Последовательная активация всех компонентов системы комплемента имеет ряд последствий. Во-первых, происходит каскадное усиление реакции, почти каждый последующий этап реакции активации комплемента является ферментативным, при котором продуктов реакции образуется несравнимо больше, чем исходных реагирующих веществ. Во-вторых, на поверхности бактерии фиксируются компоненты комплемента, резко усиливающие фагоцитоз этих клеток, то есть сродство их к фагоцитирующим клеткам организма. В-третьих, при ферментативном расщеплении белков системы комплемента образуются фрагменты, обладающие мощной воспалительной активностью. И, наконец, при включении в комплекс антиген-антитело последнего компонента комплемента этот комплекс приобретает способность "продырявливать" клеточную мембрану и тем самым убивать чужеродные клетки. Таким образом, система комплемента — важнейшее звено в защитных реакциях организма.

Однако комплемент активируется любым комплексом антиген-антитело, вредным или безвредным для организма. В связи с этим воспалительная реакция, возникающая на безвредные антигены, регулярно попадающие в организм, может вести к аллергическим, то есть извращенным, реакциям иммунитета, тяжело переносимым человеком или животным. Аллергия развивается при повторном, как правило, многократном попадании антигена в организм, например, при повторном введении антитоксических сывороток, или у мукомолов на белки муки, или при многократной инъекции фармацевтических препаратов, в частности, некоторых антибиотиков. Правда, есть аллергические реакции, не требующие для своего развития комплемента. Борьба с аллергическими болезнями состоит в подавлении либо самой реакции иммунитета, либо в нейтрализации образующихся при аллергии веществ, вызывающих воспаление.

Итак, мы рассмотрели сложную и удивительно целесообразно устроенную систему защитных реакций организма. Одной из важнейших проблем современной биологии является вопрос о том, как и из чего она могла возникнуть в процессе эволюции. Подходы к этой проблеме лишь только начинают намечаться.

_{РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА}

_{1. Ройт А. Основы иммунологии. М.: Мир, 1991.}

_{2. Альберте Б., Брей Д., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. и Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994. 2 изд. Гл. 18. "Иммунная система".}

ПЕРЕДАЧА И ТРАНСДУКЦИЯ ГОРМОНАЛЬНОГО СИГНАЛА В РАЗНЫЕ ЧАСТИ КЛЕТКИ

Кулинский В.И.

Введение

Общим принципом передачи любой информации в клетке, как наследственной, так и оперативно регулирующей и управляющей, является обязательность ее трансдукции (преобразования) на каждом этапе. Для наследственной информации общеизвестны как факт трансдукции, так и ее этапы: транскрипция — процессинг про-мРНК (созревание про-матричной РНК) — трансляция — посттрансляционная модификация белка. Для передачи гормональной информации это во многом выяснено в последние годы.

Существуют два основных механизма трансдукции гормонального сигнала в клетку (рис. 1).

Рис. 1. Общая структура сигнал-трансдукторных систем клетки.

_{R — рецептор, G — G-белок, Е — фермент, образующий второй посредник, ЭПС — эндоплазматическая сеть, ПК — протеинкиназа, Ras — белок Раs, HR — гормон-рецепторный комплекс}

При первом гидрофобный гормон (стероидный, иодтиронин, активированные витамины А и D) проникает через плазматическую мембрану, а затем через цитозоль (последнему, очевидно, способствуют транспортные рецепторы цитозоля) в ядро, где образует комплекс с ядерными рецепторами и в результате изменяет матричные синтезы. При втором гормон-рецепторный комплекс образуется на наружной поверхности плазматической мембраны. Это вызывает либо быстрое открытие ионного канала и вход ионов в клетку (вариант На, на рис. 1) и в результате нервный импульс, либо включение систем вторые посредники (ВП) — протеинкиназы (ПК), приводящее к более медленным изменениям метаболизма и функций клеток (вариант IIб). Два механизма (I и IIб) могут приводить к поздним эффектам — изменениям процессов, которые регулируются ядром клетки. Совокупности механизмов, осуществляющих трансдукцию межклеточных сигналов гормонов во внутриклеточные, в том числе и во внутриорганелльные сигналы, получили название сигнал-трансдукторных систем [1]. В статье излагаются современные данные по системам ВП-ПК для разных компартментов (микроотсеков) клетки. Важным достижением является выяснение того, что передача регулирующей информации в ядро и митохондрии происходит своеобразно и различно.

Цитозоль

Четыре основные и наиболее изученные системы передачи гормонального сигнала в цитозоль [1, 2] представлены на рис. 2. Многие гормоны (амины, пептиды, белки, простагландины I и Е), а также запах и вкус действуют через систему цАМФ (циклический аденозинмонофосфат). Образование гормон-рецепторного комплекса через G [ГТФ (гуанозинмонофосфат) — зависимые]-белки активирует или ингибирует аденилилциклазу, которая из АТФ (аденозинтрифосфат) образует цАМФ. Этот ВП вызывает диссоциацию зависимой от него ПК А на регуляторную и каталитическую субъединицы. В результате последняя активируется и фосфорилирует многочисленные белки. Это увеличивает, например, распад гликогена и жира, синтез катехоламинов и глюкокортикостероидов, сокращение сердца, расслабление гладких мышц. Поэтому цАМФ часто рассматривают как сигнал голода и стресса.

Другой циклонуклеотид — цГМФ (циклический гуанозинмонофосфат) образуется двумя гуанилилциклазами. Мембранный фермент активируется натрийуретическими гормонами (G-белки не участвуют), а растворимый (цитозольный) — монооксидами NOJ, СО и JOH [1–3]. Последние — новый (90-е годы) класс неорганических регуляторов, проявляющих свойства иногда межклеточных, иногда внутриклеточных регуляторов. цГМФ активирует ПК G, но, кроме того, изменяет активность других белков, включая ионные каналы (последнее важно для восприятия света [4]). цГМФ увеличивает выделение мочи и Na+, расслабляет гладкие мышцы; NО через цГМФ вызывает эрекцию полового члена. Оба циклонуклеотида дезагрегируют (разъединяют) тромбоциты.

Рис. 2. Основные сигнал-трансдукторные системы клетки.

_{АЦ — аденилилциклаза, ГЦ — гуанилилциклаза, КМ — кальмодулин, КМ-ПК — кальмодулиновая ПК, ФГ С — фосфолипаза С, ФИ — фосфоинозитиды, ФХ — фосфатидил-холин, ИФ3 — инозитолтрифосфат, ДАГ — диацилглицерид, ИН — инсулин, ФРК — факторы роста клеток, ЦК — цитокины, ТК — тирозинкиназа}

Многие гормоны (амины, пептиды, белки, простагландины F и тромбоксаны) через G-белок включают систему фосфолипаз С, которые из фосфатидилинозитидов образуют два ВП: инозитолтрифосфат и диацилглицерид, а из фосфатидилхолина — только последний. Инозитолтрифосфат увеличивает поступление в цитозоль Са²⁺— как внутриклеточного из эндоплазматической сети, так и межклеточного через медленные кальциевые каналы. Комплекс Са²⁺ с его рецептором кальмодулином активирует многие цитозольные ферменты либо прямо, либо через кальмодулиновую ПК. Диацилглицерид при наличии Са²⁺ активирует ПК С. Таким образом, в этой системе функционируют три ВП, две ПК и кальмодулин. Ее стимуляция, например, модулирует функции ионных каналов, способствует распаду гликогена, фосфолипидов и белка, активирует секрецию разных желез, выделение гормонов, вызывает сокращение гладких мышц и агрегацию тромбоцитов [1, 2].

Тирозинкиназы (ТК) — это ПК, фосфорилирующие в белках остатки тирозина (а не серина или треонина, как другие ПК). Эта система отличается от остальных отсутствием ВП. Различают рецепторные ТК, расположенные в плазматической мембране и являющиеся частью рецептора или сопряженные с ним, и нерецепторные (или клеточные). Эта система включается в действие факторов роста клеток, цитокинов (см. раздел "Ядро") и инсулина, опосредуя большинство его эффектов (цитозольные). Образование гормон-рецепторного комплекса, а также антигены активируют рецепторные ТК, и они фосфорилируют различные белки (см. рис. 2). Это включает системы малого G-белка Ras и фосфолипаз С. В последние годы установлено, что обе они запускают целый каскад цитозольных ПК — обычных ПК и нерецепторных ТК [1, 2, 5].

Нет сомнений, что сигнал-трансдукторных систем больше. В 90-е годы открыты новые ВП: церамид, фосфатидная кислота, цАДФ (циклоаденозиндифосфат) — рибоза и даже 5'-АМФ (аденозинмонофосфат). Сейчас интенсивно изучаются связанные с ними сигнал-трансдукторные системы.

Ядро

Многие гормоны и другие внеклеточные факторы (некоторые витамины, сыворотка крови) регулируют матричные синтезы, деление и дифференцировку клеток и другие процессы, определяемые ядром клетки. Однако в ядро проникает очень небольшая группа гормонов (стероиды, иодтиронины). Все остальные гормоны регулируют ядерные процессы без проникновения не только в ядро, но даже в клетку. Это возможно только в том случае, если вместо самого гормона в ядро будет поступать его сигнал. Очевидно, что для этого межклеточный сигнал, передаваемый гормоном, должен трансдуцироваться вначале во внутриклеточный, а затем во внутриядерный сигнал.

Первый этап преобразования гормонального сигнала нами уже разобран. Он приводит к накоплению в клетке ВП и/или активации ПК, то есть особой специфики здесь нет. Отметим только, что ядерные эффекты гормонов наиболее часто связаны с активацией ТК, ПК С и А [5].

Гормоны, наиболее эффективно регулирующие ядерные процессы, — это факторы роста клеток (ФРК) и цитокины. ФРК регулируют деление и дифференцировку всех клеток и, кроме того, поддерживают их витальность (жизнестойкость). Аналогичные эффекты соматотропного гормона (гормона роста) и инсулина реализуются через ФРК. Цитокины регулируют деление и дифференцировку иммунных клеток и вообще процессы иммунитета и воспаления. Иммунологи часто включают ФРК в состав цитокинов.

Теперь и начинается самое интересное — как цитозольный сигнал трансдуцируется во внутриядерный. Наиболее частым механизмом регуляции транскрипции на этапе инициации является специфическое взаимодействие белковых транскрипционных факторов с регуляторными участками ДНК. Поэтому основные усилия были направлены на выявление взаимодействия этого механизма с цитозольными событиями. В результате в 1990–1994 годы были выявлены три основных варианта [5] (рис. 3).

Рис. 3. Основные пути передачи сигнала из цитозоля в ядро.

_{ТФ — транскрипционный фактор, Р — остаток фосфата, И — ингибитор. —> — транслокация сигнальной молекулы в ядро, —> — другие варианты передач и сигнала}

При первом, характерном для действия сыворотки крови или цАМФ-зависимых гормонов в ядро проникают цитозольные ПК, например киназа митогенактивированного белка (MAP-киназа) или каталитическая субъединица ПК А. В ядре такие ПК фосфорилируют один (или более) из внутриядерных транскрипционных факторов, что изменяет его сродство к ДНК и/или степень его активности. Например, ПК А участвует в развитии клеток (спермы и др.), синтезе гормонов и поддерживании суточного ритма, то есть функции цАМФ намного шире, чем думали недавно. При втором варианте, установленном для ряда ФРК, цитокинов и противовирусных белков интерферонов, сигнал в ядро передает не ПК, а фосфорилированный ею белок (например, Stat). До этого он был латентным транскрипционным фактором, но в результате фосфорилирования становится активным, проникает в ядро и специфически связывается с ДНК. При третьем варианте, реализующем эффекты ФРК, активных форм кислорода и ультрафиолета и регулирующем процессы воспаления и иммунитета, в белковом комплексе фосфорилируется и в результате отщепляется ингибиторная или якорная субъединица. Освобожденный от нее и ставший активным транскрипционный фактор проникает в ядро и связывается с ДНК. Это установлено, например, для NF-kB-ядерного фактора, первым (из очень многих) открытым эффектом которого была стимуляция синтеза k-легкой цепи иммуноглобулинов в В-лимфоцитах.

Таким образом, все три уже изученных варианта передачи сигнала в ядро связаны с протеинкиназным фосфорилированием регуляторных белков — транскрипционных факторов или их предшественников. При всех трех вариантах связывание активного транскрипционного фактора с регуляторным участком ДНК происходит быстро и запускает или увеличивает процесс транскрипции ранних генов, то есть генов, определяющих быстрые (в пределах ~ 15 мин) ответы клетки. Возникающие мРНК определяют синтез белковых продуктов ранних генов, которые становятся новыми транскрипционными факторами. Последние, как хорошо известно, стимулируют поздние гены (их активность реализуется в течение часов и суток) [5].

Напомним, что такие гормоны, как стероидные и иодтиронины, и активированные витамины А (ретиноевая кислота) и D (кальцитриол) после образования комплекса со своими ядерными рецепторами также взаимодействуют с регуляторными участками ДНК (см. рис. 1). Это означает, что конечный этап в регуляции ядерных процессов разными гормонами оказывается близким — это взаимодействие гормон-рецепторного комплекса (при механизме I на рис. 1) или — при механизме 116-модифицированного транскрипционного фактора (см. рис. 3) с регуляторными участками ДНК. Однако очевидны глубокие различия и в процессах трансдукции гормонального сигнала в ядро, и в регуляторных участках ДНК. Отметим, что изобилие последних почти в каждом гене эукариот привело к термину "мозг гена", а сам такой ген заслужил название "умного" (smart gene).

Изложенные данные не исчерпывают возможных механизмов и уровней регуляции. Показано, что при стимуляции деления клеток в ядре увеличивается концентрация Са²⁺. Следовательно, проникать в ядро могут не только ПК и модифицированные ими транскрипционные факторы, но и ВП. Однако трансдукция сигнала Са²⁺ в ядре пока не выяснена. Ясно также, что цитозольные ВП и ПК могут регулировать экспрессию генов и на посттранскрипционном и трансляционном уровнях. Но конкретные механизмы передачи сигналов в ядро еще не установлены.

Митохондрии

В последние годы окончательно доказано, что существует множественная регуляция гормонами и ВП всех основных функций митохондрий (MX) [6]: активности ферментов, включая цикл трикарбоновых кислот Кребса, работы дыхательной цепи, окислительного фосфорилирования и процессов энергопотребления. Регуляция осуществляется двумя группами гормонов: Са²⁺-мобилизующими (катехоламины через а1-рецепторы, вазопрессин, ангиотензин) и цАМФ-зависимыми (глюкагон и катехоламины через b-рецепторы). Схема передачи гормонального сигнала в MX представлена на рис. 4. Общее для обоих механизмов — первичный регуляторный сигнал в клетке возникает в гормональных рецепторах плазматической мембраны и затем трансдуцируется в увеличение цитозольной концентрации ВП — Са²⁺ и/или цАМФ. Их влияние на MX является вторичным — в результате воздействия на наружную сторону внутренней мембраны MX или проникновения через нее в матрикс (внутренняя растворимая часть MX).

Рис. 4. Передача гормонального сигнала в митохондрии.

_{Е — фермент MX}

Конкретные механизмы этих процессов различны. Для Са²⁺ существует постоянный обмен через внутреннюю мембрану MX: вход в матрикс (к минусу внутри) за счет энергии мембранного потенциала и выход назад в гиалоплазму в обмен на Na⁺ или Н⁺ за счет энергии, связанной с различиями pH. Расход энергии на это невелик и оправдан: он является основой для кальциевой регуляции функций MX. Кроме того, Са²⁺ активирует как минимум один фермент наружной стороны внутренней мембраны MX (глицерофосфатдегидрогеназу). цАМФ взаимодействует с рецепторным белком внутренней мембраны MX, что, очевидно, и приводит к активации их функций. Кроме того, цАМФ проникает во все компартменты MX, а в каждом из них есть ПК А (но ее роль в регуляции функций MX еще не вполне доказана). В результате описанных процессов цитозольный сигнал — увеличение концентрации Са⁺ и/или цАМФ — трансдуцируется в митохондриальный, что и вызывает множественные изменения функций этих субклеточных частиц [6].

Необходимо обратить внимание на две важные особенности: 1) ионы Са²⁺ действуют не через специализированные рецепторные белки типа кальмодулина, а прямо на митохондриальные ферменты как матрикса, так и внутренней мембраны; 2) эффекты цАМФ могут реализовываться не только через ПК А, но и путем связывания с рецепторным белком внешней стороны внутренней мембраны MX, что изменяет ее свойства и в результате приводит к изменениям функций MX. Это существенно отличается от классических механизмов, характерных для цитозоля эукариот. В то же время у прокариот нет обычных рецепторных белков (кальмодулина и ПК А) для этих вторых посредников, и цАМФ действует через внутриклеточный цАМФ-рецепторный белок. Эту аналогию можно рассматривать как еще один важный факт в пользу известного представления о прокариотическом происхождении MX (суть его в том, что MX в клетке — эндосимбиоз безмитохондриального эукариота, ранее жившего на гликолизе, с прокариотом, открывшим окислительное фосфорилирование). Вместе с тем у MX есть и важные отличия от прокариот: 1) отсутствие аденилилциклазы, 2) локализация рецепторного белка цАМФ в мембране MX, 3) наличие в ней системы транспорта Са²⁺, 4) наличие ПК А. Все эти особенности могли появиться после возникновения эндосимбиоза как ответ на потребность клетки регулировать свои (уже свои) MX. Конечно, в процессе эволюции это происходило разновременно: рецепторный белок цАМФ в MX есть уже у дрожжей, а система транспорта Са²⁺ развивается только у позвоночных. Последние в регуляции функций MX имеют наиболее широкие возможности для выбора: 1) выбор гормона, 2) выбор одного из его рецепторов, 3) выбор ВП, 4) для цАМФ вероятен также выбор пути реализации его эффекта (рецептор внутренней мембраны MX или ПК А).

Вероятно, регуляция функций MX не ограничивается рассмотренными четырьмя гормонами и двумя ВП: 1) как Са²⁺ -мобилизующих, так и цАМФ-зависимых гормонов очень много; 2) биосинтезы (особенно матричные), ионный транспорт (особенно Na+ и К+) и мышечная работа — основные пути расхода энергии, поэтому их регуляторы должны стимулировать и энергообеспечение. Функции MX могут стимулироваться и другими ВП и их рецепторными белками. Для цГМФ и ПК С такие данные уже появились, но излагать их пока преждевременно, да и регуляторные механизмы остаются неясными.

Заключение

В каждой клетке существует комплекс сигнал-трансдукторных систем, преобразующих все внешние сигналы во внутриклеточные, а затем и во внутриорганелльные. Сигналы подавляющего большинства гормонов с рецепторов плазматической мембраны в цитозоль передаются системой вторые посредники — их специфические рецепторы (чаще всего протеинкиназы); фосфорилирование же белков изменяет их активность. Существуют и варианты: второй посредник — неферментный рецепторный белок (Са²⁺ — кальмодулин или цГМФ — ионный канал) и протеинкиназы (тирозинкиназы), прямо активируемые гормон-рецепторным комплексом.

В ядро сигнал обычно передается путем транслокации в него цитозольной протеинкиназы или активированного транскрипционного фактора (фосфорилированного ею или освобожденного из комплекса с другим белком). В митохондрии сигнал передается иначе — путем транслокации из цитозоля вторых посредников: Са²⁺ или цАМФ, которые в основном действуют не через свои специфические рецепторы, а прямо на функциональные белки митохондрий. Механизмы трансдукции в органеллах отличаются от классических цитозольных, но они обеспечивают столь же эффективный контроль гормонами ядерных и митохондриальных процессов, как и цитозольных.

_{ЛИТЕРАТУРА}

_{1. Кулинский В.И. Лекционные таблицы по биохимии. Иркутск: Иркут, мед. ин-т, 1994. Вып. 4: Биохимия регуляций. 94 с.}

_{2. Нейрохимия/Под ред. И.П. Ашмарина, П.В. Стукалова. М.: НИИ биомед. химии РАМН, 1996. С. 244–371.}

_{3. Реутов В.П. // Успехи биол. химии. 1995. Т. 35. С. 189–228.}

_{4. Островский М.А. // Природа. 1993. № 10. С. 23–36.}

_{5. Терентьев А.А. // Биохимия. 1995. Т. 60. С. 1923–1952.}

_{6. Кулинский В.И. // Успехи биол. химии. 1997. Т. 37. С. 171–209.}

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НЕЙРОЭНДОКРИННОЙ РЕГУЛЯЦИИ

В.А. Ткачук

Введение

Все процессы жизнедеятельности у человека и животных находятся под контролем нервных клеток, которые секретируют в синаптическую щель нейромедиаторы, и эндокринных желез, которые выделяют в кровь гормоны. Гормоны и нейромедиаторы сообщают органам и тканям, что, когда и сколько они должны производить. Когда — определяется временем секреции, сколько — количеством секретированного гормона или нейромедиатора, что — наличием рецепторов к этим молекулам только у определенной группы клеток, специализирующихся в отношении данной функции. Среди нейроэндокринных механизмов регуляции существует своя иерархия, тесно связанная со скоростями развития и гашения их сигналов, а также с молекулярными механизмами их действия (рис. 1).

Рис. 1. Три основных механизма нейроэндокринной регуляции клеток

Отклонение от нормы того или иного процесса жизнедеятельности включает нервную систему регуляции, и нейромедиаторы, изменяя активность ионных каналов (являющихся одновременно рецепторами нейромедиаторов, рис. 2), вызывают гипер- или деполяризацию мембраны. Эта регуляция клеточной активности, происходящая за счет физических процессов (перемещение ионов через мембрану), развивается и гасится за доли секунды (рис. 1, слева).

Если нервная система не в состоянии вернуть тот или иной фактор гомеостаза к норме, подключаются гормоны, действующие через мембранные рецепторы и системы вторичных посредников, которые стимулируют химическую модификацию белков. Эта регуляция (рис. 3), происходящая за счет химических процессов (синтез и расщепление вторичного посредника, фосфорилирование и дефосфорилирование белка), развивается и гасится за минуты или десятки минут (рис. 1, в центре).

Если же отклонения от нормы того или иного процесса достигают опасных для организма величин или же должны произойти фенотипические изменения клеток, подключаются стероидные и тиреоидные гормоны, которые имеют цитозольные или ядерные рецепторы, что позволяет им взаимодействовать с хроматином и влиять на экспрессию генов (рис. 4). Эта регуляция, развивающаяся путем индукции или репрессии синтеза мРНК и белков, реализуется спустя 3–6 ч после появления гормона в крови, а гасится спустя 6-12 ч (рис. 1, справа).

Промежуточное положение в этой иерархии занимают факторы роста, рецепторы которых являются тирозиновыми киназами. Взаимодействие фактора роста с рецептором приводит сначала к фосфорилированию определенных белков по ОН-группам тирозина, а затем к проникновению этих фосфорилированных белков или самих факторов роста (иногда вместе с рецептором) в ядро, что может вызывать деление клеток. Следует отметить также, что многие нейромедиаторы (например, ацетилхолин, д-аминомасляная кислота), диффундируя из синаптической щели (которая всегда сообщается с межклеточным пространством) в кровь, приобретают свойства гормонов, вызывающих фосфорилирование белков.

Рис. 2. Структура холинергического рецептора микотинового типа, формирующего ионный канал. Субъединицы, полипептидные цепи которых четыре раза пронизывают липидный бислой, гликоэнлированы извне клетки, а внутри взаимодействуют с белками тубулинового и актинового цитоскелета. Связывание ацетилхолина (АХ) с двумя α-субъединицами холинергического рецептора вызывает конформационные изменения в олигомерном комплексе, в результате чего Na^- входит внутрь клетки

Рис. 3. Системе проведения гормонального сигнала путем образования вторичных посредников и последующей химической модификации белков. Мембранные рецепторы, семь раз пронизывающие липидноый бислой (β-R — бета-адренергический рецептор, М₂-R — холинергический рецептор мускаринового типа) и имеющий сродство к G-белкам (G₂ — G-белок, стимулирующий, а G₁ — G-белок, ингибирующий аденилатциклазу), регулируют образование циклического АМФ (цАМФ) в цитоплазме клетки. Циклический АМФ связывается с протеинкиназой и переводит ее из неактивного в активное состояние. Фосфорилирование ряда белков клетки по ОН-группам серина или треонине изменяет их свойства и тем самым вызывает биологический эффект данных гормонов. Гормональное влияние на клетку устраняется за счет разрушения гормонов извне клетки, что вызывает диссоциацию гомон-рецепторного комплекса. Вследствие этого происходит разобщение G-белков с аденилатциклазой. Кроме того, фосфодиэстераза (ФДЭ) гидролизует циклический АМФ до АМФ, а фосфопротеинфосфатаза дефософолирует фосфобелки, что приводит к полному гашению гормонального сигнала.

Рис. 4. Механизм действия гормонов на процессы трансформации и синтеза белков. Показано влияние тироксина (Т₄), который проникает в клетку и там деиодируется, после чего образовавшийся трииодтиронин (Т₃) связывается в ядре со своим рецептором и, изменяя взаимодействие рецептора с гистонами и ДНК, вызывает транскрипцию матричной рибонуклеиновой кислоты (мРНК). При трансляции мРНК на рибосомах образуется белок, который вызывает биологические эффекты гормона

Изменение мембранного потенциала

На рис. 2 показана структура так называемого никотинового холинорецептора. Он локализован на постсинаптической мембране клетки и при связывании ацетилхолина изменяет свою конформацию таким образом, что через устье, сформированное субъединицами, внутрь клетки устремляются ионы Na⁺. Происходит деполяризация, а затем и замена заряда мембраны на противоположный, что приводит к выходу К⁺ из клетки. Ток ионов К⁺ возвращает потенциал мембраны к исходной величине. В процессе этой перезарядки мембраны, называемой потенциалом действия, через этот же канал-холинорецептор внутрь клетки могут входить ионы Са²⁺. Следовательно, этот канал нельзя назвать избирательным в отношении катионов. В то же время это очень быстродействующая регуляторная система — потенциал действия, вызываемый ацетилхолином, возникает и гасится за 1–2 миллисекунды, благодаря чему синапс может проводить от аксона на иннервируемую клетку до 500 имп./с. Такое быстрое развитие и гашение сигнала возможны благодаря быстроте связывания ацетилхолина с рецептором, а также высоким скоростям его диссоциации от рецептора и разрушения ацетилхолинэстеразой. Разумеется, не менее важен и механизм открывания канала за счет конформационных переходов, происходящих за наносекунды. Продолжительное и быстрое функционирование холинергического синапса требует также большого запаса ацетилхолина, который синтезируется впрок и накапливается в везикулах пресинаптической мембраны. Кроме того, в клетках должны существовать высокие градиенты ионов Na⁺ и К⁺ по обе стороны плазматической мембраны, которые создаются и поддерживаются Ыа⁺/К⁺-насосом (см. статью А.А. Болдырева "Nа/К-АТФаза — свойства и биологическая роль": Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 4).

Быстродействие ацетилхолина (как и других нейромедиаторов) определяется также особенностями того морфологического образования, которое существует между аксоном и иннервируемой клеткой и которое называется синапсом. Благодаря тому что расстояние между пре- и постсинаптической мембранами составляет всего 300–500 Б, а холинорецепторы сконцентрированы в виде кластеров строго против мест секреции ацетилхолина, в момент разрыва секреторного пузырька нейромедиатор быстро оказывается в месте его рецепции. Кроме того, при раздражении аксона происходит выброс столь большого количества ацетилхолина, что молекулы этого нейромедиатора мгновенно насыщают все рецепторы и вызывают массированный вход Na⁺ в клетку (развитие потенциала действия).

Холинергические рецепторы никотинового типа имеют очень низкое сродство к ацетилхолину — полумаксимальное насыщение рецепторов наблюдается в присутствии 10^-4 М ацетилхолина, поэтому как только ацетилхолинэстераза (локализованная, кстати, рядом с холинорецептором) начинает гидролизовать ацетилхолин и понижать его уровень в синапсе, происходят диссоциация этого нейромедиатора от рецептора и возвращение канала в закрытое состояние. Сродство рецептора к нейромедиатору или гормону определяется соотношением скоростей диссоциации и ассоциации гормон-рецепторного комплекса. При константе диссоциации 10^-4-10^-3 М скорость диссоциации ацетилхолина от рецептора составляет доли миллисекунды, что, несомненно, очень важно для быстрого (за 1–2 миллисекунды) восстановления синаптической передачи.

Холинорецептор-каналоформер, функционирующий на постсинаптической мембране, получил название "никотиновый" благодаря тому, что никотин, алкалоид из листьев табака имитирует действие ацетилхолина. На рис. 2 показана структура, которую этот рецептор имеет в электрическом органе рыб или в мышцах эмбрио нов. Видно, что полипептидные цепи каждой из субъединиц (две альфа, по одной бета, гамма и дельта) четыре раза пронизывают мембрану (рис. 2, справа). В зрелых дифференцированных мышцах взрослого животного гамма-субъединица в составе холинорецептора замещается на эпсилон-субъединицу, а в нервных клетках этот рецептор представлен лишь тремя альфа- и двумя бета-субъединицами, что приводит к снижению электропроводности канала для ионов Na+.

Химическая модификация белков

Совершенно иную структуру и другой механизм функционирования имеет так называемый мускариновый холинергический рецептор, который локализован преимущественно вне синапса. На этот рецептор не действует никотин, но он прекрасно активируется мускарином (алкалоидом из ядовитых грибов), а также, разумеется, ацетилхолином, к которому имеет сродство порядка 10^-6 М. Существуют по крайней мере четыре типа мускариновых рецепторов, причем все они близки по структуре (полипептидная цепь семь раз пронизывает мембрану) и сопряжены с G-белками, но передают сигнал разным системам внутриклеточной сигнализации. Так, например, М-холинорецепторы могут стимулировать фосфолипазу С, которая гидролизует фосфоинозитиды, и могут ингибировать аденилатциклазу, синтезирующую циклический АМФ (см. рис. 3) и активировать К⁺-канал.

Эффекты мускариновых холинорецепторов развиваются спустя минуты после взаимодействия с рецептором и гасятся за десятки минут. Столь разительное отличие в скоростях проведения ацетилхолинового сигнала между никотиновым и мускариновым рецепторами объясняется прежде всего разной кинетикой связывания лиганда с соответствующими рецепторами (диссоциация ацетилхолина от мускаринового рецептора происходит за десятки минут), сложным каскадом проведения сигнала в случае мускариновой регуляторной системы (необходимо последовательное взаимодействие рецептора с соответствующим G-белком, затем G-белка с определенным ферментом или каналом и т. д.), а также сравнительно медленно протекающими химическими реакциями синтеза вторичных посредников, фосфорилирования и дефосфорилирования белков.

В каждой клетке функционируют обычно разные типы рецепторов к одному и тому же гормону (например, как альфа-, так и бета-адренорецепторы). Кроме того, клетка чувствительна обычно к 7-10 разным эндокринным регуляторам (нейромедиаторам, гормонам, простагландинам, факторам роста). Каждый из этих регуляторов имеет характерные только для него продолжительность и амплитуду регуляторного сигнала, для каждого характерно определенное соотношение активностей систем генерации вторичных посредников в клетке или изменения мембранного потенциала. На уровне исполнительных систем клетки может происходить как потенциирование, так и взаимное гашение разных регуляторных сигналов.

В каждой клетке функционирует также специальная биохимическая надстройка, регулирующая чувствительность клеток к гормону. Проиллюстрируем ее на примере рецептора, сопряженного с G-белками. Обычно уровень гормонов, действующих через эту систему трансмембранной сигнализации (к их числу помимо названных выше относятся простагландины, гормоны гипофиза, ангиотензин II, брадикинин, вазопрессин, окситоцин, гистамин, дофамин, энкефалин, эндорфин, серотонин, эндотелии, холецистокинин, гастрин, паратироидный гормон), повышается на несколько минут. Этого времени достаточно, чтобы произошло образование нужного количества вторичных посредников (циклического АМФ, Са²⁺, диацилглицерина), которые вызовут активацию соответствующих протеинкиназ и последующее за этим фосфорилирование белков. Если же уровень гормона сохраняется повышенным в течение десятков минут или нескольких часов (из-за гиперфункции эндокринной железы или фармакологического вмешательства), то происходит десенсибилизация соответствующего рецептора. Сначала протеинкиназа, которая есть в плазматической мембране практически всех клеток, фосфорилирует рецептор, в результате чего его сродство к гормону снижается в 2–5 раз. Эта протеинкиназа может фосфорилировать только гормон-рецепторный комплекс, поэтому, чем дольше гормон связан с рецептором, тем больше вероятность того, что рецептор будет фосфорилирован. Если такое фосфорилирование не в состоянии погасить гормональный сигнал, то спустя 15–30 мин происходит фосфорилирование рецептора протеинкиназой, которая активируется соответствующим вторичным посредником (например, в случае b-адренергических рецепторов, активирующих аденилатциклазу, цАМФ-зависимой протеинкиназой; в случае а1-адренергических или M1- и М3-холинергических рецепторов, активирующих фосфолипазу С, протеинкиназой С). Фосфорилирование рецепторов протеинкиназами, зависимыми от вторичных посредников, нарушает сопряжение с G-белками, вследствие чего ослабляется активирующее или ингибирующее влияние гормонов, действующих через эти рецепторы нааденилатциклазу, фосфолипазы А, С и D, Са²⁺- или К⁺-каналы. Если высокий уровень гормона сохраняется в течение нескольких часов, а перечисленные выше механизмы десенсибилизации не в состоянии погасить регуляторный сигнал, происходит эндоцитоз гормон-рецепторных комплексов и внутри клетки появляются рецепторосомы. Они могут вновь встроиться в плазматическую мембрану, если уровень гормона понизится в первые 2–3 часа. Если этого не происходит, они сливаются с лизосомами, после чего рецепторы разрушаются. Очевидно, что восстановление чувствительности клетки к этому гормону потребует нового синтеза рецепторов.

Экспрессия генов

Как уже отмечалось, на определенных стадиях онтогенеза или при достижении критического для организма отклонения от нормы того или иного фактора гомеостаза (гипотермия, гипогликемия, гипоксемия, потеря крови) включается медленная, но наиболее мощная система эндокринной регуляции, действующая через стероидные (андрогены, эстрогены, прогестины, глюкокортикоиды и минералокортикоиды) и тиреоидные гормоны (тироксин и трииодтиронин). Молекулы этих регуляторов, имея липофильную природу, легко проникают через липидный бислой и связываются со своими рецепторами в цитоплазме или ядре (см. рис. 4). Затем гормон-рецепторный комплекс, который из-за высокого сродства рецепторов к гормону (полумаксимальное насыщение рецепторов происходит в присутствии 10^-9-10^-10 М гормона) не распадается в течение 1–3 ч, связывается с ДНК и белками хроматина, что стимулирует синтез матричной РНК на определенных генах. Трансляция мРНК приводит к появлению в клетке 3–7 новых белков, которые вызывают биологический эффект этих гормонов. Стероидные и тиреоидные гормоны могут также репрессировать некоторые гены, вызывая биологический эффект путем уменьшения количества определенных белков в клетке. Обычно эти гормоны изменяют содержание того или иного белка не путем ускорения-замедления транскрипции функционирующих генов, а за счет включения-выключения новых генов. Так, например, стимулирование глюкокортикоидами аминотрансферазной активности печени происходит благодаря появлению в клетках новых (индуцибельных) изоформ аминотрансфераз. Интересно, что и на этом этапе регуляции эндокринная система заботится о гашении сигнала: индуцибельные изоформы белков, как правило, значительно быстрее инактивируются эндогенными протеазами, чем конститутивные изоформы. В процессах влияния стероидных и тиреоидных гормонов на клетки наиболее загадочным представляется механизм избирательной активации только определенных генов. По-видимому, избирательность обеспечивается тем, что рецепторы этих гормонов (рецепторные белки) имеют специальные домены, получившие название "цинковые пальцы", с помощью которых белки могут присоединяться только к определенным участкам нуклеотидных последовательностей ДНК и воздействовать на гены, несущие эти последовательности.

К числу белков, экспрессия которых в клетке контролируется гормонами, относятся не только ферменты, участвующие в метаболизме, но и протеинкиназы, фосфопротеинфосфатазы и другие участники систем проведения нейроэндокринного сигнала, а также многие рецепторы-каналоформеры и рецепторы, регуляторные белки и ферменты, участвующие в обмене вторичных посредников, Благодаря этому стероидные и тиреоидные гормоны могут участвовать в формировании не только возрастных и половых признаков, но и определять психоэмоциональный статус организма, а также баланс катаболических и анаболических реакций в органах и тканях, их чувствительность к нейромедиаторам и гормонам.

Заключение

Мы рассмотрели основные механизмы, с помощью которых нейроэндокринная система поддерживает постоянство внутренней среды организма и обеспечивает его адаптацию к изменениям окружающей среды. Следует отметить, что у высших животных гормоны влияют также на поведение и память, а мозг, в свою очередь, контролирует активность эндокринных желез. Едва ли есть смысл в рассуждениях о том, какая система — нервная или эндокринная — более эффективна или более важна, так как эти регуляторные процессы не функционируют обособленно. У человека и животных нейроэндокринная система регуляции стоит во главе всех регуляторных процессов, обеспечивающих согласованность процессов жизнедеятельности по скорости, времени и месту протекания.

_{РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА}

_{1. Розен В.Б. Основы эндокринологии. М.: Изд-во МГУ, 1994.}

_{2. Альберте Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994. Т. 2. С. 338–393.}

_{3. Ткачук В. А. Введение в молекулярную эндокринологию. М.: Изд-во МГУ, 1983.}

_{4. Авдонин П.В., Ткачук В.А. Рецепторы и внутриклеточный кальций. М.: Наука, 1994}

Биоинформатика

Лекция № 25

А.А. Миронов

В настоящее время слово биоинформатика стало очень модным, оно употребляется в трех разных смыслах. Первый смысл связывают с телепатией, экстрасенсорикой и т. д., об этом мы говорить не будем. Второй смысл связан с применением компьютеров для изучения любого биологического объекта, но эту тему мы тоже не будем затрагивать. Речь пойдет о биоинформатике в узком смысле слова, а именно о применении компьютерных методов для решения задач молекулярной биологии, в основном анализа разных последовательностей (аминокислотных, нуклеотидных). Эта наука возникла в 1976–1978 годах, окончательно оформилась в 1980 году со специальным выпуском журнала «Nucleic Acid Research» (NAR). Биоинформатика включает в себя:

• базы данных, в которых хранится биологическая информация

• набор инструментов для анализа тех данных, которые лежат в таких базах

• правильное применение компьютерных методов для правильного решения биологических задач

На рисунке показаны соотношение этапов развития биоинформатики (справа) с возникновением разных экспериментальных методик и полученных результатов экспериментальных исследований.

Технология ∙ Биоинформатика

1962 ∙ — ∙ Молекулярные часы

1965 ∙ Секвенирование tRNA ∙ База данных PIR

1970 ∙ Обратная транскрипция ∙ Алгоритм выравнивания NW

1972 ∙ Клонирование ∙ —

1980 ∙ Секвенирование ∙ База данных PDB. Спец ∙ выпуск NAR, Базы данных нукл. Послед

1981 ∙ — ∙ Алгоритм выравнивания SW

1982 ∙ Секвенирование ДНК фага лямбда ∙ -

1983 ∙ PCR ∙ Алгоритм поиска по базе данных WL

1985 ∙ Секвенирование ДНК вирусов ∙ FASTA — поиск по базе данных

1987 ∙ — GeneBank. Профили

1989 ∙ Программа "Геном человека" ∙ Swiss-Prot. NCBI

1991 ∙ EST ∙ -

1992 ∙ Первая хромосома дрожжей ∙ BLOSSUM

1993 ∙ Автоматическое секвенирование ∙ -

1995 ∙ Первый геном бактерии ∙ База данных SCOP

1996 ∙ Первый геном архейный ∙ -

1997 ∙ — ∙ PSI-BLAST. Кластеры ортологичных генов

1998 ∙ Геном червя ∙ -

2001 ∙ Геном человека ∙ -

В 1962 году была придумана концепция "молекулярных часов", в 1965 была секвенирована тРНК, определена ее вторичная структура, в это же время были созданы базы данных PIR для хранения информации об аминокислотных последовательностях. В 1972 году было придумано клонирование. В 1978 году были разработаны методы секвенирования, была создана база данных пространственных структур белков. В 1980 был выпущен спецвыпуск журнала NAR, посвященный биоинформатике, затем были придуманы некоторые алгоритмы выравнивания последовательностей, о которых речь пойдет дальше. Дальше был придуман метод ПЦР (полимеразная цепная реакция), а в биоинформатике — алгоритмы поиска похожих фрагментов последовательностей в базах данных. В 1987 году оформился GeneBank (коллекция нуклеотидных последовательностей) и т. д.

Биолог в биоинформатике обычно имеет дело с базами данных и инструментами их анализа. Теперь разберемся, какие базы данных бывают в зависимости от того, что в них помещают. Первый тип — архивные базы данных, это большая свалка, куда любой может поместить все, что захочет. К таким базам относятся

• GeneBank & EMBL — здесь хранятся первичные последовательности

• PDB — пространственные структуры белков, и многое другое.

В качестве курьеза могу привести пример: в архивной базе данных указано,

что в геноме археи (архебактерии) есть ген, кодирующий белок главного комплекса гистосовместимости, что является полной чепухой.

Второй тип — курируемые базы данных, за достоверность которых отвечает хозяева базы данных. Туда информацию никто не присылает, ее из архивных баз данных отбирают эксперты, проверяя достоверность информации — что записано в этих последовательностях, какие есть экспериментальные основания для того, чтобы считать, что эти последовательности выполняют ту или иную функцию.

К базам данных такого типа относятся:

• Swiss-Prot — наиболее качественная база данных, содержащая аминокислотные последовательности белков

• KEGG — информация о метаболизме (такая, которая представлена на карте метаболических путей, которую те, кто ходит на лекции, видели на лекции № 2)

• FlyBase — информация о Drosophila

• COG — информация об ортологичных генах.

Поддержание базы требует работы кураторов или аннотаторов. Тем не менее, даже в курируемых базах данных могут встречаться курьезные надписи, например такая забавная надпись:

CAUTION: AN ORF CALLED DSDC WAS ORIGINALLY (REF. 3) ASSIGNED TO THE WRONG DNA STRAND AND THOUGHT TO BE A D-SERINE DEAMINASE ACTIVATOR, IT WAS THEN RESEQUENCED BY REF. 2 AND STILL THOUGHT TO BE "DSDC", BUT THIS TIME TO FUNCTION AS A D-SERINE PERMEASE. IT IS REF.1 THAT SHOWED THAT DSDC IS ANOTHER GENE AND THAT THIS SEQUENCE SHOULD BE CALLED DSDX. IT SHOULD ALSO BE NOTED THAT THE C-TERMINAL PART OF DSDX (FROM 338 ONWARD) WAS ALSO SEQUENCED (REF.6 AND REF. 7) AND WAS THOUGHT TO BE A SEPARATE ORF (YES, DON'T WORRY, WE ALSO HAD PROBLEMS UNDERSTANDING WHAT HAPPENED!).

По крайне мере здесь кураторы базы данных честно признаются, что не знают, как это случилось.

Третий тип — производные базы данных. Такие базы получаются в результате обработки данных из архивных и курируемых баз данных. Сюда входит:

• SCOP — База данных структурной классификации белков (описывается структура белков)

• PFAM — База данных по семействам белков

• GO (Gene Ontology) — Классификация генов (попытка создания набора терминов, упорядочивания терминологии, чтобы один ген не назывался по разно му, и чтобы разным генам не давали одинаковые названия)

• ProDom — белковые домены

• AsMamDB — альтернативный сплайсинг у млекопитающих

И интегрированные базы данных, в которых вся информация (курируемая, не курируемая) свалена в кучу, и введя имя гена, можно найти всю связанную с ним информацию — в каких организмах встречается, в каком месте генома локализован, какие функции выполняет и т. д.

• NCBI Entrez — доступ к информации о нуклеотидных и аминокислотных последовательностях и структурах

• Есосус — все о Е. coli — гены, белки, метаболизм и пр.

Теперь перейдем к рассмотрению инструментов биоинформатике. Инструменты определяются задачами, которые мы хотим решать.

Основу биоинформатики составляют сравнения. Если у нас есть, например, аминокислотная последовательность, о которой у нас есть экспериментальные данные, и известны ее функции, и другая, похожая на нее последовательность, мы можем предположить, что эти последовательности выполняют сходные функции. Это задача поиска сходства последовательностей

Другая задача связана с анализом генома. Недавно было объявлено, что полностью просеквенирован геном человека, но так же просеквенировали геномы и других организмов: три генома растений, мыши, крысы, кошки, собаки, курицы, рыбы, лягушки завершается, шимпанзе завершается, две дрозофилы сделаны, малярийный комар, червяки, дрожжи и т. д. — всего около 30 видов эукариотических геномов. Также просеквенированы сотни бактериальных геномов. Один бактериальный геном можно просеквенировать в хорошо оборудованной лаборатории за неделю. При этом получают длинную нуклеотидную последовательность нуклеотидов. Там есть гены — белок-кодирующие участки, и участки, кодирующие тРНК и рРНК. Возникает задача найти эти гены. Другая задача — поиск сигналов в ДНК, то есть тех участков ДНК, которые отвечают за регуляцию — сайты связывания регуляторных белков, элементы вторичной структуры мРНК, которая транскрибируется с этого гена и др.

Есть задача предсказания вторичной структуры РНК. А также есть большой класс задач анализа белков. Для решения этих задач надо создавать методы анализа, то есть алгоритмов (протоколов) и программ для анализа. При создании метода надо иметь критерий того, что метод адекватен, соответствует реальности.

Как оценить "правильность" метода? Геном типичной бактерии содержит около 1000 генов. Как уже упоминалось, секвенировать геном можно за неделю. Экспериментальная характеристика одного белка требует как минимум 2 месяца работы современной лаборатории.

Для того чтобы определить, насколько предложенный метод анализа хорош и правилен, существует так называемый «золотой стандарт». Например, у нас есть метод определения генов. Если после его применения на какой-либо последовательности, в которой известно месторасположение генов, наши результаты совпадают с тем, что есть на самом деле на 80–90 %, значит наш метод правильный и эффективный. В этом и заключается суть «золотого стандарта».

Или предсказание вторичной структуры РНК. Экспериментально ее определить очень трудно, но есть РНК, структура которых хорошо известна — это рРНК и тРНК. И если наш метод хорошо предсказывает структуру этих известных РНК, то можно ожидать, что и для других РНК он будет давать хорошие предсказания.

Вернемся к первой задаче — сравнению последовательностей. Запишем одну последовательность под другой.

Нам надо при сравнении найти наилучший вариант, так выровнять эту пару последовательностей, чтобы количество совпадений будет максимальным (парное выравнивание). Качество выравнивания оценивают, назначая штрафы за несовпадение букв и за наличие пробелов (когда приходится раздвигать одну последовательность для того, чтобы получить наибольшее число совпадающих позиций).

Таким образом, первым делом после секвенирования последовательности ищут в базах данных похожие последовательности, чтобы после сравнения судить о том, какие функции несет эта последовательность. Если две буквы совпали, значит они находятся под давлением отбора, они функционально важны. Известно, что аминокислоты различаются по своим свойствам, поэтому если произошла аминокислотная замена, это может почти никак не повлиять на работу белка, а может сильно его изменить.

Например, если лизин (положительно заряженная аминокислота заменится на лейцин (похожий по созвучию, но совершенно несходный по свойствам), то для пространственной структуры и функций белка это может оказаться катастрофой. А вот замена лизина на аргинин (также положительно заряженный) может не сказаться на структуре белка.

Поэтому при сравнении аминокислотных последовательностей учитывают также матрицу сопоставления аминокислотных остатков (похожих, менее похожих и совсем непохожих).

Как осуществляется выравнивание? Пишем одну последовательность под другой.

Сколько есть способов написать одну последовательность S1 длиной m под другой — S2 длиной n (со вставками)? Об этом можно доказать теорему — попробуйте.

Построим выборочную последовательность S длиной m + n следующим образом: возьмем несколько символов из последовательности S1, потом несколько символов из последовательности S2 потом опять несколько символов из S1, потом опять несколько из S2.

• Каждой выборочной последовательности S соответствует выравнивание и по каждому выравниванию можно построить выборочную последовательность. (Доказать!)

• Количество выборочных последовательностей равно

(Доказать!)

Таким образом количество выравниваний можно определить по формуле:

А как же найти оптимальное среди такого большого количества? Можно, конечно, попробовать разные способы, но оказывается, что этот поиск сводится к задаче поиска оптимального пути на графе. Задача поиска оптимального пути на графе решается методами динамического программирования следующим образом. Мы пишем одну последовательность над другой. И у нас есть некая ячейка, в которой мы будем хранить вес наилучшего выравнивания префиксов (то фрагментов последовательности от начала до данного места). И если у нас известен вес наилучшего выравнивания в 3 ячейках (см. слайд ниже), то мы можем определить вес наилучшего выравнивания в четвертой ячейке. То есть, для того, чтобы найти вес оптимального выравнивания, нам надо просмотреть m*n ячеек (количество ячеек в прямоугольной матрице MxN). Как принято говорить в информатике, это — квадратичный алгоритм. Он занимает время и объем памяти, пропорциональный квадрату длины последовательности. И вместо случайного перебора большого числа вариантов, мы решаем задачу довольно быстро.

Откуда берутся матрицы замен? Мы берем некоторое количество выравниваний, в которое по тем или иным причинам верим, и смотрим, как часто у нас происходят такие замены. Тогда матрица замен является логарифмом отношения некоторых вероятностей, которые можно оценить как частоты.

Итак, у нас имеется замечательный квадратичный алгоритм поиска сходства. Время решения задачи выравнивания пропорционально L1*L2. Мы сравниваем имеющуюся у нас последовательность с последовательностями в банке. L1 = размер банка = 10⁸, а для генома человека 3x10⁹. Сравниваемая последовательность обычно имеет размер L2=10³, количество операций примерно равно 100*10¹¹=10¹³.) Обычный компьютер имеет быстродействие около 10⁹ операций в сек. На каждый шаг надо ~10² операций. Тогда время работы равно Т~10⁶ сек ~11 дней. То есть, просеквенировав бактериальный геном из 3000 генов (приблизительно за неделю), на то, чтобы его охарактеризовать, мы потратим 11*3000 дней, то есть проанализировать дольше, чем секвенировать, что, конечно, не очень хорошо.

Решением является то, что мы до применения методов динамического программирования сначала выбираем правильных кандидатов для сравнения. Есть такая программа BLAST (basic local alignment search tool), которую все биологи очень любят, она почти правильная. То есть она почти всегда работает так, как требует "золотой стандарт".

Основная идея ее работы заключается в хешировании. В самом начале мы один раз проходим по всему банку и для каждого короткого слова с заранее зафиксированной длиной мы запишем список позиций, где оно встречается в банках.

Здесь показано для слов длиной 4, в реальности слова берут не длиной 4, как показано на рис., а длиной 7 или 10 или 13, но принцип тот же. В каких-то случаях "слову" соответствует три позициями, в других — 100 позиций.

Дальше мы идем вдоль последовательности "Query" (та последовательность, которую мы хотим прогнать по банку) и выбираем очередные слова. Смотрим в таблице, где встречается это слово, вытягиваем найденные последовательности из банка и строим выравнивание их с нашей исходной последовательности. Это делается быстро, так как мы сравниваем нашу последовательность не со всеми последовательностями из банка, а только те, которые соответствуют нашему "слову" (tttgc в показанном случае). И выравнивание строим тоже не так аккуратно, как это делает алгоритм динамического программирования, а используем упрощенную схему.

Затем мы оцениваем статистическую значимость этого выравнивания — так называемую e-value. Вообще, есть два понятия, которые очень часто встречаются в биоинформатике: e-value и p-value. Е-value — это сколько мы ожидаем увидеть совпадений с таким весом (то есть такого качества), если бы у нас наши последовательность и банк были случайными. Если они случайные, то мы ожидали бы увидеть е^-2 совпадений.

e-value — это ожидаемое число событий, может быть больше единицы. Если е-value маленькое, то, значит, совпадение значимое, и оно несет большую биологическую информацию. P-value — это вероятность встречи такого соответствия (не может быть больше единицы). При оценке e-value, да и вообще при любых статистических оценках, важно, какая модель лежит в основе всего этого дела. Модель, которая лежит в основе e-value, конечно же, неправильная, потому что мы не знаем правильность статистических характеристик биологических последовательностей. Е-value просто дает нам ориентир, и реально, если мы имеем е-value порядка 10^-2, то это, как правило, мусор, незначимое соответствие. Правда, есть некоторые специалисты с такой интуицией о структуре белков, которые могут работать с выравниваниями с e-value даже порядка 1. А обычно если исследователи видят e-value > 10^-3, они с этим не работают.

Есть разные модификации BLAST: BLASTp (выравнивание аминокислотных последовательностей), BLASTn (выравнивание нуклеотидных последовательностей), BLASTx (выравнивание всех возможных транслятов нашей нуклеотидной последовательности против банка аминокислотных последовательностей), TBLASTx (выравнивание всех возможных транслятов нашей нуклеотидной последовательности против всех транслятов банка нуклеотидных последовательностей). Еще нужно знать, что Nr Data Base — (non redundant) — это база, против которой обычно прогоняют BLAST, в которой нет повторяющихся последовательностей, из которой убраны дубли для того, чтобы не гонять BLAST по одним и тем же последовательностям. И score — это вес выравнивания.

А если на нашу последовательность при поиске налипло, например, не одна, а двадцать последовательностей. При этом возникает задача написать все эти последовательности друг под другом, чтобы увидеть, в какой мере они совпадают, что консервативно (устойчиво повторяется), а что нет, и как устроена наша аминокислотная последовательность. Эта задача называется

Множественное выравнивание

Множественное выравнивание — это такой способ написания нескольких последовательностей друг под другом (может быть, с пропусками в каких-то позициях в разных последовательностях), чтобы в каждом столбце стояли гомологичные позиции.

Для этой задачи тоже есть «золотой стандарт». Это выравнивание, которое бы получилось, если бы мы выровняли друг под другом последовательности, которые имеют одинаковую пространственную структуру. То есть две экспериментально установленные пространственные структуры белка сопоставляем и отмечаем, какие аминокислотные остатки друг под другом встали (эти остатки соответствуют гомологичным позициям). Это — биологически обоснованное выравнивание. Возникает задача — найти способ (построить алгоритм и определить параметры), который выравнивает последовательности "золотого стандарта" (то есть последовательности, для которых пространственная структура известно) правильно. Если такой алгоритм построен, то есть надежда, что он выровняет последовательности с неизвестной пространственной структурой тоже правильно.

Для решения задачи множественного выравнивания можно попробовать написать многомерную матрицу и построить методом динамического программирования с просмотром многомерной матрицы. Тогда количество вершин будет порядка Lⁿ, где L — длина, а n — количество последовательностей. Так как типичное количество последовательностей в семействе белков сотни, то 300 аминокислот дадут 300¹⁰⁰ — это очень много, этот алгоритм для множественного выравнивания не подходит.

Тогда придумали метод прогрессивного выравнивания. Зная расстояния между любой парой последовательностей, мы можем построить выравнивание, определить вес выравнивания, и построить какое-то бинарное дерево. Затем мы обходим это дерево, последовательно проводя парные выравнивания наиболее близких последовательностей. Объединяем, получаем выравнивание. Соединяем суперпоследовательности, получаем следующее выравнивание. В конце концов, получаем выравнивание в корне.

Такое постепенное построение выравнивание решает задачу, которую мы не можем сформулировать математически. В биоинформатике очень часто нельзя построить математическую формулировку задачи, которую мы решаем. Поэтому формулировка задачи, которую решает алгоритм BLAST, выглядит так: мы находим то, что находит программа BLAST. Также мы не можем сказать, что мы оптимизируем при множественном выравнивании.

Одна и та же биологическая задача может приводить к разным математическим постановкам одной и той же задачи. Есть примеры, когда одна и та же задача может быть построена так, что она будет математически решаемой или математически не решаемой. Есть класс задач, для которых не существует хороших алгоритмов. Но при построении множественных выравниваний мы решаем с помощью данного алгоритма, без формулировки математической задачи.

Дальше идет задача

предсказания вторичной структуры РНК

Вторичная структура РНК — структура, образуемая спаренными основаниями на однонитевой молекуле РНК. Биологическая роль вторичной структуры: структурная (РНК — рибосомная, тРНК), регуляция (рибопереключатели, аттенюация, микроРНК), рибозимы, стабильность РНК.

На рисунке показана типичная вторичная структура РНК и разные формы представления вторичной структуры РНК:

Вся РНК состоит из петель и спиралей (указано на рисунке). Петли бывают следующих типов: шпилька, внутренняя, выпячивание, множественная, псевдоузел. Так вот, возникает задача установить, кто с кем спарен. Биологическая формулировка этой задачи звучит так: дана последовательность РНК, определить ее правильную вторичную структуру. «Золотой стандарт» — тРНК и рРНК. Количество возможных вторичных структур очень велико. Задачу можно сформулировать таким образом (законным с точки зрения физики): надо минимизировать энергию, по скольку правильная вторичная структура наиболее стабильная. На самом деле, с точки зрения биологии это не совсем верно, но формулировка очень удобная с точки зрения физики и математики. Далее вопрос, что оптимизировать и как оптимизировать.

Предположим, что мы не будем минимизировать усилия по поиску, а все переберем. Построим такой граф, в котором вершины — потенциальные спирали, а ребра проводятся, если две потенциальные спирали в вершинах совместимы (то есть, если две спирали могут одновременно существовать в данной молекуле РНК).

Тогда вторичной структурой будет любой полный подграф, то есть такой граф, в котором все вершины между собой соединены — называется "клика". Тогда задача такова: в таком графе найти клику. Клика будет соответствовать хорошей структуре.

Но, к сожалению, задача поиска клики в графе является математически плохой — для нее, скорее всего, не существует эффективного алгоритма ее решения (кроме полного перебора всех вариантов).

Если мы fgh уберем, то получим клику, некую вторичную структуру. Можем получить и другую клику.

Вторичная структура может быть представлена в виде правильной скобочной структуры, как на рисунке ниже. Левая часть — открывающая скобка, правая часть — закрывающая скобка. Вторичная структура тоже может быть представлена в виде дерева, но важно, что количество возможных структур порядка 1,8L (это доказывается в теореме, которую я не буду здесь представлять). Это тоже очень много, поэтому задача поиска клики тоже не эффективна.

Тем не менее, есть алгоритм динамического программирования, который позволяет нам найти за кубичное (а не квадратичное, как раньше) время найти структуру, имеющую наибольшее количество спаренных оснований. Основная идея его (как и любого алгоритма динамического программирования) заключается в том, что если мы знаем все решения на какой-то части, то мы можем сказать, какое будет решение на чуть большем фрагменте.

Можно минимизировать не число спаренных оснований, а минимизировать энергию (эта задача сложнее, но ее с помощью разных ухищрений тоже можно оставить кубичной). Минимизация все равно не позволяет достигнуть большой точности предсказания. Проблемы предсказания вторичной структуры РНК.

Только около 65–70 % тРНК сворачиваются в правильную структуру.

Для предсказания вторичной структуры используются энергетические параметры, а они определены не очень точно. Более того, в клетке бывают разные условия, и, соответственно, реализуются разные параметры.

Находится единственная структура с минимальной энергией, в то время как обычно существует несколько структур с энергией, близкой к оптимальной.

Поэтому есть предложения искать субоптимальные структуры и искать эволюционно консервативные структуры (структуры тРНК и рРНК определены именно так). То есть забыть про энергию, и если мы знаем, что эти наборы РНК выполняют одну и ту же функцию, то мы можем построить такую структуру, которая была бы общей для всех этих последовательностей.

Теперь я расскажу, как это все применяется.

Исследование консервативности альтернативного сплайсинга, или Почему мышь не стала человеком?

Структура генов прокариот очень проста: есть начало, есть конец, получается мРНК, которая имеет начало и конец, идет транскрипция, трансляция и белок.

У эукариот структура гена сложнее. Из длинной мРНК удаляются (вырезаются) интроны (insertion sequences, вставочные последовательности), а оставшиеся экзоны сшиваются в единую нить. Из пре-мРНК получается зрелая мРНК, процесс называется сплайсингом. Потом происходит трансляция зрелой мРНК, в результате образуется белок. Мы будем интересоваться экзонами и интронами.

Если бы мы умели правильно предсказывать интроны и экзоны, мы бы могли разметить ген на белок-кодирующие и белок-некодирующие участки.

Альтернативный сплайсинг

Оказывается, ситуация еще сложнее. РНК, прочитанная с одного и того же гена, может сплайсироваться по-разному, что приводит к образованию мРНК с разными наборами экзонов: какой-то экзон в один вариант мРНК попадает, а в другой — нет, и в итоге получатся две разных мРНК и, соответственно, два разных белка. Это называется альтернативным сплайсингом. Таким образом, на уровне созревания мРНК могут образовываться разные РНК-продукты, которые приводят к образованию разных белков.

Сплайсинг происходит в ядре, трансляция — в цитоплазме. Для изучения того, что же оказалось в цитоплазме (то есть того, что подвергается трансляции), секвенируют короткие, 500–600 до 1000 нуклеотидов куски цитоплазматической РНК. Такие сиквенсы называются EST (expresstion sequence tag — "ярлыки экспрессируемых последовательностей"). EST — это короткие, прочитанные однократно (то есть весьма неточно), фрагменты цитоплазматической (сплайсированной, содержащей только экзоны) РНК. Если у нас есть геном, то мы можем эти EST картировать на геном и, тем самым, найти, где находятся интроны и экзоны.

Если при картирование EST полностью, без перерывов, соответствует геномной последовательности — это ген без интронов. Если EST ложится на геном с перерывами, то мы наблюдаем результат сплайсинга. Если же разные EST демонстрируют несколько вариантов расположения в одном и том же участке генома (то есть выявляют разные сочетания экзонов), то мы наблюдаем альтернативный сплайсинг. Экзон, который может включаться в белок, а может и не включаться, называется кассетным экзоном. мРНК с разными наборами экзонов данного гена (то есть в которые некий кассетный экзон или включается или не включается), называются изоформами.

Частота альтернативного сплайсинга

Сначала альтернативный сплайсинг был обнаружен у вирусов, считалось, что это экзотика. До 1998 г. считалось, что только около 6 % генов человека имеют альтернативный сплайсинг. Рассчитали, что для того, чтобы обеспечить наблюдаемое разнообразие белков, в геноме человека должно было быть 80 — 100 тысяч генов. В 1998 году было показано, что около половины генов человека имеют альтернативный сплайсинг. За счет альтернативного сплайсинга число генов может быть меньше числа кодируемых ими белков, так как с одного гена может образовываться несколько белков.

Как было написано в какой-то газете "Многолетними усилиями ученых количество генов человека было сокращено со 100 тысяч до 25". Действительно, по последним оценкам в геноме человека около 25–30 тысяч генов. Оценка количества белков не изменилась — разных белков около 80-100 тысяч. Разнообразие белков обеспечивается альтернативным сплайсингом. Например, в одних клетках белок должен быть в цитоплазме, в других — такой же белок в мембране, в третьих — транспортироваться наружу. И это легко делается не за счет наличия разных генов для каждого случая, а за счет альтернативного сплайсинга, который цепляет на N-конец разные сигналы, при том что "рабочая часть" белка остается одной и той же, и одна изоформа белка размещается в мембране, другая изоформа белка — в цитоплазме, и т. д.

Сейчас общеизвестно, что не менее 50 % генов человека альтернативно сплайсируется.

Альтернативный сплайсинг бывает разных типов (галочками показано, как вырезаются экзоны):

На этом рисунке показаны кассетный экзон (вставляемый в одни изоформы и отсутствующий в других), альтернативный акцептор, альтернативный донор, далее интрон может либо вырезаться, либо не вырезаться.

Теперь вернемся к вопросу о человеке и мыши. Человек и мышь биологически очень похожи. Белки похожи — уровень сходства аминокислотных последовательностей 80 %, также похожа значительная часть некодирующих областей генома. Практически у всех генов одинаково устроена экзон-интронная структура, для 99 % генов экзонная структура одинакова. Только 1 % генов уникален у каждого генома, остальные гены имеют гомологи в другом геноме. Интересен тот факт, что при таком относительно невысоком уровне различий человека от мыши внешне отличают легко. А два вида мухи дрозофилы вряд ли кто-то различит на глаз, хотя генетически они различаются сильнее, чем человек и мышь.

Возникает вопрос: Если геномы одинаковы, то может быть, и белки одинаковы? Непонятно, чем же человек отличается от мыши. Одинаково ли устроен альтернативный сплайсинг у мыши и человека?

Наивный подход для ответа на этот вопрос такой: возьмем весь набор альтернативного сплайсинга мыши и человека и сравним его. Этот подход неправильный, так как при исследовании альтернативного сплайсинга мы здесь имеем дело с EST. Если у человека EST просеквенировано несколько миллионов штук, то у мыши сделано всего несколько тысяч, поэтому там, где мы можем увидеть альтернативный сплайсинг у человека, можем ничего не увидеть у мыши, так как базы данных еще не совсем полные. Поэтому такое сравнение даст нам неправильный ответ.

Правильный подход в данной ситуации заключается в следующем: мы на основе имеющихся данных на человеческой ДНК строим мРНК, соответствующую белку, и затем этот белок проецируем на мышиный геном. Если оказывается, что для этого белка (или его части) нет кодирующих последовательностей в мышиной ДНК, то это значит, что тот экзон, который есть у человека, отсутствует в геноме у мыши.

Возьмем человеческие и мышиные гены, происходящие от общего предкового гена. Возьмем такие пары генов-ортологов, сделаем сравнение. Мы получим некоторую выборку, среди которым 50 % генов человека имеют такие изоформы, которых нет у мыши, то же самое и с мышью.

Сравним пары генов человек-мышь. Например, ген бета-глобина человека и мыши — такие гены, разошедшиеся в процессе эволюционного видообразования, называются ортологами. Выборку мы взяли не очень большую, в ней присутствовали гены, имеющие альтернативный спалйсинг. И оказалось, что у 52 % человеческих генов есть такие экзоны, которых нет у мыши. И половина мышиных генов имеет такие изоформы, которых нет у человека.

Но нам могут сказать — вы использовали EST, это неточные данные. Если мы возьмем полноразмерные мРНК (а данные по ним гораздо точнее, хотя общее количество сиквенсов по ним меньше), и проведем с ними ту же процедуру, то окажется, что примерно треть генов человека имеет изоформы, которые в геноме мыши не кодируются, отсутствуют, и также в геноме человека отсутствуют мышиные экзоны.

А вот конкретные примеры: сверху изображены ДНК и ее изоформы у человека, а снизу — то же у мыши. Например, для белка р53, который участвует в регуляции клеточных процессов (раковое перерождение, апоптоз). Видно, что у мыши есть изоформа, которая теряет экзон, порождая стоп в другом месте.

Представленные данные показывают, что альтернативный сплайсинг — явление весьма распространенное, и что мышь сильно отличается от человека по альтернативному сплайсингу. Можно сделать и эволюционное предположение. По-видимому, альтернативный сплайсинг допускает большую свободу для создания новых белков, или изменения функций существующих белков, и в этом и состоит его связь с эволюцией.

Некоторые методы молекулярной биологии

Лекция № 26

Д.В. Ребриков

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — экспериментальный метод молекулярной биологии, позволяющий добиться значительного увеличения малых концентраций определённых фрагментов нуклеиновой кислоты (ДНК) в биологическом материале (пробе).

Помимо простого увеличения числа копий ДНК (этот процесс называется амплификацией), ПЦР позволяет производить множество других манипуляций с генетическим материалом (введение мутаций, сращивание фрагментов ДНК) и широко используется в биологической и медицинской практике, например, для диагностики заболеваний (наследственных, инфекционных), для установления отцовства, для клонирования генов, выделения новых генов.

История

В начале 1970-х годов норвежскому ученому Хьеллю Клеппе (Kjell Kleppe) из лаборатории нобелевского лауреата Хара Гобинды Хораны (Наг Gobind Khorana) пришла в голову мысль, что можно амплифицировать ДНК с помощью пары коротких одноцепочечных молекул ДНК — синтетических праймеров [1]. Однако в то время эта идея осталась невостребованной. Полимеразная цепная реакция была вновь открыта в 1983 году Кэри Маллисом (Kary Mullis). Его целью было создание метода, который бы позволил амплифицировать ДНК в ходе многократных последовательных удвоений исходной молекулы ДНК с помощью фермента ДНК-полимеразы. Через 7 лет после опубликования этой идеи, в 1993 г., Маллис получил за неё Нобелевскую премию[2].

В начале использования метода после каждого цикла нагревания — охлаждения приходилось добавлять в реакционную смесь ДНК-полимеразу, так как она быстро инактивировалась при высокой температуре, необходимой для разделения цепей спирали ДНК. Процедура была очень неэффективной, требовала много времени и фермента. В 1986 г. она была существенно улучшена. Было предложено использовать ДНК-полимеразы из термофильных бактерий [3]. Эти ферменты оказались термостабильными и были способны выдерживать множество циклов реакции. Их использование позволило упростить и автоматизировать проведение ПЦР. Одна из первых термостабильных ДНК-полимераз была выделена из бактерий Thermus aquaticus и названа Taq-полимеразой. Недостаток этой полимеразы заключается в том, что вероятность внесения ошибочного нуклеотида у неё достаточно высока, так как у этого фермента отсутствуютмеханизмы исправления ошибок (3'^5' экзонуклеазная активность). Полимеразы Pfu и Pwo, выделенные из архей, обладают таким механизмом, их использование значительно уменьшает число мутаций в ДНК, но скорость их работы (процессивность) ниже, чем у Taq. Сейчас применяют смеси Taq и Pfu, чтобы добиться одновременно высокой скорости полимеризации и высокой точности копирования.

В момент изобретения метода Маллис работал в компании Цетус (Cetus), которая и запатентовала метод ПЦР. В 1992 году Цетус продала права на метод и патент на использование Taq-полимеразы компании Хофман-Ла Рош (Hoffmann-La Roche) за 300 млн. долларов. Однако оказалось, что Taq-полимераза была охарактеризована русским биохимиком Алексеем Калединым в 1980 году [4], в связи с чем компания Промега (Promega) пыталась в судебном порядке заставить Рош отказаться от исключительных прав на этот фермент [5]. Американский патент на метод ПЦР истёк в марте 2005 г.

Проведение ПЦР

Метод основан на многократном избирательном копировании определённого участка ДНК при помощи ферментов в искусственных условиях (in vitro). При этом происходит копирование только того участка, который удовлетворяет заданным условиям, и только в том случае, если он присутствует в исследуемом образце. В отличие от амплификации ДНК в живых организмах, (репликации), с помощью ПЦР амплифицируются относительно короткие участки ДНК. В обычном ПЦР-процессе длина копируемых ДНК-участков составляет не более 3000 пар оснований (3 kbp[6]). С помощью смеси различных полимераз, с использованием добавок и при определённых условиях длина ПЦР-фрагмента может достигать 20–40 тысяч пар нуклеотидов. Это всё равно значительно меньше длины хромосомной ДНК эукариотической клетки. Например, геном человека состоит примерно из 3 млрд пар оснований [7].

Компоненты реакции

Для проведения ПЦР в простейшем случае требуются следующие компоненты:

• ДНК-матрица, содержащая тот участок ДНК, который требуется амплифицировать.

• Два праймера, комплементарные концам требуемого фрагмента.

• Термостабильная ДНК-полимераза — фермент, который катализирует реакцию полимеризации ДНК. Полимераза для использования в ПЦР должна сохранять активность при высокой температуре длительное время, поэтому используют ферменты, выделенные из термофилов — Thermus aquaticus (Taq-полимераза), Pyrococcus furiosus (Pfu-полимераза), Pyrococcus woesei (Pwo-полимераза) и другие.

• Дезоксинуклеотидтрифосфаты (dATP, dGTP, dCTP, dTTP).

• Ионы Mg²⁺, необходимые для работы полимеразы.

• Буферный раствор, обеспечивающий необходимые условия реакции — pH, ионную силу раствора. Содержит соли, бычий сывороточный альбумин.

Чтобы избежать испарения реакционной смеси, в пробирку добавляют высококипящее масло, например, вазелиновое. Если используется амплификатор с подогревающейся крышкой, этого делать не требуется.

Добавление пирофософатазы может увеличить выход ПЦР-реакции. Этот фермент катализирует гидролиз пирофосфата, побочного продукта присоединения нуклеотидтрифосфатов к растущей цепи ДНК, до ортофосфата. Пирофосфат может ингибировать ПЦР-реакцию [8].

Праймеры

Специфичность ПЦР основана на образовании комплементарных комплексов между матрицей и праймерами, короткими синтетическими олигонуклеотидами длиной 18–30 оснований. Каждый из праймеров комплементарен одной из цепей двуцепочечной матрицы, обрамляя начало и конец амплифицируемого участка.

После гибридизации матрицы с праймером (отжиг [9]), последний служит затравкой для ДНК-полимеразы при синтезе комплементарной цепи матрицы (см. ниже).

Важнейшая характеристика праймеров — температура плавления (Тm) комплекса праймер-матрица. Она определяется, как температура, при которой праймер присоединился к половине возможных сайтов связывания. Тт можно приблизительно определить по формуле

Т_m = 2(n_А + n_Т) + 4(n_G + n_с),

где n_х — количество нуклеотидов X в праймере. Если праймер короткий и Тm мала, то праймер может оказаться частично комплементарен другим участкам матричной ДНК, что может привести к появлению неспецифических продуктов. Верхний предел температуры плавления ограничен оптимумом температуры действия полимеразы, активность которой падает при температурах выше 80 °C.

При выборе праймеров желательно придерживаться следующих критериев:

• GC-состав ~ 40–60 %;

• близкие Тm праймеров (отличия не более чем на 5 °C);

• отсутствие неспецифических вторичных структур — шпилек[10] и димеров [11];

• желательно, чтобы на 3'-конце был гуанин или цитозин, поскольку они образуют три водородные связи с молекулой матрицы, делая гибридизацию более стабильной.

Амплификатор

Рис. 1: Амплификатор для проведения ПЦР

ПЦР проводят в амплификаторе — приборе, обеспечивающем периодическое охлаждение и нагревание пробирок, обычно с точностью не менее 0,1 °C. Современные амплификаторы позволяют задавать сложные программы, в том числе с возможностью «горячего старта», Touchdown ПЦР (см. ниже) и последующего хранения амплифицированных молекул при 4 °C. Для ПЦР в реальном времени выпускают приборы, оборудованные флуоресцентным детектором. Существуют также приборы с автоматической крышкой и отделением для микропланшет, что позволяет встраивать их в автоматизированные системы.

Ход реакции

Обычно при проведении ПЦР выполняется 20–35 циклов, каждый из которых состоит из трех стадий (рис. 2).

Фотография геля, содержащего маркерную ДНК (1) и продукты ПЦР-реакции (2,3). Цифрами показана длина фрагментов ДНК в парах нуклеотидов.

Денатурация

Двухцепочечную ДНК-матрицу нагревают до 94–96 °C (или до 98 °C, если используется особенно термостабильная полимераза) на 0,5–2 мин., чтобы цепи ДНК разошлись. Эта стадия называется денатурацией, так как разрушаются водородные связи между двумя цепями ДНК. Иногда перед первым циклом (до добавления полимеразы) проводят предварительный прогрев реакционной смеси в течение 2–5 мин. для полной денатурации матрицы и праймеров. Такой приём называется горячим стартом, он позволяет снизить количество неспецифичных продуктов реакции.

Отжиг

Когда цепи разошлись, температуру понижают, чтобы праймеры могли связаться с одноцепочечной матрицей. Эта стадия называется отжигом. Температура отжига зависит от состава праймеров и обычно выбирается на 4–5 °C ниже их температуры плавления. Время стадии — 0,5–2 мин. Неправильный выбор температуры отжига приводит либо к плохому связыванию праймеров с матрицей (при завышенной температуре), либо к связыванию в неверном месте и появлению неспецифических продуктов (при заниженной температуре).

Элонгация

ДНК-полимераза реплицирует матричную цепь, используя праймер в качестве затравки. Это — стадия элонгации. Полимераза начинает синтез второй цепи от 3'-конца праймера, который связался с матрицей, и движется вдоль матрицы. Температура элонгации зависит от полимеразы. Часто используемые полимеразы Taq и Pfu наиболее активны при 72 °C. Время элонгации зависит как от типа ДНК-полимеразы, так и от длины амплифицируемого фрагмента. Обычно время элонгации принимают равным одной минуте на каждую тысячу пар оснований. После окончания всех циклов часто проводят дополнительную стадию финальной элонгации, чтобы достроить все одноцепочечные фрагменты. Эта стадия длится 7-10 мин.

Рис. 2: Схематическое изображение первого цикла ПЦР.

_{(1) Денатурация при 94–96 °C. (2) Отжиг при 68 °C (например). (3) Элонгация при 72 °C (Р=полимераза). (4) Закончен первый цикл. Две получившиеся ДНК-цепи служат матрицей для следующего цикла, поэтому количество матричной ДНК в ходе каждого цикла удваивается.}

ДНК-полимераза реплицирует матричную цепь, используя праймер в качестве затравки. Это — стадия элонгации. Полимераза начинает синтез второй цепи от 3'-конца праймера, который связался с матрицей, и движется вдоль матрицы. Температура элонгации зависит от полимеразы. Часто используемые полимеразы Taq и Pfu наиболее активны при 72 °C. Время элонгации зависит как от типа ДНК-полимеразы, так и от длины амплифицируемого фрагмента. Обычно время элонгации принимают равным одной минуте на каждую тысячу пар оснований. После окончания всех циклов часто проводят дополнительную стадию финальной элонгации, чтобы достроить все одноцепочечные фрагменты. Эта стадия длится 7-10 мин.

Количество специфического продукта реакции (ограниченного праймерами) теоретически возрастает пропорционально 2n, где n — число циклов реакции. На самом деле эффективность каждого цикла может быть меньше 100 %, поэтому в действительности Р ~ (1+Е)n, где Р — количество продукта, Е — средняя эффективность цикла.

Число «длинных» копий ДНК тоже растет, но линейно, поэтому в продуктах реакции доминирует специфический фрагмент.

Рост требуемого продукта в геометрической прогрессии ограничен количеством реагентов, присутствием ингибиторов, образованием побочных продуктов. На последних циклах реакции рост замедляется, это называют «эффектом плато» [12].

Разновидности ПЦР

• Вложенная» ПЦР (Nested PCR(англ.)) — применяется для уменьшения числа побочных продуктов реакции. Используют две пары праймеров и проводят две последовательные реакции. Вторая пара праймеров амплифицирует участок ДНК внутри продукта первой реакции.

• «Инвертированная» ПЦР (Inverse PCR(aHrn.)) — используется в том случае, если известен лишь небольшой участок внутри нужной последовательности. Этот метод особенно полезен, когда нужно определить соседние последовательности после вставки ДНК в геном. Для осуществления инвертированной ПЦР проводят ряд разрезаний ДНК рестриктазами с последующим соединением фрагментов (лигирование). В результате известные фрагменты оказываются на обоих концах неизвестного участка, после чего можно проводить ПЦР как обычно.

• ПЦР с обратной транскрипцией (Reverse Transcription PCR, RT-PCR(aнгл.)) — используется для амплификации, выделения или идентификации известной последовательности из библиотеки РНК. Перед обычной ПЦР проводят на матрице мРНК синтез одноцепочечной молекулы ДНК с помощью ревертазы и получают одноцепочечную кДНК, которая используется в качестве матрицы для ПЦР. Этим методом часто определяют, где и когда экспрессируются данные гены.

• Ассиметричная ПЦР (англ. Asymmetric PCR) — проводится тогда, когда нужно амплифицировать преимущественно одну из цепей исходной ДНК. Используется в некоторых методиках секвенирования и гибридизационного анализа. ПЦР проводится как обычно, за исключением того, что один из праймеров берется в большом избытке.

• Количественная ПЦР (Quantitative PCR, Q-PCR (англ.)) — используется для быстрого измерения количества определенной ДНК, кДНК или РНК в пробе.

• Количественная ПЦР в реальном времени (Quantitative real-time PCR) — в этом методе используют флуоресцентно меченые реагенты для точного измерения количества продукта реакции по мере его накопления.

• Touchdown (Stepdown) ПЦР (Touchdown PCR(aHrn.)) — с помощью этого метода уменьшают влияние неспецифического связывания праймеров на образование продукта. Первые циклы проводят при температуре выше температуры отжига, затем каждые несколько циклов температуру снижают. При определённой температуре система пройдёт через полосу оптимальной специфичности праймеров к ДНК.

• Метод молекулярных колоний (ПЦР в геле, англ. Polony — PCR Colony) — акриламидный гель полимеризуют со всеми компонентами ПЦР на поверхности и проводят ПЦР. В точках, содержащих анализируемую ДНК, происходит амплификация с образованием молекулярных колоний.

• ПЦР с быстрой амплификацией концов кДНК (англ. Rapid amplification of cDNA ends, RACE-PCR)

• ПЦР длинных фрагментов (англ. Long-range PCR) — модификация ПЦР для амплификации протяженных участков ДНК (10 тысяч оснований и больше). Используют две полимеразы, одна из которых — Taq-полимераза с высокой процессивностью (то есть, способная за один проход синтезировать длинную цепь ДНК), а вторая — ДНК полимераза с 3'-5' эндонуклеазной активностью. Вторая полимераза необходима для того, чтобы корректировать ошибки, внесенные первой.

• RAPD PCR (англ. Random Amplification of Polymorphic DNA PCR, ПЦР со случайной амплификацией полиморфной ДНК — используется тогда, когда нужно различить близкие по генетической последовательности организмы, например, разные сорта культурных растений, породы собак или близкородственные микроорганизмы. В этом методе обычно используют один праймер небольшого размера (20–25 п.н.). Этот праймер будет частично комплементарен случайным участкам ДНК исследуемых организмов. Подбирая условия (длину праймера, его состав, температуру и пр.), удается добиться удовлетворительного отличия картины ПЦР для двух организмов.

Если нуклеотидная последовательность матрицы известна частично или неизвестна вовсе, можно использовать вырожденные праймеры, последовательность которых содержит вырожденные позиции, в которых могут располагаться любые основания. Например, последовательность праймера может быть такой:…АТН…, где Н — А, Т или С.

Применение ПЦР

ПЦР используется во многих областях для проведения анализов и в научных экспериментах.

Криминалистика

ПЦР используют для сравнения так называемых «генетических отпечатков пальцев». Необходим образец генетического материала с места преступления — кровь, слюна, сперма, волосы и т. п. Его сравнивают с генетическим материалом подозреваемого. Достаточно совсем малого количества ДНК, теоретически — одной копии. ДНК расщепляют на фрагменты, затем амплифицируют с помощью ПЦР. Фрагменты разделяют с помощью гель-электрофореза. Полученную картину расположения полос ДНК и называют генетическим отпечатком пальцев (англ. genetic fingerprint).

Установление отцовства

Хотя «генетические отпечатки пальцев» уникальны (за исключением случая однояйцевых близнецов), родственные связи все же можно установить, сделав несколько таких отпечатков (рис. 3). Тот же метод можно применить, слегка модифицировав его, для установления эволюционного родства среди организмов.

Рис. 3: Результаты электрофореза ДНК-фрагментов, амплифицированных с помощью ПЦР.

_{(1) Отец. (2) Ребенок. (3) Мать. Ребенок унаследовал некоторые особенности генетического отпечатка обоих родителей, что дало новый, уникальный отпечаток.}

Медицинская диагностика

ПЦР дает возможность существенно ускорить и облегчить диагностику наследственных и вирусных заболеваний. Нужный ген амплифицируют с помощью ПЦР с использованием соответствующих праймеров, а затем секвенируют для определения мутаций. Вирусные инфекции можно обнаруживать сразу после заражения, за недели или месяцы до того, как проявятся симптомы заболевания.

Персонализированная медицина

Известно, что большинство лекарств действуют не на всех пациентов, для которых они предназначены, а лишь на 30–70 % их числа. Кроме того, многие лекарства оказываются токсичными или аллергенными для части пациентов. Причины этого — отчасти в индивидуальных различиях в восприимчивости и метаболизме лекарств и их производных. Эти различия детерминируются на генетическом уровне. Например, у одного пациента определенный цитохром (белок печени, отвечающий за метаболизм чужеродных веществ) может быть более активен, у другого — менее. Для того, чтобы определить, какой разновидностью цитохрома обладает данный пациент, предложено проводить ПЦР-анализ перед применением лекарства.

Такой анализ называют предварительным генотипированием (англ. prospective genotyping).

Клонирование генов

Клонирование генов (не путать с клонированием организмов) — это процесс выделения генов и, в результате генноинженерных манипуляций, получения большого количества продукта данного гена. ПЦР используется для того, чтобы амплифицировать ген, который затем вставляется в вектор — фрагмент ДНК, переносящий чужеродный ген в тот же самый или другой, удобный для выращивания, организм. В качестве векторов используют, например, плазмиды или вирусную ДНК. Вставку генов в чужеродный организм обычно используют для получения продукта этого гена — РНК или, чаще всего, белка. Таким образом, в промышленных количествах получают многие белки для использования в сельском хозяйстве, медицине и др.

Рис. 4: Клонирование гена с использованием плазмиды.

_{(1) Хромосомная ДНК организма А. (2) ПЦР. (3) Множество копий гена организма А. (4) Вставка гена в плазмиду. (5) Плазмида с геном организма А. (6) Введение плазмиды в организм В. (7) Умножение количества копий гена организма А в организме В.}

Секвенирование ДНК

В методе секвенирования с использованием меченых флуоресцентной меткой или радиоактивным изотопом дидезоксинуклеотидов ПЦР является неотъемлемой частью, так как именно в ходе полимеризации в цепь ДНК встраиваются производные нуклеотидов, меченые флуоресцентной или радиоактивной меткой. Это останавливает реакцию, позволяя определить положения специфических нуклеотидов после разделения синтезированных цепочек в геле.

Мутагенез

В настоящее время ПЦР стала основным методом проведения мутагенеза. Использование ПЦР позволило упростить и ускорить процедуру проведения мутагенеза, а также сделать её более надежной и воспроизводимой.

_{Примечания}

_{1. Kleppe, К. et al. (1971): Studies on polynucleotides. XCVI. Repair replications of short synthetic DNA's as catalyzed by DNA polymerases. In: J. Mol. Biol. Bd. 56, S. 341–361. PMID 4927950}

_{2. Нобелевские лауреаты по химии, 1993 г.(англ.)}

_{3. R. К. Saiki, D. H. Gelfand, S. Stoffel, S. J. Scharf, R. Higuchi, G. T. Horn, К. B. Mullis, H. A. Erlich. Primer-Directed Enzymatic Amplification of DNA with a Thermostable DNA Polymerase, in: Science. 239.1988, 487–491. ISSN 0036–8075 PMID: 2448875}

_{4. Каледин А. С., Слюсаренко А. Г., Городецкий С. И. // Биохимия.- 1980. — Т. 45. — С. 644–651.}

_{5. http://www.roche.com/med-cor-2005-09-12}

_{6. 1 kbp (kilo base pair(англ.)) — 1 тысяча пар оснований, единица измерения длины ДНК}

_{7. Venter J, et al. (2001). «The sequence of the human genome». Science}

_{291 (5507): 1304-51. PMID 11181995}

_{8. http://www.biofidal.com/biofidal2/cat/2/pyro.php}

_{9. Отжиг (англ. annealing) — гибридизация фрагментов ДНК}

_{10. Шпилька — внутримолекулярная самокомплементарная структура}

_{11. Димер — межмолекулярные структуры, образуемые праймерами друг с другом или сами с собой}

_{12. [ http://www.dna-technology.ru/doc/DNA-Technology_PCR-base.pdf «Теоретические основы ПЦР» (PDF)]}

_{Литература}

_{1. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. Пер. с англ. — М.: Мир, 2002. — 589 с, илл. ISBN 5-03-003328-9}

_{2. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004. - 496 с; илл. ISBN 5-94087-098-8}

_{3. Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы — М.: Наука, 2005 — В 2 т. — ISBN 5-02-033278-Х}

Словарь терминов

А

• Аберрация хромосомная (или хромосомная аномалия) — обобщенное название любого из типов хромосомных мутаций: делеций, транслокаций, инверсий, дупликаций. Иногда также обозначают и геномные мутации (анеуплодии, трисомии ит. д.).

• Авторадиография — способ обнаружения вещества, меченного радиоактивным изотопом, путем наложения на чувствительную пленку.

• Акроцефалия (оксицефалия) — высокий «башенный» череп.

• Аллель — одна из двух или более альтернативных форм гена, каждая из которых характеризуется уникальной последовательностью нуклеотидов; аллели, как правило, отличаются последовательностями нуклеотидов.

• Аллель дикого типа (нормальный): мутация гена, не затрагивающая его функции.

• Аллель доминантный: аллель, одна доза которого достаточна для его фенотипического проявления.

• Аллель мутантный: мутация гена, нарушающая его функцию.

• Аллель рецессивный: аллель, фенотипически проявляющийся только в гомозиготном состоянии и маскирующийся в присутствии доминантного аллеля.

• Аллельные серии — моногенные наследственные заболевания, вызванные различными мутациями в одном и том же гене, но относящиеся к разным нозологическим группам по своим клиническим проявлениям.

• Алопеция — стойкое или временное, полное или частичное выпадение волос.

• Альфа-фетопротеин (АФП) — эмбриональный белок, обнаруживаемый в крови плода, новорожденного, беременной женщины, а также в амниотической жидкости.

• Амниоцентез — прокол амниотического мешка с целью получения амниотической жидкости.

• Ампликон — внехромосомная единица амплификации.

• Амплификатор ДНК (термоциклер) — прибор, необходимый для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР); позволяет задавать нужное количество циклов и выбирать оптимальные временные и температурные параметры для каждой процедуры цикла.

• Амплификация — увеличение числа копий генов (количества ДНК)

• Амплификация ДНК — выборочное копирование определенного участка ДНК.

• Амфидиплоиды — эукариотические клетки, содержащие два двойных набора хромосом в результате объединения двух геномов.

• Анеуплодия — измененный набор хромосом, в котором одна или несколько хромосом из обычного набора или отсутствуют, или представлены дополнительными копиями.

• Аниридия — отсутствие радужной оболочки.

• Анкилоблефарон — сращение краев век спайками, покрытыми слизистой оболочкой.

• Анофтальмия — отсутствие одного или обоих глазных яблок.

• Антибиотик — вещество, подавляющее рост клеток или убивающее их. Обычно антибиотики блокируют одну из стадий синтеза белков или нуклеиновых кислот.

• Антиген — вещество (обычно белки, реже полисахариды), вызывающее у животных иммунный ответ (образование антител).

• Антигенная детерминанта (эпитоп) — участок белковой или полисахаридной молекулы, обладающей способностью вызывать образование антител данной специфичности.

• Антикодон — последовательность из трех нуклеотидов в молекуле транспортной РНК, комплементарная кодирующему триплету в молекуле мРНК. Антимонголоидный разрез глаз — опущены наружные углы глазных щелей. Антимутагенез — процесс предотвращения закрепления (становления) мутации, т. е. возврат первично поврежденной хромосомы или гена в исходное состояние.

• Антитело — белок (иммуноглобулин), образуемый иммунной системой организма животных в ответ на введение антигена и способный вступать с ним в специфическое взаимодействие.

• Антиципация — нарастание тяжести течения заболевания в ряду поколений. Анэнцефалия — полное или почти полное отсутствие головного мозга.

• Аплазия (агенезия) — полное врожденное отсутствие органа или части его. Арахнодактилия — необычно длинные и тонкие пальцы.

• Ассортативные браки — браки, при которых выбор брачного партнера по одному или нескольким признакам неслучаен.

• Аутосома — любая неполовая хромосома. У человека имеется 22 пары аутосом.

• Аутосомно-доминантное наследование — тип наследования, при котором одного мутантного аллеля, локализованного в аутосоме, достаточно, чтобы болезнь (или признак) могла быть выражена.

• Аутосомно-рецессивное наследование — тип наследования признака или болезни, при котором мутантный аллель, локализованный в аутосоме, должен быть унаследован от обоих родителей.

• Ахейрия (аподия) — недоразвитие или отсутствие кисти (стопы).

Б

• Бактериофаг — вирус бактерий: состоит из ДНК или РНК, упакованной в белковую оболочку.

• Банк (библиотека) генов — полный набор генов данного организма, полученный в составе рекомбинантных ДНК.

• Белковая инженерия — создание искусственных белков с заданны ми свойствами путем направленных изменений (мутаций) в генах или путем обмена локусами между гетерологичными генами.

• Биопсия хориона — процедура, осуществляемая на 7-11-й неделе беременности, с целью получения клеток для пренатальной диагностики.

• Блефарофимоз — укорочение век по горизонтали, т. е. сужение глазных щелей.

• Блефарохалазия — атрофия кожи верхних век

• Блот-гибридизация по Саузерну — метод идентификации участков ДНК, содержащих комплементарные ДНК-зонду последовательности, среди электрофоретически разделенных фрагментов ДНК, фиксированных на твердом матриксе (нитроцеллюлозных или нейлоновых фильтрах).

• Блотинг — перенос молекул ДНК, РНК или белка из геля, в котором шел электрофорез, на нитроцеллюлозный фильтр (мембрану).

• Болезни аутосомные — обусловлены дефектами генов, локализованных в аутосомах

• Болезни врожденные — присутствуют у ребенка с момента рождения

• Болезни доминантные — развиваются при наличии одного мутантного гена в гетерозиготном состоянии

• Болезни моногенные — обусловлены дефектом одного гена

• Болезни мультифакториальные — имеющие в своей основе как генетическую, так и средовую компоненты; генетическая компонента представляет собой сочетание разных аллелей нескольких локусов, определяющих наследственную предрасположенность к заболеванию при разных условиях внешней среды Болезни наследственные — имеющие в своей основе генетическую компоненту Болезни рецессивные — развиваются при наличии мутантного гена в гомозиготном состоянии

• Болезни сцепленные с полом — обусловлены дефектом генов, локализованных в X- или Y-хромосомах

• Болезни хромосомные — обусловлены числовыми и структурными нарушениями кариотипа

• Брахидактилия — укорочение пальцев.

• Брахикамптодактилия — укорочение метакарпальных (метатарзальных) костей и средних фаланг в сочетании с камптодактилией.

• Брахицефалия — увеличение поперечного размера головы при относительном уменьшении продольного размера

В

• Вакцина — препарат ослабленного или убитого инфекционного агента (вируса, бактерии и т. п.) или его отдельных компонентов, несущих антигенные детерминанты, способный вызывать образование иммунитета к данной инфекции у животных (человека). Кроме того, в последнее время появились вакцины, произведенные методами генной инженерии (примером такой вакцины может служить вакцина против гепатита В)

• Везикулы — мембранные пузырьки. Кроме того, везикулами в медицине называют любые элементы сыпи, представляющие собой пузырьки.

• Вектор — молекула ДНК, способная к включению чужеродной ДНК и к автономной репликации, служащая инструментом для введения генетической информации в клетку.

• Вектор для клонирования — любая небольшая плазмида, фаг или ДНК содержащий вирус животных, в которые может быть встроена чужеродная вирусной ДНК.

• Вирусы — инфекционные агенты неклеточной природы, способные в процессе реализации генетической информации, закодированной в их геноме, перестроить метаболизм клетки, направив его в сторону синтеза вирусных частиц. Вирусы могут иметь белковую оболочку, а могут и состоять только из ДНК или РНК

• Витилиго — очаговая депигментация кожи.

• Водородная связь — образуется между электроотрицательным атомом молекулы (кислород, азот) и электроположительным ядром водорода (протоном), который, в свою очередь, ковалентно связан с другим электроотрицательным атомом той же или соседней молекулы.

• Врожденные болезни — болезни, имеющиеся при рождении.

Г

• β-Галактозидаза — фермент, гидролизующий — β-галактозиды, в частности лактозу, с образованием свободной галактозы.

• Гамета — зрелая половая клетка.

• Гаплоид — клетка, содержащая одинарный набор генов или хромосом.

• Гемизиготность — состояние организма, при котором какой-то ген представлен в одной хромосоме.

• Ген — последовательность нуклеотидов в ДНК, которая обусловливает определенную функцию в организме или обеспечивает транскрипцию другого гена.

• Генетическая карта — схема расположения структурных генов и регуляторных элементов в хромосоме.

• Генетический код — соответствие между триплетами в ДНК (или РНК) и аминокислотами белков.

• Генная инженерия — совокупность приемов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы.

• Генная терапия — введение генетического материала (ДНК или РНК) в клетку, функцию которой он изменяет (или функцию организма).

• Геном — общая генетическая информация, содержащаяся в генах организма, или генетический состав клетки. Термин «геном» иногда употребляется для обозначения гаплоидного набора хромосом.

• Генотип 1) вся генетическая информация организма; 2) генетическая характеристика организма по одному или нескольким изучаемым локусам.

• Ген-регулятор — ген, кодирующий регуляторный белок активирующий или подавляющий транскрипцию других генов.

• Ген-репортер — ген, чей продукт определяется с помощью простых и чувствительных методов и чья активность в тестируемых клетках в норме отсутствует. Используется в генно-инженерных конструкциях для маркирования целевого продукта.

• Ген-усилитель (энхансер) — короткий сегмент ДНК, который влияет на уровень экспрессии примыкающих к нему генов, увеличивая частоту инициации и транскрипции.

• Гетерозигота — клетка (или организм), содержащая два различных аллеля в конкретном локусе гомологичных хромосом.

• Гетерозиготность — наличие разных аллелей в диплоидной клетке.

• Гетерозиготный организм — организм, имеющий две различные формы данного гена (разные аллели) в гомологичных хромосомах.

• Гетерохроматин — область хромосомы (иногда целая хромосома), имеющая плотную компактную структуру в интерфазе.

• Гетерохромия радужки — неодинаковое окрашивание различных участков радужки.

• Гибридизация in situ — гибридизация между денатурированной ДНК клеток на предметном стекле и меченной радиоактивными изотопами или иммунофлюоресцентными соединениями одноцепочечной РНК или ДНК.

• Гибридизация ДНК — образование в опыте двуцепочечной ДНК или дуплексов ДНК: РНК в результате взаимодействия комплементарных нуклеотидов.

• Гибридизация соматических клеток — слияние неполовых клеток, способ получения соматических гибридов (см.).

• Гибридный белок (полипептид) — см. Слитый белок (полипептид).

• Гибридомы — гибридные лимфоидные клетки, полученные путем слияния опухолевой миеломной клетки с нормальными лимфоидными клетками иммунизированного животного или человека.

• Гиперкератоз — чрезмерное утолщение рогового слоя эпидермиса.

• Гипертелоризм — увеличенное расстояние между внутренними краями глазниц.

• Гипертрихоз — избыточный рост волос.

• Гипоплазия врожденная — недоразвитие органа, проявляющееся дефицитом относительной массы или размера органа.

• Гипоспадия — нижняя расщелина мочеиспускательного канала со смещением его наружного отверстия.

• Гипотелоризм — уменьшенное расстояние между внутренними краями глазниц.

• Гирсутизм — избыточное оволосение у девочек по мужскому типу.

• Гликозилирование — присоединение к белку углеводного остатка

• Голандрическое наследование — наследование, сцепленное с Y-хромосомой.

• Голопрозэнцефалия — конечный мозг не разделен и представлен полусферой с единственной вентрикулярной полостью свободно сообщающейся с субарахноидальным пространством.

• Гомозигота — клетка (или организм), содержащая два одинаковых аллеля в конкретном локусе гомологичных хромосом.

• Гомозиготность — наличие одинаковых аллелей в диплоидной клетке.

• Гомозиготный организм — организм, имеющий две идентичные копии данного гена в гомологичных хромосомах.

• Гомологичные хромосомы — хромосомы, одинаковые по набору составляющих их генов.

• Группа сцепления — все гены, локализованные в одной хромосоме.

Д

• Дактилоскопия генная — выявление вариаций в числе и длине тандемных повторов ДНК.

• Делеция — тип хромосомной мутации, при которой утрачивается участок хромосомы; тип генной мутации, при которой выпадает участок молекулы ДНК.

• Денатурация — нарушение пространственной структуры молекулы в результате разрыва внутри- или межмолекулярных нековалентных связей.

• Дистихиаз — двойной ряд ресниц.

• ДНК-полимераза — фермент, ведущий матричный синтез ДНК.

• Долихоцефалия — преобладание продольных размеров головы над поперечными.

• Доминантность — преимущественное участие только одного аллеля в формировании признака у гетерозиготной клетки.

• Доминантный — признак или соответствующий аллель, проявляющийся у гетерозигот.

• Дрейф генов — изменение частот генов в ряду поколений, обусловленное случайными событиями митоза, оплодотворения и размножения.

• Дупликация — тип хромосомной мутации, при которой удвоен какой-либо участок хромосомы; тип генной мутации, при которой удвоен какой-либо участок ДНК.

З

• Зонд генетический — короткий отрезок ДИК или РНК известной структуры или функции, меченный каким-либо радиоактивным или флуоресцентным соединением.

И

• Иммунитет — невосприимчивость организма к инфекционным агентам типа вирусов и микробов.

• Иммунотоксин — комплекс между антителом и каталитической субъединицей какого-либо белкового яла (дифтерийного токсина, рицина, абрина и др.).

• Иммунофлюоресцентные зонды — см. зонды ДНКовые, РНКовые.

• Индуктор — фактор (вещество, свет, теплота), вызывающий транскрипцию генов, находящихся в неактивном состоянии.

• Индукция профага — инициирование вегетативного развития фага в лизогенных клетках.

• Интеграза — фермент, осуществляющий внедрение какого-либо генетического элемента в геном через специфический сайт.

• Интегроны — генетические элементы, которые содержат в себе ген интегразы, специфический сайт и рядом с ним промотор, что придает им способность интегрировать в себя мобильные генные кассеты и экспрессировать присутствующие в них беспромоторные гены.

• Интерфероны — белки, синтезируемые клетками позвоночных в ответ на вирусную инфекцию и подавляющие их развитие.

• Интрон — некодирующий участок гена, который транскрибируется, а затем удаляется из предшественника мРНК при сплайсинге (см. сплайсинг).

• Интронированный ген — ген, содержащий интроны.

• Итероны — повторяющиеся последовательности нуклеотидных остатков в ДНК.

К

• Каллус — масса недифференцированных клеток, образующаяся при повреждении растения. Может образовываться из единичных клеток при их культивировании на искусственных средах.

• Кампомелия — искривление конечностей.

• Камптодактилия — сгибательная контрактура проксимальных межфаланговых суставов пальцев кисти.

• Капсида — белковая оболочка вируса.

• Кассета экспрессионная — фрагмент ДНК, содержащий все необходимые генетические элементы для экспрессии внедренного в него гена.

• кДНК — однонитевая ДНК, синтезируемая in vivo по РНКовой матрице с помощью обратной транскриптазы.

• Кератоконус — коническое выпячивание роговицы.

• Клинодактилия — латеральное или медиальное искривление пальца.

• Клон — группа генетически идентичных клеток, возникших неполовым путем от общего предка.

• Клонирование ДНК — разделение смеси рекомбинантных молекул ДНК путем их введения в клетки методом трансформации или инфекции. Одна бактериальная колония представляет собой клон, все клетки которого содержат одну и ту же молекулу рекомбинантной ДНК.

• Клонирование клеток — их разделение путем рассева на питательном агаре и получение колоний, содержащих потомство от изолированной клетки.

• Кодон — тройка расположенных подряд нуклеотидных остатков в ДНК или РНК, кодирующая определенную аминокислоту или являющаяся сигналом окончания трансляции.

• Компартментализация — ограничение процесса (продукта) определенной областью клетки.

• Компетентность — способность клеток к трансформации.

• Комплементарность (в генетике) — свойство азотистых оснований образовывать с помощью водородных связей парные комплексы аденин — тимин (или урацил) и гуанин — цитозин при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот. Конкатемерная ДНК — линейная ДНК, в которой некоторый элемент (например, фаговый геном) повторен несколько раз.

• Контиг — группа из нескольких последовательно соединенных секвенированных участков ДНК.

• Конъюгат — комплекс из нескольких ковалентно связанных молекул.

• Конъюгация — способ обмена генетической информацией у бактерий, при котором вследствие физического контакта между клетками происходит перенос клеточной, плазмидной или транспозонной ДНК от донорной клетки в реципиентную.

• Космида — вектор, содержащий соэ-сайт ДНК фага А.

• Краниосиностоз — преждевременное зарастание черепных швов, ограничивающее рост черепа и приводящее к его деформации.

• Криптофтальм — недоразвитие или отсутствие глазного яблока, век и глазной щели.

Л

• Лектины — белки, связывающие углеводы.

• Лигаза — фермент, образующий фосфодиэфирную связь между двумя полинуклеотидами.

• Лиганд — молекула, распознаваемая специфической структурой, например, клеточным рецептором.

• Лидерная последовательность — N-концевая последовательность секретируемых белков, обеспечивающая их транспорт через мембрану и отщепляющаяся при этом.

• Лизис — распад клетки, вызванный разрушением её оболочки.

• Лизогения — явление носительства бактериальными клетками фага в виде профага (см. профаг).

• Линия клеток — генетически однородные клетки животных или растений, которые можно выращивать in vitro в течение неограниченно долгого времени.Линкер — короткий синтетический олигонуклеотид, применяемый для соединения фрагментов ДНК in vitro; обычно содержит участок узнавания определенной рестриктазой.

• Липкие концы — комплементарные однонитевые участки ДНК, расположенные на концах молекул ДНК.

• Липосомы — капельки жидкости, окруженные искусственной мембраной; искусственные липидные везикулы (см. везикулы).

• Лиссэнцефалия (агирия) — отсутствие в больших полушариях головного мозга борозд и извилин.

• Литическое развитие фага — фаза жизненного цикла фага, начинающаяся инфекцией клетки и завершающаяся её лизисом.

• Локус — участок ДНК (хромосомы), где расположена определенная генетическая детерминанта.

М

• Макроглоссия — патологическое увеличение языка.

• Макросомия (гигантизм) — чрезмерно увеличенные размеры отдельных частей тела или очень высокий рост.

• Макростомия — чрезмерно широкая ротовая щель.

• Макротия — увеличенные ушные раковины.

• Макроцефалия — чрезмерно большая голова.

• Маркерный ген — ген в рекомбинантной ДНК, кодирующий селективный признак.

• Мегалокорнеа (макрокорнеа) — увеличение диаметра роговицы.

• Межвидовые гибриды — гибриды, полученные от слияния клеток, принадлежащих к разным видам.

• Метаболизм — совокупность фермевтативных процессов, обеспечивающих существование и воспроизведение клетки.

• Метаболит — вещество, образующееся в химических реакциях живой клетки.

• Метилазы — ферменты, присоединяющие метильную группу к определенным азотистым основаниям в ДНК.

• Микрогения — малые размеры нижней челюсти.

• Микрогнатия — малые размеры верхней челюсти.

• Микрокорнеа — уменьшение диаметра роговицы.

• Микростомия — чрезмерно узкая ротовая щель.

• Микротия — уменьшенные размеры ушных раковин.

• Микрофакия — малые размеры хрусталика.

• Микрофтальмия — малые размеры глазного яблока.

• Микроцефалия — малые размеры головного мозга и мозгового черепа.

• Миниклетки — клетки, не содержащие хромосомной ДНК. Модификация биополимера — изменение его структуры.

• Монголоидный разрез глаз — опущены внутренние углы глазных щелей.

• Моноклональные антитела — антитела с определенной специфичностью, синтезируемые гибридомами (см. гибридомы).

• Морфогенез — осуществление генетической программы развития организма.

• Мугагенез — процесс индукции мутаций.

• Мутагены — физические, химические или биологические агенты, увеличивающие частоту возникновения мутаций.

• Мутация — изменение генетического материала, часто приводящее к изменению свойств организма.

• «Мыс вдовы» — клиновидный рост волос на лбу.

Н

• Ник — однонитевой разрыв в дуплексе ДНК с образованием 3 'ОН^- и 5 'р концов; ликвидируется ДНК-лигазой (см. ДНК-лигаза).

• Нитрогеназа — фермент, осуществляющий фиксацию атмосферного азота.

• Нуклеазы — общее название ферментов, расщепляющих молекулы нуклеиновых кислот.

О

• Обратная транскриптаза — фермент, катализирующий реакцию синтеза ДНК по РНКовой матрице.

• Олигонуклеотид — цепь, состоящая из нескольких (от 2 до 20) нуклеотидных остатков.

• Омфалоцеле — грыжа пупочного канатика.

• Онкогены — гены чьи продукты обладают способностью трансформировать эукариотические клетки так, что они приобретают свойства опухолевых клеток.

• Онкорнавирус — РНК-содержаший вирус, вызывающий перерождение нормальных клеток в раковые; содержит в своем составе обратную транскриптазу.

• Оператор — регуляторный участок гена (оперона), с которым специфически связывается репрессор (см. репрессор), предотвращая тем самым начало транскрипции.

• Оперон — совокупность совместно транскрибируемых генов, обычно контролирующих родственные биохимические функции.

П

• Пахионихия — утолщение ногтей.

• Перомелия — малая длина конечностей при нормальных размерах туловища.

• Пилонидальная ямка (сакральный синус, эпителиальный копчиковый ход) — канал, выстланный многослойным плоским эпителием, открывающийся в межъягодичной складке у копчика.

• Плазмида — кольцевая или линейная молекула ДНК, реплицирующаяся автономно от клеточной хромосомы.

• Полидактилия — увеличение количества пальцев на кистях и (или) стопах.

• Полилинкер — синтетический олигонуклеотид, содержащий участки узнавания для нескольких рестриктаз (см. рестриктаза).

• Полимеразы — ферменты, ведущие матричный синтез нуклеиновых кислот.

• Полипептид — полимер, состоящий из аминокислотных остатков, связанных пептидными связями.

• Праймер — короткая олиго- или полинуклеотидная последовательность со свободной 3'ОН-группой, комплементарно связанная с однонитевой ДНК или РНК; с его 3'-конца ДНК-полимераза начинает наращивать полидезоксирибонуклеотидную цепь.

• Преаурикулярные папилломы — фрагменты наружного уха, расположенные впереди ушной раковины.

• Преаурикулярные фистулы (преаурикулярные ямки) — слепо оканчивающиеся ходы, наружное отверстие которых расположено у основания восходящей части завитка ушной раковины.

• Прогения — чрезмерное развитие нижней челюсти, массивный подбородок.

• Прогерия — преждевременное старение организма.

• Прогнатия — выступание верхней челюсти вперед по сравнению с нижней вследствие её чрезмерного развития.

• Прозэнцефалия — недостаточное разделение переднего мозгового пузыря на большие полушария.

• Прокариоты — организмы, у которых нет клеточного ядра.

• Промотор — регуляторный участок гена (оперона), к которому присоединяется РНК-полимераза с тем, чтобы начать транскрипцию.

• Протоонкогены — нормальные хромосомные гены, от которых произошли онкогены, содержащиеся в некоторых ретровирусах.

• Протопласт — растительная или микробная клетка, лишенная клеточной стенки.

• Профаг — внутриклеточное состояние фага в условиях, когда его литические функции подавлены.

• Процессинг — частный случай модификации (см. модификация), когда в биополимере уменьшается число звеньев.

• Птеригиум — крыловидные складки кожи.

Р

• Регулон — система генов, разбросанных по всему геному, но подчиняющихся общему регуляторному белку.

• Рекомбинантная молекула ДНК (в генетической инженерии) — получается в результате ковалентного объединения вектора и чужеродного фрагмента ДНК.

• Рекомбинантная плазмида — плазмида, содержащая фрагмент(ы) чужеродной ДНК.

• Рекомбинантный белок — белок, часть аминокислотной последовательности которого кодируется одним геном, а часть — другим.

• Рекомбинация in vitro — операции in vitro, приводящие к созданию рекомбинантных молекул ДНК.

• Рекомбинация гомологическая — обмен генетическим материалом между двумя гомологичными молекулами ДНК.

• Рекомбинация сайт-специфическая — объединение путем разрыва и слияния двух молекул ДНК или участков одной молекулы, происходящее по определенным сайтам.

• Ренатурация — восстановление исходной пространственной структуры молекул.

• Репарация ДНК — исправление повреждений молекулы ДНК, восстанавливающее её первоначальную структуру.

• Репликатор — участок ДНК, ответственный за инициацию репликации.

• Репликация — процесс удвоения молекул ДНК или геномных вирусных РНК.

• Репликон — молекула ДНК или её участок, находящиеся под контролем репликатора.

• Репрессия — подавление активности генов, чаще всего путем блокирования их транскрипции.

• Репрессор — белок или антисмысловая РНК, подавляющие активность генов.

• Рестриктазы — сайт-специфические эндонуклеазы, составляющие часть системы рестрикции-модификации.

• Рестрикты — фрагменты ДНК, образовавшиеся после её гидролиза рестриктазой.

• Рестрикционная карта — схема молекулы ДНК, на которой указаны места разрезания её различными рестриктазами.

• Рестрикционный анализ — установление мест расщепления ДНК рестриктазами.

• Ретровирусы — РНК-содержащие вирусы животных, кодирующие обратную транскриптазу и образующие провирус с хромосомной локализацией.

• Рецессивность — неучастие аллеля в формировании признака у гетерозиготной клетки.

• Рибонуклеазы (РНКазы) — ферменты расщепляющие РНК.

С

• Сайт — участок молекулы ДНК, белка и т. п.

• Секвенирование — установление последовательности звеньев в молекулах нуклеиновых кислот или белков (полипептидов).

• Селективные среды — питательные среды, на которых могут расти лишь клетки с определенными свойствами.

• Септум — структура образующаяся в центре бактериальной клетки в конце цикла деления и разделяющая её на две дочерние клетки.

• Симфалангия (ортодактилия) — сращение фаланг пальца.

• Синдактилия — полное или частичное сращение соседних пальцев кисти или стопы.

• Синехии — фиброзные тяжи, соединяющие поверхности смежных органов.

• Синофриз — сросшиеся брови.

• Скафоцефалия — удлиненный череп с выступающим гребнем на месте преждевременно заросшего сагиттального шва.

• Скрининг — поиск в рассевах клеток или фагов тех колоний, которые содержат рекомбинантные молекулы ДНК.

• Слитый белок (полипептид) — белок, образованный слиянием двух различных полипептидов.

• Соматические гибриды — продукт слияния неполовых клеток.

• Соматические клетки — клетки тканей многоклеточных организмов, не относящиеся к половым.

• Спейсер — в ДНК или РНК — некодирующая последовательность нуклеотидов между генами; в белках — аминокислотная последовательность, связывающая соседние глобулярные домены.

• Сплайсинг — процесс формирования зрелой мРНК или функционального белка путем удаления внутренних частей молекул — интронов РНК или интеинов у белков.

• Стопа-«качалка» — стопа с провисающим сводом и выступающей кзади пяткой.

• Страбизм — косоглазие.

• Суперпродуцент — микробный штамм, нацеленный на синтез определенного продукта в высокой концентрации.

• Сферофакия — шаровидная форма хрусталика.

Т

• Телеангиоктазия — локальное чрезмерное расширение капилляров и мелких сосудов.

• Телекант — смещение внутренних углов глазных щелей латерально при нормально расположенных орбитах.

• Трансдукция — перенос фрагментов ДНК с помощью бактериофага.

• Транскриипия — синтез РНК на ДНК-матрице; осуществляется РНК-полимеразой.

• Транскрипт — продукт транскрипции, т. е. РНК, синтезированная на данном участке ДНК как на матрице и комплементарная одной из его нитей.

• Транскриптаза обратная — фермент, синтезирующий по РНК как по матрице комплементарную ей однонитевую ДНК.

• Трансляция — процесс синтеза полипептида, определяемый матричной РНК.

• Транспозон — генетический элемент, реплицируемый в составе репликона и способный к самостоятельным перемещениям (транспозиции) и интеграции в разные участки хромосомной или внехромосомной ДНК.

• Трансфекция — трансформация клеток с помощью изолированной ДНК.

• Трансформация — изменение наследственных свойств клетки, вызванное поглощенной ДНК.

• Трансформация (в молекулярной генетике) — перенос генетической информации посредством изолированной ДНК.

• Трансформация (онкотрансформация) — частичная или полная дедифференцировка клеток, вызванная нарушением регуляции роста клеток.

• Тригоноцефалия — расширение черепа в затылочной и сужение в лобной части.

• «Трилистник» — аномальная форма черепа, характеризующаяся высоким выбухающим лбом, плоским затылком, выпячиванием височных костей, при соединении которых с теменными определяются глубокие вдавления.

У

• Умеренный фаг — бактериофаг. способный лизогенизовать клетку и в виде профага находиться внутри бактериальной хромосомы или в плазмидном состоянии.

Ф

• Фактор F (фактор фертильности, половой фактор) — коньюгативная F-плазмида найденная в клетках Е. coli.

• Фенотип — внешнее проявление свойств организма, зависящих от его генотипа и факторов окружающей среды.

• Фильтр — расстояние от нижненосовой точки до красной каймы верхней губы.

• Фокомелия — отсутствие или значительное недоразвитие проксимальных отделов конечностей, вследствие чего нормально раз витые стоны и (или) кисти кажутся прикрепленными непосредственно к туловищу.

Х

• Химеры — лабораторные гибриды (рекомбинанты).

Ц

• Центромера — локус на хромосоме, физически необходимый для распределения гомологичяых хромосом по дочерним клеткам.

Ш

• Шайн-Далгарно последовательность — участок прокариотической мРНК, необходимый для посадки на неё рибосом и её правильной трансляции. Содержит последовательность нуклеотидов, комплементарную 3'-концу 16S рибосомной РНК.

• Штамм — линия клеток (или вирусов), ведущая начало от одной клетки (или вируса).

Э

• Экзон — сохраняющаяся при сплайсинге часть интронированного гена.

• Экзонуклеаза — фермент, гидролизующий фосфодиэфирные связи с концов ДНК.

• Экзофтальм — смещение глазного яблока вперед, сопровождающееся расширением глазной щели.

• Эксплантат — выделенный из организма материал какой-либо ткани.

• Экспрессия гена — процесс реализации информации, закодированной в гене. Состоит из двух основных стадий. — транскрипции и трансляции.

• Эктопия хрусталика (подвывих хрусталика, вывих хрусталика) — смещение хрусталика из стекловидной ямки.

• Эктропион века — выворот края века.

• Электрофорез — разделение электрически заряженных полимеров в электрическом поле. Обычно ведется в гелях (гель-электрофорез), чтобы зоны разделяемых молекул не размывались тепловым движением.

• Эндонуклеаза — фермент, гидролизующий фосфодиэфирные связи внутри нити ДНК.

• Энхансер — регуляторный участок ДНК, усиливающий транскрипцию с ближайшего к нему промотора.

• Эпибульбарный дермоид — липодермоидные разрастания на поверхности глазного яблока, чаще на границе радужки и белочной оболочки.

• Эпикант — вертикальная кожная складка у внутреннего угла глазной щели.

• Эукариоты — организмы, клетки которых содержат ядра.

КОМПЬЮТЕР

Базовый курс: Windows и Интернет

Редактор: Иван Трус

Лекция 1

Введение

На протяжении всей истории человечество овладевало веществом, энергией и информацией. Целые эпохи человеческого развития получили название по имени наиболее передовых технологий: "каменный век" — технология обработки камня, "бронзовый век" — технология обработки металла, "век книгопечатания" — овладение технологией распространения информации, "век электричества" — технология овладения новых видов энергии, "атомный век" — технология развития атомной энергии. Потребность выразить и передать информацию привела к появлению речи, письменности, изобразительного искусства, телефона, радио, телевидения, почтовой связи. С появлением ЭВМ стали говорить о "веке информации" в связи с тем, что технология информационной обработки обретает универсальный всеобщий характер. Появление ЭВМ — универсальной машины для обработки информации означает революцию в области накопления, передачи и обработки информации. Возрастает роль информационных компонент в производстве, науке, образовании, медицине и т. д. (во всех сферах жизни общества). Процесс перехода к информационному обществу охватил сегодня все развитые страны. Ядро этого процесса составляет обработка информации на ЭВМ.

Отсутствие информационных сетей можно сравнить с отсутствием электричества или бездорожьем. Компьютеризацию (компьютер — это другое название ЭВМ) — с электрификацией или индустриализацией. Информатику — с физикой.

В современной вычислительной технике информация кодируется с помощью последовательности двоичных сигналов (0,1). Цифры 0,1 называются битами. Последовательность из 8 нулей и единиц — байтом. Количество бит — называется информационным объемом сообщения. Наряду с битами и байтами используются более крупные единицы.

1 Кбит = 2¹⁰ ~ 1000 бит = 10³ бит (тысяча)

1 Мбит = 2²⁰ ~ 10⁶ бит (миллион)

1 Гбит = 2³⁰ ~ 10⁹ бит (миллиард)

Термин "Информация" является первичным, неопределяемым понятием (смысл и Значимость информации в информатике теряются). Информатика изучает обработку информации с помощью ЭВМ. Информация в информатике имеет научную (не обыденную) трактовку. Скорость передачи информации измеряется в бодах 1 бод = 1 бит/сек.

Двоичная информация безлика. Поэтому используются качественные и структурные характеристики. Двоичную информацию делят на управляющую (команды) и управляемую (операнды). На множестве команд определяют структуру (пересылка, арифметические команды, логические команды), как и на множестве операндов (символы, числа, признаки). Команды комплектуются в блоки, операнды — в массивы. В свою очередь алгоритмы (последовательности команд) имеют свою структуру рабочие алгоритмы, подпрограммы (вычисление элементарных функций, упаковка, сортировка, поиск, переадресация).

Таким образом, информатика есть наука и техника, связанные с машинной обработкой, хранением и передачей информации. Она занимается формализованными способами представления информации, точными предписаниями по ее обработке, и машинами обработки информации.

Цель информатики состоит в разработке способов решения задач информационной обработки на компьютерах, включая синтез компьютеров и организацию связей их в вычислительные информационные системы.

В смысле применения компьютеров информатику можно считать состоящей из 3-х взаимосвязанных частей — технических средств (hardware), программных средств (software) и алгоритмических средств (brainware).

В свою очередь информатику в целом и каждую ее часть обычно рассматривают с разных позиций:

• как отрасль народного хозяйства она состоит из совокупности различных форм хозяйствования, где занимаются производством компьютерной техники, программных продуктов и разработкой технологии переработки информации. Специфика информатики, как отрасли народного хозяйства состоит в том, что от нее во многом зависит рост производительности труда в других отраслях народного хозяйства.

• Как фундаментальная наука информатика занимается разработкой методологии создания информационного обеспечения процессов управления любыми объектами на базе компьютерных информационных систем. Цель фундаментальных исследований в информатике — получение обобщенных знаний о любых информационных системах, выявление общих закономерностей их построения и функционирования.

• Как прикладная дисциплина информатика занимается разработкой информационных систем и технологий в различных конкретных областях и выработкой рекомендаций по их проектированию, производству и функционированию.

Понятие "информация" является фундаментальным для информатики. Информация в информатике понимается как абстрактное понятие — это значение выражений, указаний, высказываний, графических изображений и т. д. Только предписывание определенного значения переводит представление в информацию. Таким образом, информация в информационной системе воспринимается как некоторая математическая структура. Переход от представления к элементам этой математической структуры называется интерпретацией. Информация в своем абстрактном виде не может быть записана непосредственно, а потому всегда может быть только как-то изображена. Компьютер служит универсальным средством отображения информации. Именно поэтому персональный компьютер стал важнейшим инструментом информационного общества.

Фактически, компьютеры подобно машинам и механизмам предшествующей эпохи, облегчившим физический труд, облегчают и постепенно начинают видоизменять умственный труд.

Новые компьютерные технологии могут стать средством, способствующим обучению, ориентированному на конкретные возможности студента, значительно более деликатно и точно измеряющим уровень студенческих знаний на основе стандартизованного подсчета тестов, предоставляя при этом высокий уровень обучающих инструментов. Компьютер был рожден на стыке различных отраслей науки и техники, На этом же стыке и используется, самым фактом своего существования поощряя междициплинарные исследования и подходы.

Образование, ориентированное на использование компьютеров, обогащает процесс обучения. Возможности инноваций в образовании в настоящее время превышают все, что известно было в предыдущие пять веков, которые отделяют нас от изобретения печатного станка. Это технологическое изобретение способствовало становлению больших университетов в эпоху Возрождения, которые и до сих пор занимают центральное место в системе образования. Грядущие технологии могут оставить не меньший отпечаток в истории образования, обеспечивая прочные, устойчивые выгоды человечества.

Появившаяся концепция дистанционного образования, как симбиоз заочного обучения и телекоммуникационного использования компьютеров, имеет особую важность. Экономическое значение дистанционного обучения состоит в интегрировании национального опыта во всех областях знаний для передачи будущим поколениям. В решении социальных задач цель дистанционного обучения состоит в предоставлении гражданам равных возможностей получения образования, независимо от географического местонахождения. Дистанционное образование обеспечивает гибкость в выборе времени и места обучения, возможность обучения граждан в тех географических районах страны, где нет иных возможностей получения высшего образования, делает процесс обучения более индивидуальным, эффектным, увлекательным и интересным.

Темпы экономического развития мирового сообщества столь высоки, что структура профессиональных потребностей общества будет постоянно изменяться. Следовательно, для образованного взрослого населения с особой остротой встанет вопрос о переобучении или дополнительном высшем образования, а для России эта проблема особенно актуальна вследствие произошедших социальных изменений. Задача переобучения со временем встанет перед всеми категориями специалистов, в том числе и перед самими преподавателями. Возможность дистанционного получения образования особенно актуальна для взрослого населения, поскольку для большинства из них затруднена возможность свободного передвижения и им важно, чтобы университет пришел к ним, а не они к университету. Дистанционная форма обучения решает важную психологическую проблему обучения разновозрастного контингента. Важнейшее значение в этом процессе займет компьютерное образование и самообразования с помощью компьютерных библиотек, обучающих программ и

Общие сведения о персональном компьютере

Состав компьютера

Персональный компьютер (ПК) — цифровое средство для обработки информации (информации в широком смысле слова — изображение, звук, текст и т. д.).

Предназначение ПК — следуя поступающим от человека командам, ПРИНИМАТЬ, ПЕРЕРАБАТЫВАТЬ, ХРАНИТЬ И ВЫДАВАТЬ ИНФОРМАЦИЮ.

Computer = Hardware (аппаратное обеспечение) + Software (программное обеспечение.

Процессор — электронная микросхема, выполняющая действия по обработке информации. Его характеризуют фирма-производитель (Intel, AMD и др.), тип (Celeron, Pentium III и др.), тактовая частота (например, 366 МГц, 500 МГц) и ряд других параметров.

Память компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю:

Память ПК = Внутренняя память + Внешняя память

Внутренняя память находится рядом с процессором и служит для хранения информации, непосредственно участвующей в вычислительном процессе. Выполняемые процессором программы всегда находятся во внутренней памяти.

В свою очередь внутренняя память состоит из двух частей: постоянная память и оперативная память.

Внутренняя память ПК = Постоянная память + Оперативная память

Постоянная память обеспечивает только хранение и выдачу (чтение) информации. В ней хранятся программы, обеспечивающие запуск компьютера и поддержку его работы.

Оперативная память служит для приема (записи), хранения и выдачи (чтения) информации.

После выключения компьютера информация в оперативной памяти безвозвратно теряется, поэтому для предотвращения потерь информацию необходимо размещать (сохранять) во внешней памяти. Для этого во многих программах предусмотрена специальная команда «Сохранить…».

Внешняя память — набор устройств для долговременного хранения информации:

— жесткий магнитный диск (винчестер) — стандартное устройство для хранения программ и данных;

— дисковод для гибких магнитных дисков (дискет) обеспечивает хранение сравнительно небольших объемов информации, ее конфиденциальность и возможность переноса на другие компьютеры;

— дисковод для оптических дисков (CD-ROM, DVD-диски.). Оптические диски обладают значительной информационной емкостью по сравнению с дискетами. Запись информации на компакт-диски осуществляется только на специальном оборудовании.

В настоящее время для хранения сверхбольших объемов информации могут использоваться дополнительные устройства внешней памяти: стримеры, магнитооптичские устройства (ZIP и другие).

Главной характеристикой памяти ПК является ее объем (емкость). Основная единица измерения объема — байт. Упрощенно можно считать, что 1 байт хранит информацию об одном символе. Например, для хранения в памяти компьютера слова «информация» потребуется 10 байт. Часто используются производные единицы емкости памяти:

1 Кбайт = 1024 байт

1 Мбайт = 1024 Кбайт

1 Гбайт = 1024 Мбайт.

Винчестер — это устройство, на котором чаще всего хранятся Ваши данные. Бытует легенда, объясняющая, почему за жесткими дисками повелось такое причудливое название. Первый жесткий диск, выпущенный в Америке в начале 70-х годов, имел емкость по 30 Мб информации на каждой рабочей поверхности. В то же время, широко известная в той же Америке магазинная винтовка О.Ф. Винчестера имела калибр — 0.30; может грохотал при своей работе первый винчестер как автомат или порохом от него пахло — не знаю, но с той поры стали называть жесткие диски винчестерами.

В процессе работы компьютера случаются сбои. Вирусы, перебои энергоснабжения, программные ошибки — все это может послужить причиной повреждения информации, хранящейся на Вашем жестком диске. Повреждение информации далеко не всегда означает ее потерю, так что полезно знать о том, как она хранится на жестком диске, ибо тогда ее можно восстановить. Тогда, например, в случае повреждения вирусом загрузочной области, вовсе не обязательно форматировать весь диск (!), а, восстановив поврежденное место, продолжить нормальную работу с сохранением всех своих данных.

Устройство жесткого диска

Жесткий диск (HDD — Hard Disk Drive) устроен следующим образом: на шпинделе, соединенным с электромотором, расположен блок из нескольких дисков (блинов), над поверхностью которых находятся головки для чтения/записи информации. Форма головкам придается в виде крыла и крепятся они на серпообразный поводок. При работе они "летят" над поверхностью дисков в воздушном потоке, который создается при вращении этих же дисков. Очевидно, что подъемная сила зависит от давления воздуха на головки. Оно же, в свою очередь, зависит от внешнего атмосферного давления. Диск разбит на дорожки (или треки), которые в свою очередь поделены на сектора. Две дорожки, равноудаленные от центра, но расположенные по разные стороны диска, называются цилиндрами.

Хранение информации

Жесткий диск, как и всякое другое блочное устройство, хранит информацию фиксированными порциями, которые называются блоками. Блок является наименьшей порцией данных, имеющей уникальный адрес на жестком диске. Для того чтобы прочесть или записать нужную информацию в нужное место, необходимо представить адрес блока в качестве параметра команды, выдаваемой контроллеру жесткого диска. Размер блока уже довольно с давних пор является стандартным для всех жестких дисков — 512 байт. Файлы на диске записываются в свободные кластеры, поэтому таблица постоянно изменяется. Таблица расположена на диске, состояние которого она описывает. Таблица размещения файлов — FAT (File Allocation Table) основной элемент организации файловых систем.

Файловая система

Часть операционной системы, обеспечивающая запись и чтение файлов на дисковых носителях (магнитных, магнитооптических, оптических). Файловая система определяет логическую и физическую структуру файла, идентификацию и сопутствующие данные файла. Широко известны следующие файловые системы: — файловая система операционной системы MS-DOS, в основу которой положена таблица размещения файлов — FAT16 (File Allocation Table). Таблица содержит сведения о расположении всех файлов (каждый файл делится на кластеры в соответствии с наличием свободного места на диске, кластеры одного файла не обязательно расположены рядом). Файловая система MS-DOS имеет значительные ограничения и недостатки, например, под имя файла отводится 12 байт, работа с жестким диском большого объема приводит к значительной фрагментации файлов; До появления ОС Windows 95 принято было соглашение, согласно которому имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени, разделяемых точкой. Имя файла не должно превышать 8 символов, а его расширение — 3 символов.

Имя от расширения отделяется точкой. Имя и расширение должны включать только буквы латинского алфавита и цифры. Такой принцип именования файлов используется в MS-DOS. Данное соглашение не является стандартом, и в ряде случае случаются отклонения. Например, некоторые версии MS-DOS допускают символы русского алфавита. Недостаток коротких имен является их низкая информативность. Трудно несколькими символами выразить характеристику файла.

Файловая система операционной системы Windows 95/98 имеет уровневую структуру FAT 32, что позволяет поддерживать одновременно несколько файловых систем. Старая файловая система MS-DOS поддерживается непосредственно, а файловые системы разработанные не фирмой Microsoft, поддерживаются с помощью специальных модулей. Имеется возможность использовать длинные (до 254 символов) имена файлов.

FAT32, впервые представленная в Windows 95 SR2, была прямой наследницей файловой системы FAT (FAT16). Отличалась она тем, что прежде всего, более эффективно использовала дисковое пространство, поскольку поддерживала меньший размер кластера на одном и том же томе. Кластер, или адресуемый блок, — это минимальный блок дисковой памяти для записи данных на томе; он задается при форматировании диска. Все хранящиеся на диске файлы, вне зависимости от их реального размера, имеют размер, кратный размеру кластера. Кроме того, любой, даже небольшой файл (например, размером 1 Кбайт) должен занимать по меньшей мере один кластер драгоценного дискового пространства. Из-за этих ограничений на томах FAT остается много неиспользованного пространства.

И хотя FAT32 задействует более широкий диапазон размеров кластеров, чем FAT, и, следовательно, полнее использует дисковое пространство, NTFS справляется с этой задачей еще лучше. В Таблице приведены размеры используемых FAT-кластеров, в зависимости от размера диска. Разработчики Microsoft реализовали в FAT32 возможности обеспечения целостности данных. В FAT32 имеется несколько функций, обеспечивающих доступ к критичным данным о структуре системы. Например, FAT32 может перенести корневой каталог диска из одного места в другое, если область диска, где этот каталог располагался, случайно была испорчена. Возможно использование резервной копии таблицы размещения файлов, если первая копия была испорчена или недоступна. И наконец, FAT32 создает расширенную загрузочную запись, содержащую резервные копии структуры критичных данных. Все эти новые особенности делают FAT32 более надежной, чем ее предшественница FAT.

Длинные имена

В Windows95 было введено понятие "длинного" имени. Такое имя может содержать до 256 символов. Длинное имя может включать любые символы, за исключением девяти специальных: \ /:*?"<> |.В имени допускаются пробелы и несколько точек.

Наряду с длинным именем операционные системы Windows 95 и Windows 98 создают также и короткое имя файла — необходимое для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами.

Атрибуты файлов

Кроме имени и расширении файла операционная система хранит для каждого файла дату его создания (изменения) и несколько флаговых величин, называемых атрибутами файла. Атрибуты — это дополнительные параметры, определяющие свойства файлов. Операционная система позволяет их контролировать и изменять; состояние атрибутов учитывается при проведении автоматических операций с файлами. Существует четыре основных атрибута:

• Только для чтения (Read Only)

• Скрытый (Hidden)

• Системный (System)

• Архивный (Archive)

Атрибут "Только для чтения" ограничивает возможности работы с файлом. Его установка означает, что файл не предназначен для внесения изменений.

Атрибут "Скрытый" указывает, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Это мера защиты против случайного повреждения файла.

Атрибут "Системный" используется для файлов, связанными с функционированием операционной системы. Его отличительная особенность в том, что средствами операционной системы его изменить нельзя. Как правило, большинство файлов, имеющих установленный атрибут "Системный", имеют также установленный атрибут "Скрытый".

Атрибут "Архивный" в прошлом использовался для работы программ резервного копирования. Предполагалось, что любая программа, изменяющая файл, должна автоматически устанавливать этот атрибут, а средство резервного копирования должно его сбрасывать. Таким образом, очередному резервному копированию подлежали только те файлы, у которых этот атрибут был установлен. Современные программы резервного копирования используют другие средства для установления факта изменения файла, и данный атрибут во внимание не принимается, а его изменение вручную средствами операционной системы не имеет практического значения.

Вернемся к размещению файлов на жестком диске. К сожалению, часто происходит путаница между такими понятиями как сектор", "кластер" и "блок". Фактически, между "блоком" и "сектором" разницы нет. Правда, одно понятие логическое, а второе топологическое. "Кластер" — это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое. Почему не отказались от простой работы с секторами? Переход к кластерам произошел потому, что размер таблицы размещения файлов (FAT) был ограничен, а размер диска увеличивался. В случае FAT16 для диска объемом 512 Мб кластер будет составлять 8 Кб, до 1 Гб — 16 Кб, до 2 Гб — 32 Кб и так далее.

Для того чтобы однозначно адресовать блок данных, необходимо указать все три числа (номер цилиндра, номер сектора на дорожке, номер головки). Такой способ адресации диска быта широко распространен и получил впоследствии обозначение аббревиатурой CHS (cylinder, head, sector). Именно этот способ был первоначально реализован в BIOS, поэтому впоследствии возникли ограничения, связанные с ним. Дело в том, что BIOS определил разрядную сетку адресов на 63 сектора, 1024 цилиндра и 255 головок. Однако развитие жестких дисков в то время ограничилось использованием лишь 16 головок в связи со сложностью изготовления. Отсюда появилось первое ограничение на максимально допустимую для адресации емкость жесткого диска: 1024*16*63*512 = 504 Mb. BIOS — Базовая система ввода/вывода (от англ.> Basic Input/Output System). BIOS — это программы, предназначенные для выполнения следующи функций:

— тестирования основных устройств компьютера;

— распознавания типов устройств, установленных в компьютере;

— вызова блока начальной загрузки операционной системы;

— обслуживания системных прерываний.

Как правило, базовую систему ввода/вывода называют BIOS. В большинстве компьютеров BIOS записывается изготовителем компьютера в постоянное запоминающее устройство и пользователь не имеет средств изменять ее. В настоящее время выпускаются компьютеры, у которых BIOS записывают во флэш-память, и у пользователя появляется возможность изменять BIOS по мере необходимости. Некоторые считают BIOS частью операционной системы

Со временем, производители стали делать HDD все большего размера. Соответственно число цилиндров на них превысило 1024, максимально допустимое число цилиндров (с точки зрения старых BIOS). Однако, адресуемая часть диска продолжала равняться 504 Мбайтам, при условии, что обращение к диску велось средствами BIOS. Это ограничение со временем было снято введением так называемого механизма трансляции адресов, о котором чуть ниже. Проблемы, возникшие с ограниченностью BIOS по части физической геометрии дисков, привели в конце концов к появлению нового способа адресации блоков на диске. Этот способ довольно прост. Блоки на диске описываются одним параметром — линейным адресом блока. Адресация диска линейно получила аббревиатуру LBA (logical block addressing). Линейный адрес блока однозначно связан с его CHS адресом:

lba = (cyl*HEADS + head)*SECTORS + (sector — 1);

Введение поддержки линейной адресации в контроллеры жестких дисков дало возможность BIOS'ам заняться трансляцией адресов. Суть этого метода состоит в том, что если в приведенной выше формуле увеличить параметр HEADS (ГОЛОВКИ), то потребуется меньше цилиндров, чтобы адресовать то же самое количество блоков диска. Но зато потребуется больше головок. Однако головок-то как раз использовалось всего 16 из 255. Поэтому ВЮЭ'ы стали переводить избыточные цилиндры в головки, уменьшая число одних и увеличивая число других. Это позволило им использовать разрядную сетку головок целиком. Это отодвинуло границу адресуемого BIOS'ом дискового пространства до 8Gb.

Следует упомянуть и о режиме работы с дисками большого объема (Large Mode). Этот режим работы предназначен для работы жестких дисков объемом до 1 Гб. В Large Mode количество логических головок увеличивается до 32, а количество логических цилиндров уменьшается вдвое. При этом обращения к логическим головкам 0..F транслируются в четные физические цилиндры, а обращения к головкам 10..1F — в нечетные. Винчестер, размеченный в режиме LBA, несовместим с режимом Large, и наоборот.

Дальнейшее увеличение адресуемых объемов диска с использованием прежних сервисов BIOS сталопринципиально невозможным. Действительно, все параметры задействованы по максимальной "планке" (63 сектора, 1024 цилиндра и 255 головок). Тогда был разработан новый расширенный интерфейс BIOS, учитывающий возможность очень больших адресов блоков. Однако этот интерфейс уже не совместим с прежним, вследствие чего старые операционные системы, такие как DOS, которые пользуются старыми интерфейсами BIOS, не смогли и не смогут переступить границы в 8 GB. Практически все современные системы уже не пользуются BIOS'ом, а используют собственные драйвера для работы с дисками. Поэтому данное ограничение на них не распространяется. Но следует понимать, что прежде чем система сможет использовать собственный драйвер, она должна как минимум его загрузить. Поэтому на этапе начальной загрузки любая система вынуждена пользоваться BIOS'ом. Это и вызывает ограничения на размещение многих систем за пределами 8GB, они не могут оттуда загружаться, но могут читать и писать информацию (например, DOS который работает с диском через BIOS).

Разделы, или Partitions

Обратимся теперь к размещению операционных систем на жестких дисках. Для организации систем дисковое адресное пространство блоков разделяется на час ти, называемые разделами (partitions). Разделы полностью подобны целому диску в том, что они состоят из смежных блоков. Благодаря такой организации для описания раздела достаточно указания начала раздела и его длины в блоках. Жесткий диск может содержать четыре первичных раздела. Во время загрузки компьютера, BIOS загружает первый сектор головного раздела (загрузочный сектор) по адресу 0000h:7C00h и передает ему управление. В начале этого сектора расположен загрузчик (загрузочный код), который прочитывает таблицу разделов и определяет загружаемый раздел (активный). А дальше все повторяется. То есть он загружает загрузочный сектор этого раздела на этот же адрес и снова передает ему управление. Разделы являются контейнерами всего своего содержимого. Этим содержимым является, как правило, файловая система. Под файловой системой с точки зрения диска понимается система разметки блоков для хранения файлов. После того, как на разделе создана файловая система и в ней размещены файлы операционной системы, раздел может стать загружаемым. Загружаемый раздел имеет в своем первом блоке небольшую программу, которая производит загрузку операционной системы. Однако для загрузки определенной системы нужно явно запустить ее загрузочную программу из первого блока. Разделы с файловыми системами не должны пересекаться. Это связано с тем, что две разные файловые системы имеют каждая свое представление о размещении файлов, но когда это размещение приходится на одно и то же физическое место на диске, между файловыми системами возникает конфликт. Этот конфликт возникает не сразу, а лишь по мере того, как файлы начинают размещаться в том месте диска, где разделы пересекаются. Поэтому следует внимательно относиться к разделению диска на разделы. Само по себе пересечение разделов не опасно. Опасно именно размещение нескольких файловых систем на пересекающихся разделах. Разметка диска на разделы еще не означает создания файловых систем. Однако, уже сама попытка создания пустой файловой системы (то есть форматирование), на одном из пересекающихся разделов может привести к возникновению ошибок в файловой системе другого раздела. Все сказанное относится в одинаковой степени ко всем операционным системам, а не только самым популярным. Диск разбивается на разделы программным путем. То есть, Вы можете создать произвольную конфигурацию разделов. Информация о разбиении диска хранится в самом первом блоке жесткого диска, называемым главной загрузочной записью (Master Boot Record (MBR)). MBR является основным средством загрузки с жесткого диска, поддерживаемым BIOS.

Монитор — устройство для визуального отображения информации. Отображение информации происходит на экране монитора.

Для указания позиции экрана, в которой отображается информация, вводимая с клавиатуры, используется КУРСОР (как правило, мигающая вертикальная черта).

Все мониторы можно классифицировать: По схеме формирования изображения. По своим размерам. По способу воздействия на человека.

Классификация по способу формирования изображения

По этому принципу мониторы делятся на: ЭЛТ-мониторы ЖК-мониторы Катодолюминисцентные мониторы.

ЭЛТ-мониторы (мониторы с электронно-лучевой трубкой) очень похожи на телевизоры. У них тот же принцип формирования сигнала — направленный электронный пучок вызывает свечение точек на экране. Этот тип мониторов позволяет создание изображения с максимальной контрастностью, яркостью и цветностью. Их недостатки — высокое потребление электроэнергии и вред, наносимый здоровью.

ЖК-мониторы (жидкокристаллический) формируют изображение за счет того, что определенные точки экрана становятся прозрачными или непрозрачными в зависимости от приложенного электрического поля. Поскольку жидкокристаллические ячейки сами не светятся, ЖК-мониторам нужна подсветка. ЖК-мониторы имеют малое потребление энергии, изображение на них приятно глазам, отсутствует радиационное излучение монитора. Их недостатки — малая контрастность изображения и малые скорости регенерации (обновления изображения) экрана.

ЖК-мониторы (жидкокристаллический) формируют изображение за счет того, что определенные точки экрана становятся прозрачными или непрозрачными в зависимости от приложенного электрического поля. Поскольку жидкокристаллические ячейки сами не светятся, ЖК-мониторам нужна подсветка. ЖК-мониторы имеют малое потребление энергии, изображение на них приятно глазам, отсутствует радиационное излучение монитора. Их недостатки — малая контрастность изображения и малые скорости регенерации (обновления изображения) экрана.

Катодолюминисцентные мониторы все еще находятся в стадии разработки. Они имеют те же характеристики изображения, что и ЭЛТ, однако в отличие от них позволяют создавать мониторы очень большого (более одного метра) размера. Их главный недостаток — малое время безотказной работы, после которого элементы экрана приходится менять. Другие параметры мониторов автору не известны.

Размеры экранов

Следующим важным свойством монитора является размер его экрана. Как правило, чем больше экран, тем с большим разрешением (соответственно — меньшим размером единицы изображения) можно на нем работать. Но при этом непропорционально высоко возрастает его цена и увеличивается требуемое место для монитора на столе.

За размеры монитора считают размер его экрана по диагонали. Для ЭЛТ стандартными являются размеры 14", 15", 17", 19", 21", 23" (" — обозначение дюйма.) Для ЖК-мониторов — 13", 14", 15", 17", 19".

Воздействие на здоровье

Наиболее вредными для здоровья являются ЭЛТ-мониторы. Прежде всего за счет рентгеновского излучения, возникающего из-за торможения электронов в трубке, и паразитного ультрафиолетового излучения монитора. К тому же на глазах человека отрицательно сказывается неравномерная яркость экрана, нечеткость изображения (ведущая к близорукости) и выпуклость экрана (ведущая к астигматизму.

Первым решением, которое хоть как-то ослабляло вред от мониторов, явилось применение защитного экрана на монитор. Он увеличивал контрастность изображения, устранял солнечные блики, защищал от ультрафиолета. Однако его защита все равно была недостаточной. В связи с этим стали выпускаться мониторы, поддерживающие различные эргономические стандарты. Первым таким стандартом являлся шведский стандарт MPR-II. Затем за стандартизацию взялись международные организации, и появились стандарты ТСО'92, ТСО'95 и ТСО'99. Уже для мониторов, удовлетворяющих стандарту ТСО'92, не требовалось защитного экрана. Стандарт же ТСО'99 гарантирует непричинение вреда здоровью при 8-ми часовой работе за экраном монитора, удовлетворяющего данному стандарту.

В отличие от ЭЛТ-мониторов ЖК-мониторы не приносят вреда здоровью.

Мышь — устройство для ввода в компьютер управляющих воздействий. Манипулятор мышь значительно моложе клавиатуры — его коммерческое использование началось в 80-х годах XX века. Однако, по сравнению с клавиатурой, он имеет гораздо больше модификаций. Первоначально манипулятор представлял собой некий предмет с прямоугольным основанием 7*10 см, максимальной высотой 4 см, имеющий одну кнопку и подсоединенный к компьютеру через COM-порт длинным (1 м) проводом. Именно за сходство этого манипулятора со взрослой мышью (те же размеры и длинный хвост) эти манипуляторы также стали называть мышами.

Современные мыши обязательно содержат две кнопки — левую и правую. При передвижении мыши также передвигается курсор (стрелка и прямоугольник) на экране. Поскольку большинство людей "правши" и держат мышь правой рукой, то основной клавишей мыши является левая, находящаяся под указательным пальцем. Если же Вы — левша и держите мышь левой рукой, для Вас желательно сделать основной правую клавишу мыши. Попросите Вашего специалиста, чтобы он настроил мышь под Вас.

Назначение клавиш меняется от программы к программе. Грубо можно считать, что левая (основная) клавиша мыши соответствует клавише Enter на клавиатуре, а правая — клавише Context.

Кроме двух клавиш мышь может содержать третью клавишу, колесико, боковую клавишу и т. п. Третья клавиша мыши расположена по середине и иногда выполняет функцию клавиши Esc на клавиатуре. Колесико служит для прокрутки текста (или изображения) в окне Windows.

Остальные элементы используются еще реже.

В основном все выпускаемые в настоящее время мыши делятся на оптомеханические и оптические. В оптомеханических мышах при движении ее по поверхности вращается шарик, находящийся в нижней части мыши. Вращение шарика передается двум перпендикулярно расположенным колесикам, с которых с помощью оптронов считывается относительное перемещение мыши. Колесико делается из металла и обтягивается резиной. Поэтому они плохо двигаются на полированной или, наоборот, загрязненной поверхности. Лучше всего подкладывать под оптомеханическую мышь специальный коврик, увеличивающий трение между шариком и поверхностью, по которой перемещается мышь.

Оптические мыши не содержат движущихся частей. Их работа основана на том, что при движении мыши по поверхности меняется отражение луча света, которое испускает мышь. Поэтому этот тип мыши меньше чувствителен к шероховатости и чистоте поверхности, однако более чувствителен к ее оптическим свойствам. С этой мышью также лучше использовать коврики, однако теперь они служат другой цели — обеспечить оптическую неоднородность поверхности. Поэтому иногда простой поворот коврика на 90 градусов может перевести мышь в нерабочее состояние.

Клавиатура

Клавиатура — устройство для ввода информации в ПК. Она представляет собой "доску", на которой в 5 или в 6 рядов расположены клавиши. Все клавиши делятся на 2 группы — белые и серые.

Белые клавиши служат для ввода алфавитно-цифровых знаков в компьютер. За каждой клавишей закреплены 2 знака. Соответствие знаков клавишам называется "раскладкой" клавиатуры. О раскладке будет сказано ниже.

К белым клавишам относят и так называемые функциональные клавиши. Всего их двенадцать (на старых клавиатурах — десять) штук. Они служат для подачи программам, выполняемых на компьютере, определенных команд. Они отличаются от серых клавиш тем, что имеют собственные функции, работают самостоятельно и не управляют курсором. Серые клавиши предназначены для изменения режима ввода символов и управлением курсором. Рассмотрим их по-подробнее:

1. Клавиша Esc (называется "Эскейп".) Обычно служит для отмены какого-либо действия программы, выхода из чего-либо и т. д.

2. Клавиша Enter (читается "Энтр".) Служит для завершения ввода строки и перехода на следующую строку, принятия положительного ответа на вопрос, осуществление действия по-умолчанию, закрытия окна с подтверждением изменений и т. д. Это как бы антипод клавиши "Эскейп" (Esc.)

3. Клавиша Tab (читается "Таб"). Предназначена для формирования отступов в тексте, перехода из одного пункта диалогового окна к другому и т. п.

4. Клавиша CapsLock (читается "капслок".) Предназначена для ввода прописных букв.

5. Две клавиши Shift (читается "Шифт"). Меняет регистр клавиатуры. Дело в том, что все клавиши на клавиатуре могут вводить два символа. На клавиатуре обычно нарисовано два знака, расположенные один над другим. Простое нажатие клавиши вводит один символ, указанный на клавише снизу. Это — нижний регистр. Для того, чтобы ввести символ, изображенный на клавише сверху, надо перейти в верхний регистр, т. е. нажать клавишу Shift и, не отпуская ее, нужную клавишу.

6. Две клавиши Ctrl (читается "Контрол"). Служит для подачи компьютеру команд. Команда подается одновременным нажатием клавиши Ctrl и алфавитно-цифрового символа (далее обозначается Ctrl+<Буква>).

7. Две клавиши Alt (читается "Альт"). Их назначение сходно с клавишей Ctrl.

8. Клавиша Ins (читается "Инсерт"). Служит для переключения режима вставки/замены символов при вводе, а также для выделения элементов в списке, добавления элемента в список и т. д.

9. Backspace (читается "Бэкспейс"). Предназначена для удаления символа слева от курсора.

10. Клавиша Del (читается "Делит"). Удаляет символ, на котором стоит курсор (или символ справа от него). Она также предназначена для удаления элемента графического интерфейса.

11. Клавиша Ноmе (читается "Хоум"). Предназначена для перехода в начало (строки, списка и т. п.)

12. Клавиша End (читается "Энд"). Предназначена для перехода в конец (строки, списка и т. п.)

13. Клавиша PgUp (читается "Пэйдж ап"). Предназначена для перемещения (про крутки) изображения на экране вниз.

14. Клавиша PgDn (читается "Пэйдж даун"). Предназначена для перемещения изображения на экране вверх.

15. Стрелка вверх. Служит для перемещения курсора на одну строку вверх.

16. Стрелка вниз. Служит для перемещения курсора на одну строку вниз.

17. Стрелка влево. Служит для перемещения курсора на одну позицию влево.

18. Стрелка вправо. Служит для перемещения курсора на одну позицию вправо.

19. Scroll Lock (читается "Скролл лок").

20. PrScr (читается "Принт скрин").

21. Pause/Break (читается "Пауз" или "Брейк").

Клавиши 19–21 используются в специальных целях и здесь не рассматриваются.

Существует также дополнительная цифровая клавиатура, расположенная справа. Она предназначена как для ввода цифр (0–9 и разделитель десятичных знаков; горит индикатор "Num Lock"), так и для для дублирования серых клавиш 8, 10–18 (смотри выше.) Кроме того, эта клавиатура может дублировать мышь. Управляется эта клавиатура клавишей "Num Lock" (читается "Нум лок"): когда она нажата (горит указатель) вводятся цифры. При повторном нажатии на эту клавишу индикатор гасится, и дополнительная клавиатура дублирует серые клавиши управления курсором.

Кроме этого, на дополнительной клавиатуре продублированы клавиши /, *, -, + и Enter, которые стали "серыми". Кроме ввода указанных знаков, они еще применяются для других целей.

Специально для работы с Microsoft Windows 95/98/2000/NT4 на клавиатуре появились две клавиши Win (читается "Вин") с изображение логотипа Windows, и клавиша Context (читается "контекст") с изображением пункта меню. Об этих клавишах будет сказано при описании работы Microsoft Windows.

Так расположены клавиши на стандартной клавиатуре. Однако у обычной клавиатуре есть два полярных недостатка: Она занимает много места. Она неудобна эргономически.

Первый недостаток существен в носимых компьютерах, и там она изменена. У эргономичных моделей клавиатура приняла "волнистую" форму, в которой алфавитно-цифровая клавиатура разделена на две части, которые расположены под углом ~120 градусов. Соответственно перенесен блок клавиш управления курсором.

Раскладки клавиатуры латинский/русский.

На верхнем регистре вводятся прописные (заглавные) буквы, а на нижнем — строчные (маленькие). На русском регистре вводятся символы кириллицы, а на латинском — латиницы.

Мы вам советуем сразу начать осваивать так называемый слепой десятипальцевый метод работы на клавиатуре. Это не так уж и сложно, самое главное — не торопиться и набраться терпения. Посмотрите на рисунок.

На нем указаны зоны ответственности каждого пальца:

• Левый мизинец постоянно находится над буквой Ф, а нажимает еще и буквы Й и Я.

• Левый безымянный постоянно находится над буквой Ы, а нажимает еще и буквы Ц и Ч.

• Левый средний постоянно находится над буквой В, а нажимает еще и буквы У и С.

• Левый указательный постоянно находится над буквой А, а нажимает еще и буквы К, Е, П, М и И. На большинстве клавиатур буква А отмечена риской.

• Правый указательный постоянно находится над буквой О, а нажимает еще и буквы Н, Г, Р, Т и Ь. На большинстве клавиатур буква О тоже отмечена риской.

• Правый средний постоянно находится над буквой Л, а нажимает еще и буквы Ш и Б.

• Правый безымянный постоянно находится над буквой Д, а нажимает еще и буквы Щ и Ю.

• Правый мизинец постоянно находится над буквой Ж, а нажимает еще и буквы 3, X, Ъ и Э.

• Большие пальцы рук нажимают на длинную клавишу пробела.

Лекция 2

Включение компьютера

Перед началом работы с компьютером необходимо включить его в электросеть. Процесс включения компьютера следующий:

Подготовительные операции

Проверьте нет ли повреждения корпуса у компьютера и периферийных устройств. Устройства со сломанными корпусами использовать нельзя! Заправьте принтер бумагой (если Вы его используете). Проверьте, нет ли каких-нибудь "висящих" проводов, не подключенных к компьютеру. Если Вы используете компьютерную сеть, проверьте подключения кабелей к адаптеру сети.

Порядок включения

Компьютерные устройства вообще включаются "от периферии к центру". Это значит, что необходимо включать устройства в следующей последовательности:

Включите все USB- и SCSI-устройства (USB — универсальная последовательная шина, SCSI — стандартный интерфейс малых компьютеров.)

К USB-устройствам, как правило, относятся недорогие сканеры, цифровые фотоаппараты и видеокамеры, иногда мониторы, клавиатура, принтер и мышь. К SCSI-устройствам относят различные сканеры и дополнительные дисководы.

Включите приборы, подключенные к последовательным и параллельным портам компьютера (принтеры, модемы и т. д.). Включите монитор (кнопкой на его передней панели). Удалите 3,5" или 5,25" дискету из дисковода, если она в нем есть. Примечание: для удаления 5.25" дискету из дисковода необходимо: а) Повернуть рукоятку-фиксатор дискеты на 90 градусов против часовой стрелки; Ь) достать дискету из дисковода и положить в футляр.

Для удаления 3.5" дискеты необходимо: а) нажать кнопку выброса дискеты из дисковода (ниже щели для вставки дискеты); Ь) вынуть дискету из дисковода и положить в футляр.

Включите приборы, подключенные к последовательным и параллельным портам компьютера (принтеры, модемы и т. д.) Включите кнопку "Сеть" на передней панели компьютера

Примечание: После выключения компьютера его можно повторно включать через 30 секунд.

Загрузка операционных систем

После включения компьютера начинается внутреннее тестирование компьютера. В процессе тестирования проверяется: Источник питания. Видеокарта. Процессорный блок. Память. Подключенные дисководы. Внешние устройства.

Если хотя бы одно из этих устройств не работает нормально, компьютер издаст несколько длинных писков и дальше загружаться не будет. Если тест прошел успешно, то после короткого писка на экране появляется информация о конфигурации компьютера, и начинает загружаться операционная система.

Далее при загрузке операционной системы на экране будет отображаться заставка. Заставка может прерываться запросом на выбор конфигурации операционной системы. При этом в память загружаются различные программы. Вид и последовательность загрузки задается администратором. Вам важно знать, что при загрузке программ MS-DOS Вам предается выбрать конфигурацию компьютера. Выбери те конфигурацию по умолчанию (нажмите Enter.)

После загрузки программ MS-DOS появляется чистый рабочий стол Windows 95/98. Далее Вас могут попросить войти в сеть. Для этого посредине экрана появится диалоговое окно. Вид этого окна зависит от того, в какую сеть Вы входите. При входе в сеть у Вас могут запросить идентификационное имя (так называемый "логин" (login) или "ник") и пароль для входа в сеть. Введите свой логин и пароль, а если Вы его не знаете (или у Вас его нет), в поле имени наберите слово "guest" (без кавычек!), а в поле пароля — ничего не набирайте.

После этого Вас могут запросить выбрать пользовательские настройки. Для этого также нужно набрать свой логин и пароль. Далее, после входа в систему, загрузятся другие программы Microsoft Windows. Ничего на предпринимайте, пока все программы не загрузятся (не перестанет работать винчестер.)

Сбои при загрузке Windows

Если Вы неправильно выключили компьютер, то после загрузки программ MS-DOS система сообщит Вам об этом и начнет проверять жесткие диски. Дождитесь окончания проверки. Иногда, после сбоя, Windows попросит Вас запуститься в "безопасном" режиме ("Safe Mode"). При загрузке в этом режиме система устраняет возникшие неполадки. После загрузки Windows в безопасном режиме перезагрузите компьютер, и он запустится в нормальном режиме. Примечание: для перезагрузки компьютера необходимо: а) выбрать пункт "Завершение работы" в главном меню; Ь) выбрать пункт "Перезагрузить компьютер"; с) выбрать клавишу ОК и дождаться процедуры повторного запуска компьютера.

Введение в операционную систему Windows 95/98^[7]

Программное обеспечение (ПО) — совокупность программ, обеспечивающих функционирование ПК в интересах пользователя.

Под операционной системой (ОС) понимается набор программ, управляющих вычислительным процессом в компьютере и обеспечивающих диалог с пользователем.

В настоящее время в ПК широко используются операционные системы фирмы Microsoft: Windows 95, Windows 98 и Windows 2000/ХР. Способ взаимодействия пользователя с компьютером называется интерфейсом… Windows 9x/2k использует графический интерфейс. Основу его составляют окна (windows — окна, англ.).

MicrosoftWindows 98 — это высокопроизводительная, многозадачная и многопотоковая 32-разрядная операционная система с графическим интерфейсом и расширенными сетевыми возможностями. Термин "32-разрядная" обозначает, что операционная система работает с информацией длиной 32 бита. За счет увеличения разрядности повышается скорость выполнения программ на ПК, увеличивается надежность работы компьютера, возрастают функциональные возможности самого компьютера. Термин "многозадачная" означает, что на компьютере одновременно может работать несколько программ. Простота в работе достигается использованием нового пользовательского интерфейса. Технология "Plug and Play" (включи и работай) облегчает установку новых компьютерных устройств — достаточно вставить устройство в гнездо компьютера, и далее операционная система сама найдет и установит соответствующий драйвер. Обмен информацией и взаимосвязь между различными программами обеспечивает технология OLE — "Object Linking and Embedding", что означает "связывание и встраивание объектов".

Запуск Windows 95/98

Запуск программы происходит автоматически после включения компьютера. После успешного запуска на экране появляется «Рабочий стол» Windows (см. рис. 2) и графический объект, называемый указателем (курсором) мыши. Перемещение мыши по столу вызывает перемещение курсора по экрану, а команды передаются нажатием (щелчком) кнопок.

Работа в Windows может осуществляться как с помощью клавиатуры, так и с помощью мыши. На экране монитора всегда находится указатель мыши. Форма указателя мыши может меняться в зависимости от того, на что он указывает. Изменение формы указателя мыши «подсказывает» пользователю о тех действиях, которые он может произвести в данных момент времени. Некоторые формы указателя мыши приведены в табл. 1.

Таблица 1. Формы указателя мыши

Приемы работы с мышью

Указать на объект — подвести указатель мыши к объекту так, чтобы острие стрелочки указывало точно на объект.

Выделить объект — указать на объект, быстро нажать и отпустить ЛЕВУЮ клавишу мыши.

Выбрать объект (запустить программу, открыть окно) — указать на объект, быстро дважды подряд нажать и отпустить ЛЕВУЮ клавишу мыши.

Вызвать контекстное меню — указать на объект, быстро нажать и отпустить ПРАВУЮ клавишу мыши.

Переместить объект — указать на объект, нажать ЛЕВУЮ клавишу мыши и, не отпуская ее, перемещать его по экрану. В нужном месте клавиша отпускается. Этот прием называется «перетащить и опустить» (drag and drop).

Левая кнопка мыши используется:

• для запуска приложений и открытия папки (двойной щелчок). Двойной щелчок означает выполнение двух последовательных щелчков, разделенных очень маленьким

• промежутком времени (вместо двойного щелчка можно использовать клавишу Enter);

• выбора пунктов меню и выделения отдельных объектов, таких, как файл, ярлык, окно (одинарный щелчок);

• выделения некоторых областей текста или рисунка;

• перемещения (перетаскивания, буксирования) объекта по экрану. Для этого необходимо указать курсором мыши объект, нажать левую кнопку мыши и, не отпуская левой кнопки мыши, перетащить курсор в нужное место, отпустить левую кнопку — происходит фиксация нового положения объекта.

Правая кнопка используется не столь активно, в основном для вызова контекстного меню. При этом в меню будут присутствовать именно те пункты, которые подходят для данного объекта.

На «Рабочем столе» могут находиться различные элементы (объекты), основными из которых являются: «Панель задач», значки программ, документов, папок или ярлыков («Мой компьютер», «Корзина», «Microsoft Word» и т. д.). В Windows 98 большое значение имеет понятие папка. Папка — это группа файлов, объединенных по какому-либо критерию. В Windows 98 понятие папка сменило понятие каталог (директорий), используемое в предыдущих версиях Windows и в DOS, вместо термина программа обычно используют термин приложение. В системе WINDOWS 98 значительное внимание уделено реализации документо-ориентированного подхода. Это означает, что пользователь концентрирует внимание на своих документах, а не на приложениях, с помощью которых эти документы обрабатываются. Документ — любой файл, обрабатываемый с помощью приложений. В Windows 98 документ может содержать текстовую, графическую, звуковую или видеоинформацию.

Длина имени файла может состоять из 255 символов, в качестве которых можно использовать любые символы, кроме? \ * " < > |.

«Панель задач» содержит:

• кнопку «Пуск», которая обеспечивает доступ к «Главному меню» Windows 95/98;

• кнопки всех работающих программ (приложений) и обеспечивает переключение между ними;

• панель индикации с кнопками для переключения алфавита, установки режимов работы экрана (цвета, оформление, размер и т. д.), изменение даты и времени, увеличения или уменьшения громкости звука.

Вид рабочего стола

На Рабочем столе располагаются иконки (значки, пиктограммы). Иконка представляет собой небольшой рисунок с подписью. Иконки должны отражать назначение того объекта (файла, приложения, документа), который они представляют. Ярлык — разновидность иконки в системе Windows 95/98. Ярлык представляет собой указатель на объект и помогает найти его на диске. В левом нижнем углу ярлыка находится стрелка. Ярлык практически не занимает места на диске (всего 1 килобайт), а результат щелчка по ярлыку тот же, что и по самому объекту.

Двойной щелчок по ярлыку открывает объект, с которым он связан.

При стандартном виде Рабочего стола на нем располагаются иконки: — Мой компьютер. Двойной щелчок по иконке Мой компьютер открывает папку с одноименным названием. С помощью этой папки пользователь имеет доступ ко всем папкам и файлам на компьютере, к дискам, различным устройствам и к их настройке.

Корзина. Предназначена для удаления папок и файлов, их временного хранения. Корзина занимает часть дискового пространства, размеры которого устанавливаются пользователем. По внешнему виду Корзины видно: пуста она или нет. Информацию о перенесенных в Корзину объектах можно получить, перейдя в режим просмотра корзины. Если файл удален по ошибке, то можно восстановить его при условии, что Корзина еще не очищена. Двойной щелчок по иконке Корзины дает возможность просмотреть ее содержимое.

Состав иконок, их внешний вид, расположение, форму, размеры, цвет можно менять.

Рис. Иконка папки Мой компьютер и окно просмотра содержимого папки Мой компьютер

Пользователю постоянно доступна панель задач. Панель задач может занимать различное положение, может находиться на рабочем столе или появляться только, когда курсор мыши приближается к соответствующей границе экрана. Панель задач содержит кнопку Пуск с логотипом Windows и кнопки с именами открытых приложений и папок. При установке указателя мыши на кнопке появляется подсказка с названием приложения и документа. Кнопки можно использовать для переключения между окнами.

Справа на панели задач расположены значки системные часы, звук и индикатор текущей раскладки клавиатуры (буквы Ru означают выбор шрифта, соответствующего кириллице). Щелчок индикатора раскладки клавиатуры вызывает окно, позволяющее переключиться с одного языка на другой. После установки указателя мыши на системных часах появляется текущая дата. Двойной щелчок системных часов вызывает на рабочий стол большие часы с календарем. В этом режиме возможна коррекция текущего времени и даты.

Щелчок значка звук вызывает появление значка с движком, управляющим громкостью Звука и опцией включение/отключения звука. Выбор в этом окне мышью Выкл приводит к отключению звука.

Основой Windows является использование многооконного интерфейса ("интерфейс" — средство общения). Окно представляет собой обрамленную область экрана, в которой может отображаться приложение, документ или сообщение.

На поверхности рабочего стола можно увидеть три типа окон: окна приложений, окна документов, вспомогательные окна.

Рис. Основные элементы окна приложений

В верхней части каждого окна приложений находится строка заголовка. В ней отображается имя открытого приложения. В левой части строки заголовка находится иконка — это кнопка вызова системного меню. Активизируется системное меню щелчком левой клавиши мыши по кнопке вызова системного меню. Чтобы убрать его, достаточно щелкнуть той же клавишей в любом месте рабочего стола. В правой части строки заголовка расположены три кнопки, причем на двух из них пиктограммы постоянны, а на средней кнопке пиктограммы изменяются в зависимости от состояния окна.

Левая кнопка (со значком подчеркивания) сворачивает окно до иконки на панели задач. Средняя кнопка разворачивает окно на весь экран, или восстанавливает его первоначальные размеры. Правая кнопка (с крестиком) закрывает окно и прекращает выполнение приложения.

Под строкой заголовка окна приложений находится строка меню. Добраться до команд меню можно двумя способами. Во-первых, любое меню открывается при щелчке левой клавишей мыши по названию меню. Во-вторых, получить доступ к командам меню можно с помощью клавиатуры. В каждом пункте меню подчеркнута первая буква.

Комбинацией клавиш Alt+буква, подчеркнутая в имени меню, можно сразу открыть нужное меню. Команды меню можно выбрать клавишами, соответствующими подчеркнутым буквам в имени команды. Некоторые команды можно вызвать на выполнение с помощью клавиш или комбинаций клавиш, не открывая меню. Для таких команд справа от их имени указывается соответствующая комбинация. Например, Alt+F4 для команды Закрыть.

У нижнего края окна находится строка состояния. Она содержит информацию о режимах работы приложения.

Размеры окна можно легко изменять. Для этого нужно установить курсор мыши на границу окна, он примет вид двунаправленной стрелки, показывающей направления изменения размеров окна, нажать левую клавишу мыши и установить новые размеры окна.

Полоса прокрутки (вертикальная или горизонтальная) — это полоса вдоль ниж ней или правой границы окна. Она состоит из стрелок прокрутки, бегунка, собственно полосы прокрутки и служит для просмотра содержимого окна, не умещающегося в его размерах.

Окна документов всегда подчинены окнам своих приложений, не выходят за их пределы. Окно документа может быть свернутым (при этом остается на экране лишь заголовок с названием документа), представлено окном нормального размера (не развернутым на все рабочее поле) или полностью развернутым в пределах рабочего поля окном. Для некоторых приложений допустимо располагать на рабочем поле несколько окон документов в различных состояниях. Если окно документа представлено нормальным окном, то оно имеет собственную строку заголовка, содержащую имя документа. При увеличении размеров окна до максимального его имя появляется в строке заголовка приложения после имени приложения. Окна документов, также как и окна приложений, имеют кнопки для изменения вида окна, а, установив указатель мыши на границу окна, можно изменить размеры окна.

Вспомогательные окна используются для вывода сообщений, для организации диалога с целью запроса параметров команды. Как правило, эти окна имеют фиксированный размер.

Одновременно на рабочем столе могут находиться несколько окон. Чтобы упорядочить окна, необходимо щелкнуть правой клавишей мыши на пустом месте панели задач и выбрать один из способов упорядочивания: Окна каскадом (размещает открытые окна "в стопку"), Окна сверху вниз, Окна слева направо. Выбор осуществляется одиночным щелчком левой клавишей мыши.

Чтобы переместить окно, надо установить курсор на строку заголовка окна, нажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее, переместить курсор в нужное место, отпустить левую кнопку мыши.

Щелчок мышью кнопки Пуск приводит к появлению Главного системного меню, которое позволяет запустить программу, открыть документ, вызвать панель управления для настройки компьютера, произвести поиск файла или папки, вызвать справку и т. д.

Вид Главного системного меню может быть различным на разных компьютерах. При стандартном виде меню на экране появятся пункты: Программы, Документы, Настройка, Поиск, Справка, Выполнить, Завершение работы. Если у пункта есть подменю, то справа от названия появляется значок с изображением треугольника.

Пункт меню «Программы» вызывает на экран список приложений, установленных на компьютере. Пункт меню Документы вызывает на экран список документов, с которыми недавно работали на данном компьютере. При выборе документа происходит запуск необходимого приложения и загрузка в него данного документа. Пункт меню «Настройка» имеет подменю из команд Панель управления, Принтеры и Панель задач, которые позволяют настроить Windows, внешний вид панели задач и состав основного меню. Пункт меню «Найти» осуществляет поиск файлов или папок. Пункт меню Справка используется для получения доступа к справочной системе. Пункт меню «Выполнить» позволяет запустить любое приложение. Для этого в окно Запуск программы необходимо ввести путь и название этого приложения. Если точно неизвестно местонахождения приложения, то можно выбрать кнопку Обзор. Пункт меню Завершение работы позволяет выключить или перезагрузить компьютер.

Нажатие кнопки Start выводит целую систему меню, с помощью которых можно найти и пустить заданное приложение

Для переключения шрифта с русского языка на английский и обратно с помощью «Панели индикации» нужно:

• щелкнуть левой клавишей мыши по кнопке (индикатору) с надписью Ru или Еn;

• в появившемся меню выбрать требуемый режим ввода букв.

Завершение работы с Windows 95/98 и выключение ПК.

Неправильный выход из Windows может привести к потере данных!

Перед выключением ПК:

• сохранить все документы;

• закрыть все работающие приложения;

• открыть «Главное меню» кнопки «Пуск» и выбрать команду «Завершение работы»;

• в появившемся окне выбрать пункт «Выключить компьютер»;

• отключить электропитание после того, как получите на это разрешение ПК. Типовая структура окна

В системе Windows существуют следующие типы окон:

• программное окно — окно, в котором выполняется программа (приложение);

• окно документа — окно, связанное с конкретной прикладной программой;

• окно папки — окно, в котором можно просматривать ресурсы компьютера;

• диалоговое окно — окно, в котором происходит диалог пользователя с системой Windows (выбираются или делаются некоторые установки);

• окно сообщений — окно, в котором выдается сообщение ОС.

Программное окно, окно документа и окно папки имеют общие элементы. Элементы окна программы «Корзина»

Названия и назначение основных элементов окна приведены в табл.

Таблица. Основные элементы окна

Название ∙ Назначение

Строка заголовка

В ней указано имя программы, а также имя открытого документа.

Строка заголовка активного окна отличается цветом (как правило — синий) от строк заголовка всех других открытых окон.

Используя строку заголовка можно перемещать окно по экрану.

Кнопка Свернуть

Сворачивает окно в кнопку на «Панель задач». Содержимое окна при этом не уничтожается.

Кнопка Развернуть

Разворачивает окно на весь экран.

При развернутом окне данная кнопка превращается в кнопку «Восстановить», которая позволит вернуть окно в прежнее состояние.

Кнопка Закрыть

Закрывает окно и завершает работу программы.

Оконное меню

Осуществляет доступ к набору команд, связанных с параметрами окна.

Строка меню

Содержит пункты (ключевые слова) меню.

Щелчок левой клавишей мыши по пункту меню вызывает на экран ниспадающее меню данного пункта.

Для завершения работы с меню можно щелкнуть мышью где-нибудь в рабочей области экрана.

Панель(и) инструментов

Содержит кнопки наиболее часто используемых команд. Устанавливается в окне с помощью пункта меню «Вид».

Граница, угол

Используются для плавного изменения размеров окна.

Полосы прокрутки

Отсутствуют, если вся информация (документ) помещается в окне.

Содержат кнопки и бегунок. Кнопки вертикальной прокрутки позволяют перемещаться на строку (страницу) вверх или вниз, горизонтальной — влево или вправо.

По положению бегунка можно определить, как расположено окно относительно документа.

Бегунок можно перемещать указателем мыши по полосе прокрутки, при этом изменяется расположение документа относительно окна.

Щелчок по полосе прокрутки выше или ниже бегунка позволяет перемещаться постранично (вверх или вниз).

Рабочее поле

Основная часть окна, в которой размещается документ.

Чтобы пустить приложение, достаточно найти его в подменю стартового меню и щелкнуть левой клавишей мышки. На поверхности рабочего стола появится окно работающего приложения

Окна можно открывать, закрывать, сворачивать, перемещать, изменять размеры, упорядочивать.

Изменять представление окон можно следующим образом.

Свернуть окно в кнопку:

• или щелчком мыши по кнопке «Свернуть»,

• или щелчком мыши по значку «Оконного меню» и далее через меню.

Развернуть окно на весь экран:

• или щелчком мыши по кнопке «Развернуть»,

• или двойным щелчком мыши по «Строке заголовка»,

• или щелчком мыши по значку «Оконного меню» и далее через меню.

Восстановить нормальные размеры окна, свернутого в кнопку:

• щелчок мыши по кнопке на «Панели задач».

Закрыть окно:

• или щелчком мыши по кнопке «Закрыть»,

• или двойным щелчком мыши по значку «Оконного меню»,

• или щелчком мыши по значку «Оконного меню» и далее через меню.

Для перемещения окна по экрану нужно сделать окно активным (текущим), установить указатель мыши на «Строку заголовка» и перетащить окно, используя при ем мыши «перетащить и отпустить».

Работа с Windows 95/98 является документно-ориентированной. Это означает что вам незачем вспоминать, каким приложением создан документ, в каком форма те он записан как файл и какие средства нужны для его модификации и просмотра. Особенно отчетливо это ясно, если пустить команду Documents в стартовом меню. Вы увидите список всех последних документов, с которыми вы работали последнее время.

Для работы с любым документом просто установите курсор мышки на выбранном документе и пару раз щелкните левой клавишей мышки — документ спустя пару-другую секунд появится вместе с породившим его приложением

Упорядочивание открытых окон на «Рабочем столе»

Для упорядочивания открытых окон необходимо:

• установить указатель мыши на свободное место «Панели задач» и нажать ПРАВУЮ кнопку мыши;

• выбрать в контекстном меню команду «Каскадом», «Сверху вниз» или «Слева направо».

Чтобы восстановить исходные размеры и размещение окон, снова открыть контекстное меню и выбрать команду «Отменить окна рядом», или «Отменить окна каскадом».

Пример работы с графическим документом в редакторе Paint

Лекция 3

Элементы управления

Существуют три вида меню:

• строка-меню (горизонтальное меню) — находится в окне под строкой заголовка;

• контекстное меню — вызывается правой клавишей мыши на любом объекте и содержит команды для работы с ним;

• оконное (системное) меню — содержит команды для работы с окном.

Любое меню содержит список разных команд. Команды, доступные для выполнения в настоящий момент времени, отображаются черным цветом, а недоступные для выполнения — серым.

Если название команды заканчивается многоточием (…), то при ее выборе появится диалоговое окно, в котором требуется сделать какие-либо дополнительные установки.

Команды, слева от названия которых находится пометка или галочка, работают как переключатели: если галочка отображается в меню, то режим включен. Команды, заканчивающиеся черным треугольником, вызывают еще одно меню.

Контекстное меню

Элементами управления в диалоговом окне могут быть: переключатели, регуляторы, флажки, поля списка, счетчики, вкладки и т. д.

Флажки (кнопки-переключатели) — служат для установки свойств, имеющих два значения: да/нет, включено/выключено и т. д. «Включенный» флажок помечается внутри черным значком. В окне может находиться несколько флажков, причем их установки не оказывают влияния друг на друга.

Счетчики — числовые переключатели — используются для изменения числовых характеристик в большую или меньшую стороны.

Переключатели — радиокнопки позволяют сделать выбор одного варианта из предлагаемой группы вариантов. Признаком выбора является черная точка внутри круга.

Регуляторы — регулятор настройки с перемещаемым движком.

Поле списка — окно, позволяющее выбрать один вариант из списка предлагаемых.

Поле ввода — прямоугольное окно, позволяющее ввести необходимый текст. Перед вводом текстовой информации в поле ввода щелчком мыши необходимо установить курсор.

Любое окно содержит командные кнопки «ОК» — подтвердить сделанные изменения и «Отмена» — отменить сделанные изменения. Кроме указанных кнопок могут встретиться и другие, назначение которых, как правило, понятно из их названия: «Справка», «Выполнить», «Печать» и т. д.

Средствами для изменения различных настроек являются «Панель управления» и контекстное меню объектов.

Рис. Окно папки «Панель управления»

Окно «Панель управления» представляет собой основное средство для изменения различных настроек компьютера. Это специальная папка системы Windows, которой не соответствует никакая реальная папка на жестком диске. Открыть «Панель управления» можно с помощью команды «Пуск/Настройка/Панель управления».

Папка «Панель управления» доступна также в окне «Мой компьютер». Имеющиеся в папке значки вызывают открытие диалоговых окон, с помощью которых производится настройка системных часов и системного календаря, клавиатуры, звука, мыши, шрифтов и т. д. Открытие диалоговых окон осуществляется двойным щелчком на значке.

Настройка завершается щелчком на кнопке «Применить» (без закрытия окна) или на кнопке «ОК» (с закрытием окна).

Ниже представлены основные утилиты контрольной панели:

Источники данных — установка опций доступности,

Установка оборудования — установка нового периферийного оборудования,

Установка/удаление программ — включение новых и уничтожение ненужных программ,

Дата и время — просмотр и установка даты и времени,

Экран — управление дисплеем,

Шрифты — установка, просмотр и удаление шрифтов,

Игровые устройства — установка опций игрового манипулятора — джойстика,

Клавиатура — установка опций клавиатуры,

Почта и факс — установка опций электронной почти и факса,

Модем — установка опций телефонного модема,

Мышь — установка опций мышки,

Мультимедиа — установка средств мультимедиа и контроль за ними,

Сеть — установка сетевых средств,

Пароли — установка ключей доступа к ПК (пароля),

Языки и стандарты установка региональных параметров,

Звук — озвучивание оболочки Windows.

Каждая пиктограмма контрольной панели управляет соответствующей утилитой, меняющей установки системы. При этом появляется то или иное диалоговое окно для установки тех или иных опций. Многие окна имеют переключатели для групп опций.

Файл, папка, диск

ФАЙЛОМ называется поименованная область информации на диске (гибком, жестком, лазерном). Файл от англ. file — досье. Часть внешней памяти компьютера, имеющая идентификатор (имя) и содержащая данные. В зависимости от типа хранящихся данных файлы разделяются на программные (выполняемые), которые управляют работой компьютера, и файлы, содержащие прочие данные, например, тексты, какие-либо сведения в виде записей. Управление файлами обеспечивает файловая система, являющаяся частью операционной системы компьютера. На гибких и жестких магнитных дисках файл хранится в виде наборов кластеров, как правило, не расположены рядом.

Все файлы должны иметь УНИКАЛЬНЫЕ ИМЕНА, по которым их можно находить. Имя файла состоит из двух частей: содержательного имени файла, длина которого ограничена 256 символами (включая пробелы и русские буквы) и расширения (от 1 до 3 символов), которые разделяются между собой точкой.

Расширение определяет тип файла.

Примеры некоторых стандартных расширений:

ехе, соm — выполняемые файлы;

txt, doc — текстовые файлы;

bmp, рсх, jpg — графические файлы;

bak — резервная копия файла и др.

Каждому файлу назначается свой значок, который зависит от типа файла. Использование длинных имен файлов в операционных системах Windows 95/98 и Windows 2000 имеет ряд особенностей:

1. Если длинное имя включает пробелы, то в служебных операциях его надо заключать в кавычки. Рекомендуется не использовать пробелы, а заменять их символами подчеркивания.

2. В корневом каталоге (папке), т. е. верхнем уровне иерархической файловой структуре нежелательно хранить файлы с длинными именами — в отчие от простого каталога (папки) в ней ограничено количество единиц хранения, причем, чем длиннее имена, тема меньше файлов можно разместить в корневом каталоге (папке).

3. Кроме ограничения на длину файла (256 символов) существует гораздо более жесткое ограничение на длину полного имени файла (в него входит путь доступа к файлу, начиная от вершины иерархической структуры). Полное имя не может быть длиннее 260 символов.

4. Разрешается использовать символы любых алфавитов, в том числе и русского, но если документ готовится для передачи, с потребителем этого документа необходимо согласовать возможность воспроизведения файла с такими именами на его оборудовании.

5. Прописные и строчные буквы не различаются операционной системой. Однако символы разных регистров отображаются операционной системой и если для наглядности надо использовать прописные буквы, это можно делать.

Расширение имени файла используется для идентификации его содержимого, т. е. нести информацию для операционной системы. Системы Windows 95/98 имеют средства для регистрации свойств типов файлов по расширению их имени, поэтому во многих случаях выбор расширения имени файла не является частным делом пользователя.

Для удобства поиска файлы, как правило, размещают в папках. Иногда папку называют каталогом. Папкам, также как и файлам, присваиваются имена. Одни папки могут содержать в себе другие папки (вложенные папки).

Каталоги (папки) — важные элементы иерархической структуры, необходимые для обеспечения удобного доступа к файлам, если файлов на носителе слишком много. Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному из создателем (по типу, по времени создания, по имени владельца и др.). Каталоги низких уровней вкладываются в каталоги более высоких уровней и являются для них вложенными. Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог диска.

В иерархической структуре данных адрес объекта задается маршрутом (путем доступа), ведущим от вершины структуры к объекту. При записи пути доступа к файлу, проходящего через систему вложенных каталогов, все промежуточные каталоги разделяются между собой определенным символом. Во многих операционных система в качестве такого символа используются "\" (обратная черта).

Навигация по файловой системе Удобство навигации, т. е перехода от файла к файлу или от папки к папке часто воспринимают как удобство работы с операционной системой. В операционной системах, имеющих терминальный интерфейс, навигация осуществляется путем ввода команд перехода с диска на диска или из каталога (папки) в каталог (папку). Из-за неудобства такой навигации, широкое применение нашли специальные программы, называемые файловыми оболочками. Наиболее известной файловой оболочкой для MS-DOS является Norton Commander.

Основным инструментом для файловых операций в системе Windows 9х является программа Проводник. Она отображает содержимое папок, позволяет копировать, перемещать, удалять, переименовывать папки и файлы, запускать программы.

Для запуска Проводника используются следующие способы:

• команда Пуск/Программы. В списке установленных программ обязательно находится программа Проводник;

• упрощенный метод. Состоит в том, чтобы щелкнуть правой кнопкой мыши на кнопке Пуск и в контекстно-зависимом меню выбрать пункт Проводник;

• щелкнуть правой кнопкой мыши на любом значке папки и в открывшемся контекстно-зависимом меню выбрать пункт Проводник;

Рабочая область Проводника состоит из двух панелей — левой и правой. В левой панели находится информация об иерархической структуре папок, в правой — содержимое открытой папки. В любой момент времени только одна папка может быть открыта. Свернутые папки имеют узел, отмеченный знаком. Если развернуть папку щелчком на узле, то он поменяется на. Сворачивание папки выполняется щелчком на узле. Для открытия папки необходимо щелкнуть на значке папки закрытой папки, папка откроется, ее значок сменится на значок открытой папки, и на правой панели будет отображено ее содержимое.

Запуск приложений и открытие документов выполняется двойным щелчком по значку приложения или документа на правой панели Проводника. При выполнении команды запуска документа при помощи Проводника (или папки Мой компьютер) автоматически запускается нужное приложение и в него загружается выбранный документ.

Рис. Окно программы Проводник

С помощью пункта меню Файл можно создать новый файл или папку, удалить их, переименовать и т. п. Через пункт меню Вид можно вывести панель Адрес, строку состояния, просматривать содержимое папок в нескольких режимах, в том числе в режимах Крупных значков, Мелких значков, Списка и Таблицы. Представление в виде крупных значков удобно, если файлы имеют уникальные значки и подпись под ними менее важна. Мелкие значки удобны в том случае, когда значки имеют стандартный вид, и более важны подписи под ними. Представление в виде списка удобно, если все документы и папке относятся к одному типу и имеют одинаковый значок. В этом случае важна подпись под значком. При представлении в виде таблицы приводится размер файлов, тип, дата создания или последнего изменения. Если файлы отображаются в виде таблицы, их удобно сортировать по разным признакам. Щелчок на заголовке одного из столбцов вызывает сортировку содержимого по данному признаку. Уникальная возможность такого режима состоит в том, что возможна сортировка в обратном порядке. Чтобы отсортировать файлы в обратном порядке, надо еще раз щелкнуть на заголовке того столбца, по которому выполнена сортировка.

Папка, из которой выполняется копирование или перемещение, называется источником. Папку, в которую происходит копирование или перемещение, называют приемником. Копирование или перемещение осуществляется нажатием левой кнопки мыши на копируемом объекте и транспортировкой его в папку — приемник. Для этого надо найти на правой панели Проводника копируемый объект. На левой панели, разворачивая папки на узле, нужно найти папку — приемник. Если диски файла-источника и папки-приемника не совпадают, то файл будет скопирован, иначе он будет перенесен. Если при транспортировке файла будет нажата клавиша Shift, то файл будет перемещен, если клавиша Ctrl, то файл будет скопирован независимо от диска. Можно копировать сразу несколько файлов или папок, если их предварительно выделить. Для выделения смежных файлов следует щелкнуть около имени первого файла и растянуть появившийся прямоугольник таким образом, чтобы в нем оказалась вся группа файлов. Выделение несмежных файлов осуществляется однократными щелчками по их именам при нажатой клавише Ctrl.

Можно использовать специальное перетаскивание при нажатой правой кнопке мыши. В момент отпускания кнопки появляется меню, в котором надо выбрать пункт Переместить или Копировать.

Для копирования файлов или папок можно использовать буфер обмена. Для занесения информации в буфер и ее извлечения оттуда приложения Windows имеют в своих меню команды Вырезать, Копировать, Вставить. Команда Вырезать помещает выделенную информацию в буфер, удаляя при этом ее оригинал. Команда Копировать помещает выделенную информацию в буфер, не трогая оригинала. Команда Вставить извлекает информацию из буфера.

Для копирования файла или папки необходимо:

• выбрать нужный файл или папку;

• выполнить команду Правка/Копировать (можно использовать контекстное меню или панель инструментов);

• открыть диск и (или) папку, в которую предполагается переместить копию;

• выполнить команду Правка/Вставить (можно использовать контекстное меню или панель инструментов).

Для перемещения использовать вместо пункта Копировать пункт Вырезать.

Для переименования файла или папки следует щелкнуть два раза на имени с большим интервалом. В появившейся рамке с курсором, можно отредактировать имя и нажать клавишу Enter. Также для переименования можно щелкнуть правой кнопкой мыши на имени файла или папки и в контекстном меню выбрать команду Переименовать.

Для создания папки необходимо в меню Файл или в контекстном меню выбрать пункт Создать, а затем пункт Папка. В появившейся рамке ввести имя папки и нажать клавишу Enter.

Папки и файлы можно создавать, просматривать, переименовывать, переносить их содержимое на новое место и удалять.

Все дисковое пространство, как правило, делится на части (логические диски), которым также присваиваются имена:

А: или В: — обозначают гибкие магнитные диски (дискеты);

С: D: Е: F: и т. д. — обозначают логические части жесткого магнитного диска (винчестера) или лазерного (оптического) диска (CD ROM-a).

Буфер обмена Clipboard

Буфер Clipboard — это некоторая динамически изменяемая область памяти, способная хранить информацию в типовых форматах Windows 95. Указанные выше опции (и некоторые другие) имеют практически все приложения Windows 95 — например упомянутая записная книжка Notepad. Сосредоточены эти опции в позиции Edit главного меню каждого приложения, рассчитанного на обмен данными с другими приложениями через буфер. Windows автоматически распознает и правильно применяет необходимые форматы данных — текстовые, численные, графические и даже мультимедийные (такие как звук голоса, музыка или видеоклипы).

Помимо команды Сору для заполнения буфера можно использовать нажатие клавиши Print Screen. Обычно при этом в буфер будет помещена полная копия экрана. Помимо указанных команд, некоторые приложения имеют команду Cut (вырезать), также располагаемую в подменю позиции Edit главного меню. Она переносит выделенный фрагмент документа в буфер, одновременно уничтожая этот фрагмент в самом документе. Возможны также специальные команды Copy, Cut и Paste, например для работы с объемными многостраничными документами.

Папка «Мой компьютер»

После включения ПК и загрузки программы Windows на экране появляется «Рабочий стол», на котором, в зависимости от выбранного типа установки, располагаются какие-либо значки. Значок папки «Мой компьютер» является обязательным. Назначение этой папки — доступ к ресурсам компьютера. Открывается папка двойным щелчком мыши по ее значку. Окно папки «Мой компьютер» выглядит следующим образом:

Если подвести указатель мыши к любой кнопке «Панели инструментов» и задержать его, то появиться подсказка, объясняющая назначение данной кнопки. Используя пункт меню «Вид» можно:

• скрыть или показать некоторые элементы окна (например, «Панель инструментов»);

• изменить вид показа ресурсов (маленькие или большие значки, таблица и список.);

• установить параметры просмотра (команда «Параметры», вкладки «Папка» и «Просмотр»);

• увидеть зарегистрированные в системе Windows типы файлов (команда «Параметры», вкладка «Типы файлов»).

• Сводную информацию о файле, папке или диске можно получить, используя пункт меню «Файл»/»Свойства»^[8].

• Просмотр содержимого диска

• Просмотреть содержимое любого диска можно:

• двойным щелчком по значку диска, находящегося на рабочем поле папки «Мой компьютер»;

• раскрыв список с описанием ресурсов на «Панели инструментов» и выбрав необходимый диск из списка предлагаемых.

Просмотр содержимого папки

Для просмотра содержимого папки нужно дважды щелкнуть мышкой по ее значку.

Создание папок

Для создания новой папки нужно:

• открыть диск, на котором создается новая папка;

• открыть папку, в которой создается новая папка (при вложении папок);

• выбрать команду «Создать» пункта меню «Файл»;

• выбрать пункт «Папка»;

• указать имя создаваемой папки под ее появившимся значком;

• нажать клавишу Enter или щелкнуть левой кнопкой мыши на свободном мес те.

Создание ярлыков

Создание ярлыка с помощью команды Create Shortcut

ЯРЛЫК — является средством быстрого доступа к информационному ресурсу (объекту): программе, документу, папке, диску, принтеру и т. д. Ярлык «запоминает» адрес, по которому находится требуемый объект. Такой адрес может содержать имя диска, имя папки (имена папок при их вложении друг в друга) и имя файла (объекта). Ярлык может быть создан в любой папке, а также на «Рабочем столе». Создать ярлык на «Рабочем столе» можно разными способами:

• или перетащить на «Рабочий стол» значок объекта, удерживая ПРАВУЮ кнопку мыши;

• или выделить объект, для которого создается ярлык, выбрать в меню «Файл» команду «Создать ярлык» и после создания ярлыка «перетащить» его на «Рабочий стол»;

• или вызвать контекстное меню щелчком правой кнопкой мыши:

• выбрать в меню команду «Создать»/«Ярлык»;

• используя командную кнопку «Обзор…», найти на диске объект, для которого создается ярлык (если создается ярлык для документа, установить в окне «Тип файла»/«Все файлы»);

• указать имя создаваемого ярлыка.

Создание документов

Для создания документа необходимо:

• сделать активным папку, в которой создается документ;

• выбрать команду «Создать» пункта меню «Файл»;

• выбрать требуемый тип документа из предлагаемого списка. После этого значок созданного документа появится в указанном месте;

• при необходимости изменить имя документа.

Двойной щелчок по значку документа запустит приложение для его редактирования.

Удаление папок, файлов и ярлыков

Для того чтобы удалить папку, файл или ярлык нужно:

• выделить удаляемый объект;

• нажать клавишу [Delete] или воспользоваться кнопкой  «Удалить» на «Панели инструментов»;

• подтвердить удаление.

Удаленные объекты помещаются в «Корзину»^[9] и остаются там до тех пор, пока не будет дана команда «Очистить корзину». При необходимости удаленный объект из «Корзины» можно восстановить.

Копирование папок, файлов и ярлыков

Скопировать или переместить объект можно, используя пункт меню «Правка» или кнопки «Панели инструментов»:

Для того чтобы скопировать папку, файл или ярлык нужно:

• выделить объект, который копируется;

• нажать кнопку «Копировать»;

• открыть папку, где должна появиться копия объекта;

• нажать кнопку «Вставить».

Для копирования папок, файлов и ярлыков с жесткого диска на гибкий диск удобно использовать последовательность команд: «Файл»/«Отправить» /«Диск 3, 5 (А)».

Перемещение папок, файлов и ярлыков

Для того чтобы переместить на новое место папку, файл или ярлык нужно:

• выделить объект, который необходимо переместить;

• нажать кнопку «Вырезать»;

• открыть папку, где теперь должен быть расположен объект;

• нажать кнопку «Вставить».

Форматирование диска

Форматирование или разметка — это операция по подготовке магнитного диска к хранению информации. При форматировании ранее записанные на диск данные уничтожаются. Диск может быть отформатирован только в случае, если файлы, хранящиеся на нем, не используются в данный момент другими программами (приложениями). В частности, если содержимое диска отображается в окне «Мой компьютер», отформатировать диск будет невозможно.

Для форматирования гибкого диска нужно:

• вставить диск в дисковод;

• в окне папки «Мой компьютер» выделить значок диска, который нужно отформатировать;

• в меню «Файл» выбрать команду «Форматировать»;

• в окне диалога установить параметры форматирования.

Дефрагментация диска

Процесс собирания файлов в одном месте на диске. Файлы при записи на диск разбиваются на фрагменты кластеры, которые могут располагаться в разных частях диска. Это связано с работой файловой подсистемы операционной системы. Разбитые на куски файлы затрудняют доступ, увеличивают время обращения к файлам. Для того, чтобы упростить доступ рекомендуется выполнять процедуру дефрагментации диска раз в 1–2 недели, которая собирает каждый файл в одном месте (все записи подряд). Такая процедура имеется в любой операционной системе. В MS-DOS и Windows это программа defrag.exe.

Пользование справкой

Программа Windows 95/98 снабжена удобной справочной системой, которая позволяет получить пользователю вспомогательную информацию в процессе его работы.

Вызов справочной системы Windows можно осуществить, выполнив следующие команды: кнопка «Пуск»; пункт «Справка».

Для пуска базы данных помощи служит позиция Help (Помощь) стартового меню Окно диалога «Справочная система Windows» состоит из трех вкладок: «Содержание», «Предметный указатель» и «Поиск».

Выбрав нужный раздел помощи, можно получить информацию о нем, которая выводится в информационное окно

Выбор раздела помощи по индексному указателю

При работе с диалоговым окном, используя кнопку со знаком вопроса в заголовке окна, можно получить контекстную подсказку по любому элементу, находящемуся в данном окне. Для этого необходимо:

• нажать кнопку  (указатель мыши примет форму );

• сделать щелчок по интересующему Вас элементу окна;

• после прочтения закрыть окно сообщений щелчком мыши в любом месте экрана.

Лекция 4

Текстовые файлы

Если каждому символу алфавита сопоставить определенное число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского алфавитов, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы, например "@".

Теоретически это выглядит очень просто, однако всегда существовали достаточно веские организационные сложности. В первые годы развития вычислительной техники они были связаны с отсутствием необходимых стандартов, а в настоящее время вызваны, наоборот, изобилием одновременно действующих и противоречивых стандартов. Для того чтобы весь мир одинаково кодировал текстовые данные, нужны единые таблицы кодирования, а это пока невозможно из-за противоречий между символами национальных алфавитов, а также противоречий корпоративного характера.

Для английского языка, ставшего международным средством общения, противоречия уже сняты. Институт стандартизации США (ANSI — American Standard Institute) ввел в действие систему кодирования ASCII (American Standard Code for Information Interchange — стандартный код информационного обмена США). В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования — базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам от 128 до 255.

Базовая ASCII-кодировка

При нажатии алфавитно-цифровых (символьных) клавиш, клавиш Tab, ESC и Backspace а также некоторых их комбинаций с Alt или Shift генерируются однобайтовые ASCII-коды или двухбайтовые расширенные коды. Исторически сложилось так, что эта система кодировки была первой общепринятой в мире для компьютеров IBM.

Название ASCII представляет собой аббревиатуру английской фразы American Standard Code for Information Interchange (Американский Стандартный Код для Обмена Информацией). Всего кодов 256 (с 0-го по 255-й). Первые 32 ASCII-кода (с 0 по 31) управляющие и используются для общения с периферийными устройствами или применяются для специальных целей различными программами. Им, как и остальным, присвоены определенные символы, но на экран их можно вывести только прямым обращением в видеопамять.

Чтобы в дальнейшем не было ошибок, запомните, что, например, ASCII 9 относится к клавише Tab, а не к цифре 9, которая имеет по этому стандарту код ASCII 57.

Сначала в системах кодирования было много путаницы. Кодировок гуляло по миру множество. Была основная кодировка, болгарская, КОИ-7, КОИ-8, альтернативная и много других.

Многообразие способов кодирования связано с тем, что при разработке компанией IBM своих первых компьютеров и создании для них компанией Microsoft операционной системы MS DOS, было заложено очень трудно обходимое техническое ограничение на число используемых символов — не более 256. Это количество в то время полностью перекрывали все мыслимые потребности англоязычного пользователя. Странная, на первый взгляд, цифра 256 обусловлена тем, что это максимальное число (2∙10⁸), которое может быть записано в двоичной системе в 1-ном байте (8 бит, то есть восемь 0 и 1). А именно 1 байт отводился в MS DOS для хранения любого символа. Последствия этого ограничения со временем и начали проявляться при широком распространении компьютеров не только в англоязычных странах.

В конце концов все же пришли к разумному компромиссу:

• первые 128 кодов (с 0-го по 127-й) с управляющими символами, некоторыми специальными знаками, цифрами и латинским алфавитом остаются в неприкосновенности;

• коды со 176-го по 223-й сохранены за символами псевдографики;

• остальные же коды отданы на откуп потребителям.

У нас наибольшее распространение получила альтернативная ASCII-кодировка, построенная именно по такому принципу: в оставшихся свободными кодах располагаются буквы русского (или другого национального) алфавита. Тем самым обеспечивалась преемственность программного обеспечения, разработанного в других странах, — здесь мы были не "впереди планеты всей..

В альтернативной ASCII-кодировке:

прописные русские буквы:

• имеют номера со 128 по 159 — (с "А" по "Я"),

• буква "Ё" стоит особняком под номером 240.

строчные русские буквы (чтобы сохранить символы псевдографики) разбросаны:

• буквы с "а" по "п" имеют номера со 160 по 175,

• с "р" по "я" занимают позиции с 224 по 239,

• буква "ё" снова на отшибе и имеет номер 241.

Кодовая таблица ANSI

Появление Windows вызвало к жизни еще одну систему кодирования символов — ANSI. Это также аббревиатура английской фразы American National Standard Institute (Американский национальный институт стандартов). Кстати, первоначальное название этой кодировки было — OEM.

Система кодирования ANSI стала преемником формата ASCII, сохранив первые 128 символов на своих привычных местах. Все остальные коды также были отданы национальным алфавитам, причем, символы псевдографики из таблицы были изъяты. Варианты национальных кодовых таблиц получили название кодовых страниц с соответствующим номером. Так, например, кодовая страница с кириллицей, используемая в Windows, имеет номер 1251.

На кодовой странице номер 1251 русские буквы (кириллица) размещаются следующим образом:

• Прописные буквы с "А" по "Я" (кроме "Ё") занимают места со 192 по 223.

• Строчные буквы с "а" по "я" (также кроме "ё") расположены с 224 по 255.

• Для букв "Ё" и "ё" отведены коды 168 и 184.

Ввод символов с помощью клавиши Alt

При работе в DOS все ASCII-коды, начиная с ASCII 32, могут быть выведены на экран с помощью клавиши Alt. Если нажать и, удерживая нажатой клавишу Alt набрать на дополнительной (малой цифровой) клавиатуре необходимый ASCII-код, то после отпускания Alt соответствующий символ появится на экране в том месте, где перед этим находился текстовый курсор.

При работе в Windows (Здесь речь уже идет об ANSI-кодах) для ввода символов Alt с помощью клавиши Alt нужно поступать точно так же, как в DOS, но перед со ответствующим ANSI-кодом символа сначала надо набрать 0 (ноль) и только потом собственно код. Причем, малая цифровая клавиатура должна быть обязательно переключена для ввода цифр (режим NumLock должен быть включен). Например, цифру 9, стоящую на 57-ом месте в таблице кодов, можно ввести с помощью клавиши Alt набрав код 057.

Краткая информация о других системах кодирования

Системы кодирования текстовых данных были разработаны и в других странах. Так, например, в СССР в этой области действовала система кодирования КОИ-7 (код обмена информацией, семизначный). Однако поддержка производителей оборудования и программ вывела американский код ASCII на уровень международного стандарта, и национальным системам кодирования пришлось "отступить" во вторую, расширенную часть системы кодирования, определяющую значения кодов со 128 до 255. Отсутствие единого стандарта в этой области привело к множественности одновременно действующих кодировок. Только в России можно указать три действующих стандарта кодировки и еще два устаревших.

Так, например, кодировка символов русского языка, известная как кодировка Windows-1251, была введена "извне" — компанией Microsoft, но учитывая широкое распространение операционных систем и других продуктов этой компании в России она нашла широкое распространение в России. Эта кодировка используется на большинстве локальных компьютеров, работающих на платформе Windows.

Другая распространенная кодировка носит название КОИ-8 (код обмена информацией, восьмизначный) — ее происхождение относится ко времени действий Совета Экономической Взаимопомощи государств Восточной Европы. Сегодня кодировка КОИ-8 имеет широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в российском секторе Интернета.

Международный стандарт, в котором предусмотрена кодировка символов русского алфавита, носит название ISO (International Standard Organization — Международный институт стандартизации). На практике данная кодировка используется редко.

На компьютерах, работающих под операционной системой MS-DOS, могут действовать еще две кодировки (кодировка ГОСТ и кодировка ГОСТ альтернативная). Первая из них считалась устаревшей даже в первые годы появления персональной вычислительной техники, но вторая используется и по сей день.

В связи с изобилием систем кодировки текстовых данных, действующих в России возникает задача межсистемного преобразования данных — это одна из распространенных задач информатики.

Подводя некоторый итог, можно сказать, что текстовый файл — это файл, в котором каждый байт интерпретируется как изображаемый символ в некоторой системе кодировки. Кроме кодов изображаемых символов, текстовые файлы включают также ряд управляющих кодов, например, код возврата каретки, перевода строки, конца файла.

Универсальная система кодирования текстовых данных

Если проанализировать организационные трудности, связанные с созданием единой системы кодирования текстовых данных, то можно прийти к выводу, что они вызваны ограниченным набором кодов (256). В то время, очевидно, что если, например, кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим количеством разрядов, то и диапазон возможных значений кодов станет намного больше. Такая система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, получила название универсальной Unicode. Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65536 различных символов — этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

Несмотря на тривиальную очевидность такого подхода, простой механический переход на данную систему долгое время сдерживался из-за недостаточных ресурсов средств вычислительной техники (в системе кодирования UNICODE все тестовые документы автоматически становятся вдвое длиннее). Во второй половине 90-х годов технические средства достигли необходимого уровня обеспеченности ресурсами, и сегодня наблюдается постепенный переход документов и программных средств на универсальную систему кодирования.

Кодировка Unicode

В системе Unicode (другое название ISO — International Standard Organization) для представления любого символа используется уже не один, а два байта. Поскольку в этом случае число возможных символов равно 2¹⁶ или 65536, то могут удовлетворяться практически любые потребности всех национальных языков. В настоящее время система Unicode стала "de facto" мировым стандартом. Тем не менее, вряд ли на этом все и остановится. Несмотря на огромное количество возможных кодов (символов), система Unicode все же не способна удовлетворить всем типографским требованиям. Так что, процесс пошел, но "еще не вечер…"

ASCII-кодировка, однако, не умерла. Она осталась как базовый формат для представления текстовой информации. Тексты, созданные в этом формате:

• не имеют различных начертаний шрифта;

• нет ни курсива, ни полужирного, ни подчеркнутого шрифта — он единый на все случаи жизни;

• отсутствуют понятия отступов, кеглей и гарнитур;

• каждая строка представляет собой самостоятельный абзац.

Тем не менее, у ASCII-формата имеется одно очень важное достоинство — он является стандартным, и его понимают абсолютно все программы, работающие с текстами.

Лекция 5

Текстовые редакторы и процессоры

Во многих видах человеческой деятельности требуется уметь обрабатывать текстовую информацию: писать, компоновать результирующий текст из различных источников, переписывать текст, удалять и вставлять фрагменты текста, делать несколько копий одного и тог же текста и т. д. Для облегчения такого традиционного труда для людей различных специальностей были созданы специальные компьютерные программы: текстовые редакторы и текстовые процессоры.

Первоначально появились текстовые редакторы с очень ограниченным количеством функций. Сами же редакторы делились на две категории:

• Командные редакторы очень сложны для неподготовленного пользователя и сейчас практически не находят применения.

• Экранные редакторы находят свое применение и по сей день. Типичным примером экранного текстового редактора с современным интерфейсом является стандартная программа Windows 95/98 — Notepad, называемая в русифицированной версии — Блокнот. Ограниченное множество функций, компенсируется в этой программе абсолютно прозрачным интерфейсом, т. е. способом взаимодействия пользователя и компьютерной программы. Это дает возможность пользователям полностью прогнозировать свои действия при работе с этой программой за очень небольшой (1–1,5 часа) промежуток времени работы с ней.

Логическим итогом развития текстовых редакторов стало их превращение в текстовые процессоры. Типичным представителем современного текстового процессора является приложение Microsoft Word из пакета Microsoft Office. Текстовыепроцессоры дают гораздо больше возможностей по редактированию текста, чем текстовые редакторы. Поскольку эти программы значительно сложнее, они требуют большей дисковой памяти и для их загрузки требуется больше времени. Для того, чтобы использовать текстовый процессор, необходимо иметь его жестком диске компьютера и постоянно пользоваться документацией по его применению (это не обязательно печатная продукция, а, скорее всего встроенная справочная система, обычно имеющая содержание, перечень терминов, поиск по словам).

Отличие текстового процессора от редактора состоит в том, что в файл добавлены специальные коды, макросы (особые программы), определяющие вид документа. "Родным" форматом файла для текстового процессора не является текстовый файл, определение которого дано выше. Отличительной особенностью текстовых процессоров является возможность обрабатывать файлы различных типов и конвертировать их различные форматы, в том числе и обычные текстовые файлы. Применительно к Microsoft Word, если требуется сохранить созданный файл как текстовый, то выбирается тип сохранения файла, как файла MS-DOS.

Текстовые процессоры включают большое количество возможностей по созданию сложных документов содержащих текстовую информацию.

Обычно выделяют следующие возможности:

• контроль правописания;

• помощь в выборе синонимов

• средства форматирования текста

• поля

• отступы

• режимы выравнивания в строке

• атрибуты текста, повышающие наглядность и выразительность, например, выделение курсивом, жирным шрифтом, подчеркиванием;

• выбор типа шрифта и его размера; задание межстрочных интервалов;

• предопределение стилей документов, определяющих вид оглавления, основного текста, заголовков разного уровня, списков, элементов

• глоссария и других элементов оформления;

• сохранение информации в различных форматов, включая формат HTML, предназначенный для публикации документов в Интернет; при

• этом необходимо четко знать, какие из элементов оформления будут утрачены, поскольку процессор при этой операции убирает

• форматирующие коды, в частности, установка полей, отступов, выравнивания и т. д.

Текстовый редактор WordPad

Текстовый редактор WordPad Windows 95/98 призван заменить известный из прежних версий Windows редактор Write. Редактор WordPad сильно усовершенствован и является довольно продвинутым 32-разрядным приложением, которое пользователь приобретает сразу с приобретением Windows. Пользовательский интерфейс WordPad является самым типовым из приложений Windows, так что, получив навыки работы с ним, вы успешно справитесь с работой со многими приложениями. Конечно, WordPad не заменяет полностью такие мощные редакторы как Word или Word Perfect, которые по своим возможностям вполне отвечают требованиям к текстовым процессорам настольных издательских систем.

Однако эти редакторы сложны в освоении, стоят дорого и требуют внушительных затрат памяти. WordPad может использоваться даже для подготовки презентаций с элементами мультимедиа-технологий, включая показ слайдов, обеспечение звукового сопровождения читаемых текстов и даже показ небольших видеофильмов. Особо следует отметить, что новый редактор позволяет задавать цвет любого символа, слова или целого фрагмента текста, что не позволял более простой редактор Write, входящий в старые версии Windows.

При наличии струйного или лазерного принтера с цветной печатью это открывает неограниченные возможности в подготовке ярких цветных визитных карточек, красочно оформленных бланков для деловых писем и др. Редактор позволяет импортировать графики из разных приложений, в том числе и из буфера промежуточного хранения Clipboard — хотя скорость построения импортируемого графика высокой не назовешь.

Для начального ввода текста используется команда New в позиции File главного меню или команда Open для загрузки файла с редактируемым текстом). Пользовательский интерфейс редактора WordPad наглядно свидетельствует о стремлении его разработчиков сделать управление редактором предельно простым и наглядным. Как отмечалось, пользовательский интерфейс WordPad является своеобразным эталоном для большинства Windows-приложений, созданных и создаваемых для операционной системы Windows.

Поскольку этот интерфейс является образцовым, рассмотрим его несколько подробнее. Прежде всего, заметим, что главное меню редактора содержит множество позиций, и каждая порождает свое подменю с различными опциями и командами. Они и определяют возможности редактора. Ниже представлены основные команды редактора. Позиция File (работа с файлами) главного меню имеет подменю со следующими командами:

New — очистка окна редактирования и подготовка к вводу нового текста (его файл получает имя Untitle — безымянный).

Open — открытие и загрузка файла с его поиском в диалоговом окне.

Save — запись файла на диск с текущим именем в текущую директорию.

Save As… — запись файла на диск с заданным именем и заданной директорией (они задаются в появившемся диалоговом окне).

Print — печать документа с установкой опций печати (выбор принтера и др.) в появившемся диалоговом окне.

Print Preview — просмотр страницы перед печатью (полезно для оценки расположения абзацев и встроенных рисунков).

Page Setup — установка параметров страницы.

Send… — установка связи с электронной почтой для получения по ней документа или пересылки редактируемого документа по электронной почте.

Exit — завершение работы с редактором (возможно после закрытия окон со всеми документами).

Помимо этих команд в подменю позиции File главного меню имеется список ранее загруженных в редактор документов. Можно сразу указать нужный документ, не обращаясь к его более длинному поиску с помощью команды Open. Позиция Edit (редактирование) порождает подменю со следующими командами:

Undo — отмена последней операции редактирования.

Cut — перенос выделенного фрагмента документа в буфер промежуточного хранения Clipboard с уничтожением его в документе.

Сору — копирование выделенного фрагмента в буфер промежуточного хранения с сохранением этого фрагмента в документе.

Paste — перенос фрагмента документа из буфера в текст редактируемого документа с помещением фрагмента по месту расположения курсора.

Paste Special… — перенос фрагмента документа из буфера с установлением специальной связи (используется при реализации механизма OLE).

Clear — удаление выделенного фрагмента.

Select All — выделение всего текста (например, это удобно при его пере форматировании).

Find — поиск заданной строки символов (задается в диалоговом окне). В случае успеха поиска курсор устанавливается на обнаруженной строке.

Find Next — поиск следующего включения заданной строки в документе.

Replace — замена заданной строки другой строкой.

Links — установление связи с объектом (используется при реализации механизма OLE).

Object Properties — установление свойств объекта.

Object — экспорт объекта.

Options — задание дополнительных опций.

Позиция View (обзор) порождает подменю со следующими позициями:

ToolBar — включение/выключение инструментального ящика с пиктограммами быстрого управления редактором.

Format Bar — включение/выключение ящика со средствами работы с текстом (выбор шрифтов, их размера и типа, форматирования текста).

Ruler — включение/выключение линейки с делениями.

Status Bar — включение/выключение статусной линейки.

Все команды в этом подменю работают как переключатели с двумя позициями — включено или выключено. Если задана позиция включено, против команды появляется знак птички. Соответствующий ящик при этом виден на переднем панно приложения. Позиция Insert (включение) порождает подменю с двумя командами:

Date and Time… — включение по месту расположения курсора строки с указанием текущего времени и даты

Object — включение объекта, созданного другим приложением (рисунка, проигрываемого звукового файла и т. д.).

Позиция Format (форматирование) дает подменю с командами:

Font — выбор и установка фонтов.

Bullet Style — выделение строк закрашенным кружком перед ними,

Paragraph… — вызов диалогового окна с опциями форматирования параграфа (с равнением по левому краю, по центру или по правому краю).

Tabs… — вызов диалогового окна для установки параметров табуляции.

И, наконец, позиция Help (помощь) главного меню имеет подменю с позициями:

Help Topics — вызов базы данных помощи.

About WordPad — вызов окна с данными о редакторе и об использовании системных ресурсов.

Важнейшие из команд редактора продублированы пиктограммами инструментального ящика. Например, пиктограмма в виде чистого листа означает ввод команды New (создание нового документа), пиктограмма в виде открывающейся папки означает команду Open (вывести диалоговое окно с именами файлов), пиктограмма в виде дискеты означает запись на диск, пиктограмма в виде ножниц — вырезание отмеченного фрагмента текста, пиктограмма в виде бинокля — поиск заданного фрагмента текста и т. д.

Совершенно очевидно назначение пиктограмм с разными стилями букв и разным видом выравнивания текстов — по правой кромке, по середине и по левой кромке. Помимо этого многие команды имеют ввод с помощью так называемых "горячих" клавиш. Они указаны после названия команд в соответствующих позициях подменю. Например, команда Save имеет горячие клавиши Ctrl и S. При их одновременном нажатии эта команда будет немедленно исполнена.

Важно отметить, что такие команды выполняются немедленно даже без активизации соответствующего подменю. В целом правила работы с редактором WordPad остались те же, что и у редактора Write, хорошо известного пользователям более ранних версий Windows.

Из недостатков редактора WordPad можно отметить главный — медленное переключение шрифтов, их типа и размера. В этом отношении редактор заметно уступает своему старшему собрату — текстовому процессору Word (особенно входящему в состав комплекса Office для Windows).

Описанная система команд редактора WinPad характерна для многих других приложений. Например команды позиций File и Edit есть в большинстве других приложений, например в графических редакторах. Поэтому опыт использования команд редактора WinPad окажется весьма полезным при изучении работы и других приложений Windows. WordPad позволяет записывать файлы в следующих трех основных форматах — тестовом ASCII (принятом в MS-DOS), текстовом RTF и в формате популярного редактора Word. В последнем случае в тексте документа могут быть графические вставки в виде рисунков, а также пиктограммы различных объектов, например звуковых или анимационных файлов.

WordPad позволяет также загружать файлы формата WRI текстового редактора Write.

В общем, редактор WordPad — приложение с весьма обширными возможностями, но ориентированное либо на не очень взыскательного пользователя, либо на начинающего работать с Windows. Главный упрек в адрес редактора — его подчеркнутая медлительность при смене шрифтов, при изменении их размера, при построении импортируемых рисунков и т. д.

Складывается впечатление, что разработчики Windows намеренно не приняли мер (вполне возможных) для ускорения работы этого "быстрого 32-разрядного приложения", как нередко именуются встроенные приложения в рекламах на Windows. И сделали они это, в целом, по вполне понятным мотивам — если бы при своих возможностях WordPad работал к тому же быстро, то нашлось бы мало пользователей, покупающих более мощные редакторы, например Word под Windows.

Текстовый редактор формата ASCII в составе Windows

В составе Windows есть текстовый редактор, работающий с файлами формата ASCII (American Standard Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена информацией).

Напомним, что этот формат оперирует с 256 численными кодами, имеющими значения от 0 до 255. В соответствие каждому коду ставится определенный символ (буква, цифра, знак препинания, математический символ или символ псевдографики.

Это соответствие задается с помощью стандартных кодовых таблиц с различными номерами (например, таблица 866 предназначена для русскоязычных пользователей).

Принятая в Windows кодировка символов отличается от ASCII. Поэтому Windows-редакторы не могут работать с документами, имеющими формат ASCII, без переформатирования текстовых файлов. Поэтому в составе Windows 95 сохранен и существенно доработан хорошо известный пользователям текстовый редактор MS-DOS Edit.

Этот редактор не инсталлируется вместе с инсталляцией Windows 95, так что его невозможно обнаружить среди приложений, доступных с помощью стартового меню. Редактор представлен файлом Edit.com в поддиректории COMMAND директории WIN95. Так что для его запуска надо использовать команду Run и задать в диалоговом окне этой команды командную строку C: \WIN95\COMMAND\Edit.com Можно также отыскать этот файл, используя опцию Browse. После этого дайте команду Ok в диалоговом окне, и окно редактора MS-DOS Edit появится на рабочем столе.

Работа с редактором ускорена и стала более удобной благодаря наличию инструментального ящика ToolBar.

Но, пожалуй, главное достоинство этого обновленного редактора — возможность загрузки поистине огромных текстовых файлов с объемом до 4 Мбайт. Это полезно и для разбивки больших файлов на более мелкие для последующего их редактирования иными редакторами.

Редактор MS-DOS Edit многооконный — в него можно загружать сразу до девяти файлов и перекидывать выделяемые фрагменты текста из одного окна в другое. Быстрое управление редактором обеспечивается с помощью клавиш управления — полный перечень их и реализуемых команд легко найти в соответствующей позиции подменю Help. И еще одно достоинство — редактор поддерживает длинные имена файлов, которые можно использовать в Windows (в том числе в режиме эмуляции MS-DOS).

Графический редактор PAINT

Понятие о компьютерной графике

Компьютерная графика — специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов.

Компьютерная графика охватывает все виды и формы представления изображения, доступных для восприятия человеком на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе. Без компьютерной графики невозможно сейчас представить материальный мир. Например, медицина использует компьютерную томографию; научные исследования — визуализацию строения вещества, векторных полей и других данных; моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки так же используют компьютерную графику.

Сферы применения машинной графики:

• компьютерное моделирование;

• САПР (системы автоматизированного проектирования);

• компьютерные игры;

• обучающие программы;

• реклама и дизайн;

• мультимедиа презентации;

• Internet.

Компьютерная графика всего лишь инструмент, но ее структура и методы основаны на передовых достижениях фундаментальных и прикладных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Компьютерная графика является одним из наиболее бурно развивающихся направлений информатики.

Виды компьютерной графики

В зависимости от способа формирования изображений, компьютерную графику принято делить на:

— растровую;

— векторную;

— фрактальную.

Отдельным предметом считается трехмерная графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве.

Эти виды отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. Каждый вид используется в определенной области.

Растровую графику применяют при разработке мультимедийных проектов. Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, чаще вводятся в компьютер с помощью сканера, а затем обрабатываются специальными программами — графическими редакторами.

Программные средства для работы с векторной графикой наоборот предназначены для создания иллюстраций на основе простейших геометрических элементов. В основном применение векторной графики — это оформительские работы.

Создание фрактальной художественной композиции состоит не в рисовании, а скорее в программировании. Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Например, таким образом можно получить заставки на ТВ.

Графическими редакторами называются программы, предназначенные для создания и редактирования графических изображений — рисунков. Существует два класса графических редакторов — растровый и векторный. В растровой графике мельчайшим элементом изображения является точка, которой на экране монитора соответствует экранная точка — пиксел, мельчайшим элементом векторной графики является линия, описываемая математическим выражением. Например, программа Corel Draw — редактор векторной графики, программа Paint — редактор растровой графики. Основными функциями приложения Paint являются функции создания и редактирования графических изображений — рисунков. Программа запускается командой Пуск/Программы/Стандартные/Paint.

Рабочее окно программы Paint состоит из строки заголовка, строки меню, рабочей области. Слева от рабочей области располагается панель инструментов (команд графического редактора), под которой находится палитра настройки инструмента. Она содержит элементы управления инструментами для рисования в виде кнопок с пиктограммами. Каждый инструмент имеет подсказку, обозначающую назначение инструмента.

Необходимый инструмент можно выбрать щелчком мыши по соответствующей кнопке на панели инструментов, с помощью палитры настройки можно задать параметры вызванного инструмента, например толщину линии, метод заполнения фигуры. Ниже рабочей области располагается цветовая палитра (стандартная). Она содержит набор цветов, который можно использовать при рисовании, а также окно слева с двумя наложенными квадратами — окно просмотра цветов. Если нужный цвет в палитре отсутствует, его можно создать и заместить им любой из цветов палитры.

Элементы цветовой палитры служат для выбора основного цвета изображения (щелчок левой кнопки), и фонового цвета (щелчок правой кнопки).

До начала создания документа задаются параметры страницы командой Файл/Макет страницы. Здесь можно выбрать:

— формат бумаги из раскрывающегося списка Размер;

— ориентацию бумаги: Книжная или Альбомная;

— поля — интервалы между текстом и краями листа;

— колонтитулы (верхний и нижний) — в них могут проставляться номера страниц, дата, время создания документа, его название и т. д.

Щелчок по кнопке Ок закрывает окно Макет страницы с сохранением всех установок.

Перед печатью файла на принтере можно сделать его предварительный просмотр командой Файл/Предварительный просмотр. Рисунок может занимать часть рабочей области, всю ее и выходить за ее пределы. В последнем случае по краям рабочей области появятся полосы прокрутки. На границах рисунка располагаются маркеры изменения размера (темные точки в середине сторон и по углам рисунка).

Перед тем, как начать рисование, необходимо задать размер будущего рисунка, воспользовавшись командой Рисунок/Атрибуты. По этой команде открывается диалоговое окно Атрибуты, в котором можно выбрать палитру (черно — белую или цветную), единицу измерения (дюймы, сантиметры или пикселы), задать ширину и высоту рисунка. Если рисунок предназначен для воспроизведения на экране (например, в качестве фона рабочего стола), нужно выбрать единицу измерения пикселы, для подготовки печатных документов — дюймы или сантиметры. Следует учесть, что преобразование рисунка в черно-белый вызовет потерю сведений о цвете, после чего восстановление исходного рисунка будет невозможным.

Меню Paint состоит из следующих пунктов: Файл, Правка, Вид, Рисунок, Палитра и Справка. Каждый из них содержит несколько команд, позволяющих выполнять какие — либо действия.

Создание нового файла выполняется командой Файл/Создать, открытие существующего — Файл/Открыть. Имя файла появится в поле Имя файла. Затем нужно нажать кнопку Открыть. Двойной щелчок по имени сразу открывает файл.

При первом сохранении файла можно выполнить команду Файл/Сохранить или Файл/Сохранить как. В диалоговом окне выбирается папка, тип файла и в поле Имя файла вводится его имя. Сохранение выполняется щелчком на кнопке Сохранить.

Если файл уже имеет имя, то сохранить его можно командой Файл/Сохранить. Файл запишется в предыдущий файл. Если нужно изменить имя и расположение файла, то необходимо воспользоваться командой Файл/Сохранить как. В этом случае происходит вывод на экран окна, где необходимо указать новые координаты сохраняемого файла.

Рис. Окно редактора Paint

Редактор Paint сохраняет рисунки в формате растровой графики *.bmp.

Команда Замостить рабочий стол Windows позволяет заполнить рабочий стол повторяющимися копиями текущего рисунка, команда В центр рабочего стола Windows — разместить текущий рисунок в центре рабочего стола Windows.

Меню Правка содержит команды:

• Отменить — отменяет последние действия. Отменить можно только действия, выполненные активным в данный момент инструментом. Этой команде соответствует комбинация клавиш Ctrl + Z, действующая в большинстве приложений Windows.

• Вырезать — (соответствует комбинация клавиш Ctrl + X) — удаляет выделенный фрагмент из рисунка и помещает его в буфер обмена.

• Копировать — (Ctrl + С) — помещает копию выделенного фрагмента в буфер обмена.

• Вставить — (Ctrl + V) — вставляет в рисунок содержимое буфера обмена. Изображение вставляется в левый верхний угол, после чего его можно «отбуксировать» в нужное место.

• Очистить выделение — удаляет выделенную часть рисунка.

• Выделить все — выделяется весь рисунок.

• Копировать в файл… — позволяет сохранить выделенный фрагмент рисунка в виде самостоятельного файла.

Пункт меню Вид состоит из следующих команд:

• Набор инструментов — показать/убрать панели инструментов.

• Палитра — показать/убрать Палитру.

• Строка состояния — показать/убрать Строку состояния.

• Панель атрибутов текста — показать/убрать Панель атрибутов текста.

• Масштаб — изменение масштаба рисунка. Можно выбрать команду Обычный, Крупный (увеличивает масштаб изображения в четыре раза) или Другой. Выбрав команду Другой, можно задать необходимый масштаб в процентах от 100 % до 800 %. Команда Вид/Масштаб/Окно масштаба 100 % позволяет показать часть изображения в небольшом окне в обычном масштабе для быстрого просмотра проделанных изменений.

• Просмотреть рисунок — рисунок будет занимать всю область просмотра. Чтобы вернуться в прежний режим, щелкните любое место рисунка. Этот режим не предназначен для изменения рисунка.

Меню Рисунок содержит команды, позволяющие преобразовать любой выделенный объект:

• Отразить/повернуть — позволяет зеркально отобразить выбранный фрагмент или повернуть его как одно целое. Вариант преобразования выбирается в диалоговом окне Отражение и поворот — установкой соответствующего переключателя. Переключатель Отразить слева направо соответствует горизонтальному отражению, Отразить сверху вниз — вертикальному. Переключатель Поворот позволяет повернуть рисунок на угол 90°, 180° или 270°.

• Растянуть/наклонить — позволяет растянуть или сжать изображение по одной из осей и одновременно наклонить его.

• Обратить цвета — каждый цвет будет заменен на обратный к нему. Например, красный будет преобразован в голубой, а синий в желтый.

• Атрибуты — позволяет изменить полный размер рисунка в заданных единицах измерения, а также указать, должен ли он быть цветным или черно — белым.

• Очистить — служит для очистки выделенного фрагмента или всего изображения и заполнения его фоновым цветом.

• Непрозрачный фон — назначает один цвет в качестве «прозрачного». Прозрачность цвета означает, что если данный рисунок будет отображаться поверх другого, фонового, то нижний рисунок будет виден сквозь верхний в тех точках, которые имеют цвет, назначенный прозрачным. Свойство прозрачности сохраняется в файле рисунка в тех случаях, когда при сохранении рисунка выбран формат *.gif.

• В меню Палитра находится только одна команда Изменить палитру…, позволяющая создать произвольный цвет. Для этого нужно выбрать на палитре цвет, который следует изменить, вызвать команду Изменить Палитру… открывается диалоговое окно Изменение палитры, которое содержит расширенную палитру. Если нужного цвета нет и там, можно щелкнуть на кнопке Определить цвет. Диалоговое окно расширяется и позволяет определить цвет подбором по спектру или заданием параметров Оттенок, Контраст, и Яркость. Щелчком кнопки Добавить в набор вновь созданный цвет включается в палитру. Щелчком кнопки ОК новый цвет выбирается в качестве основного.

Инструменты графического редактора Paint

По назначению инструменты графического редактора Paint можно разделить на несколько групп:

1) Инструменты свободного рисования. Они позволяют рисовать произвольные фигуры. Рисование с помощью этих инструментов осуществляется путем протягивания мыши: — при движении указателя мыши за ним остается след. Протягивание с нажатой левой кнопкой мыши дает изображение фигуры основным цветом, а при нажатой правой кнопке — цветом фона. К инструментам свободного рисования относят:

Карандаш — предназначен для рисования произвольных линий. Толщину линии выбирают в палитре настройки. Чтобы линия была строго горизонтальной или вертикальной, во время рисования необходимо удерживать нажатой клавишу Shift.

 Кисть — позволяет провести более широкую линию. Этот инструмент можно использовать как для свободного рисования произвольных кривых, как Карандаш, но чаще его используют для рисования методом набивки. Сначала выбирают форму кисти в палитре настройки, а потом щелчками левой кнопки мыши наносят оттиски на рисунок без протягивания мыши.

 Распылитель — создает «размытое» пятно, его используют как для свободного рисования, так и для рисования методом набивки. Форму пятна выбирают в палитре настройки.

 Ластик — стирает изображение, заменяя его фоновым цветом. Все инструменты, кроме ластика, выполняют рисование основным цветом.

2) Инструменты рисования линий:

 Линия — предназначена для вычерчивания прямых линий. Толщину линии выбирают в палитре настройки. Чтобы линия получилась строго вертикальной, горизонтальной или наклонной под углом 450, при ее вычерчивании следует держать нажатой клавишу Shift.

 Кривая — служит для рисования гладких кривых линий. Толщину предварительно выбирают в палитре настройки. Построение кривых линий производится в три приема: сначала проводят отрезок прямой, концы которого совпадают с концами отрезка будущей кривой, затемщелчком и протягиваниемв стороне от линии задают первый и второй радиусы кривизны.

3) Инструменты создания стандартных фигур:

 Прямоугольник — применяют для рисования прямоугольных фигур. В палитре настройки можно выбрать метод заполнения прямоугольника. Возможны три варианта: без заполнения (рисуется только рамка), заполнение фоновым цветом и заполнение основным цветом. Если при создании прямоугольника держать нажатой клавишу Shift, получается квадрат.

Скругленный прямоугольник — действует точно так же, но при этом получается прямоугольник со скругленными углами.

 Многоугольник — предназначен для рисования произвольных многоугольников. Стороны многоугольника рисуют последовательно методом протягивания.

Контур замыкают протягиванием указателя от начальной точки к конечной. Замкнутые фигуры могут автоматически заливаться краской в соответствии с цветом заполнения, выбранным в палитре настройки.

 Эллипс — служит для изображения эллипсов и окружностей. Окружность (частный случай правильного эллипса) получается при рисовании при нажатой клавише Shift.

4) Заполнение областей цветом:

 Заливка — служит для заполнения замкнутых контуров основным или фоновым цветом. Заполнение основным цветом производится щелчком левой кнопки мыши, а заполнение фоновым цветом — щелчком правой кнопки. Если контур не замкнут, инструмент работает неправильно: краска «вытекает» за границы контура и заполняет весь рисунок.

 Выбор цветов — позволяет точно выбрать основной или дополнительный цвет не из палитры красок, а непосредственно из рисунка. Это важно, когда надо обеспечить один и тот же цвет в разных областях изображения. После выбора инструмента наводят указатель на участок рисунка с нужным цветом и щелкают кнопкой мыши: левой — текущий цвет становится основным, правой — фоновым.

5) Инструменты выделения областей:

 Выделение произвольной области. При выборе этого инструмента курсор принимает вид крестика. Нужный фрагмент обводится курсором при нажатой левой кнопке мыши. При этом пунктирная линия отметит пройденный путь и ограничит выделенную область. Если отпустить левую кнопку до того, как линия пересечется сама с собой, начальная и конечная точки соединятся по кратчайшему расстоянию. Если нажать правую кнопку мыши до того, как отпустить левую, выделение будет отменено.

 Выделение — формирует прямоугольную выделенную область. Выделенный фрагмент можно удалить (клавиша Delete), поместить в буфер обмена, и вставить из буфера обмена, переместить методом перетаскивания. Если при перемещении удерживать нажатой клавишу Shift, то перетаскиваемый объект оставляет за собой след. При копировании выделенных областей возможны два режима вставки: с сохранением фоновой графики или без нее (точки фонового цвета во вставляемой области игнорируются). Переключение режима выполняют в палитре настройки.

6) Ввод текста:

Графический редактор Paint не предназначен для работы с текстом. Поэтому текст после ввода становится частью рисунка и так же, как изображение, будет состоять из точек растра. Режим работы с текстом предназначен в основном для создания кратких и крупных заголовков.

 Надпись — служит для ввода текста. После того, как выбран инструмент, нужно выделить прямоугольную область протягиванием мыши там, где должна быть надпись. Закончив ввод, необходимо вызвать панель атрибутов текста щелчком внутри рамки или с помощью команды Вид/Панель атрибутов текста. С помощью нее можно выбрать форму шрифта, его начертание и размер. В случае необходимости текстовую рамку можно сжать или растянуть. После щелчка вне рамки текст становится частью рисунка, его нельзя будет изменить.

Изменение масштаба рисунка

Для точной корректировки рисунка иногда необходимо увеличить его масштаб. Увеличение можно проделать двумя способами: с помощью команды Вид/Масштаб или с помощью кнопки — Лупа на панели инструментов. Начиная с четырехкратного увеличения на рисунок можно наложить вспомогательную сетку командой Вид/Масштаб/Показать сетку. Каждая ячейка этой сетки — увеличенная точка изображения, это позволяет редактировать рисунок по отдельным точкам.

Лекция 6

Microsoft Word для Windows

Технология WYSIWYG

Редактируя документ в операционной системе Windows, пользователь видит на экране изображение, максимально близкое у тому, что он увидит на бумаге при распечатке документа на принтере. Это называется What You See Is What You Get, или технологией точного отображения макета. Благодаря WYSIWYG Вы можете добиться максимальной выразительности документов даже не будучи профессионалом. Используя масштабируемые шрифты, пользователь может не опасаться, что изображение на бумаге "огрубеет" и "поплывет" (т. е. изменится вид шрифта при его масштабировании), как это часто случалось с растровыми шрифтами. Эта технология используется в текстовых процессорах Word 97 и Word 2000.

Общего у Word 2000 и Word 97 очень много, но немало и различий. Microsoft Office 2000 предоставляет самые последние технологии работы с документами, позволяет создать принципиально новую рабочую среду, оптимизирующую обмен данными, и резко повысить эффективность работы с информацией благодаря:

• простоте установки, настройки и использования;

• интеллектуальному интерфейсу;

• тесной интеграции приложений;

• возможностям работы в Интернете и интрасетях;

• инструментам анализа информации.

Интеллектуальный интерфейс

При запуске Word 2000 каждое меню содержит только команды, используемые на протяжении 95 % общего времени работы. Редко вызываемые команды его не загромождают.

Сокращенный вариант выпадающего меню

В нижней части каждого меню располагается кнопка расширения, выводящая на экран полный набор вариантов данного меню и позволяющая очень легко получить доступ ко всем командам.

Все меню в Word 2000 автоматически расширяются в соответствии с правилами технологии IntelliSense (например, по истечении определенного промежутка времени, при задержке курсора мыши на меню и так далее)

Полный вариант выпадающего меню

Когда вы выбираете какую-то команду, она "получает повышение" и отображается ближе к началу меню, а неиспользуемые команды в конце концов перестают отображаться в настраиваемых меню. После некоторого периода работы с программой меню будут содержать наиболее часто используемые команды, а неиспользуемые или редко используемые пункты окажутся скрытыми. Однако, если вы захотите познакомиться с новыми функциями, то, подведя курсор к кнопке расширения, меню можно быстро расширить и найти другие команды. В остальное время вы видите только те средства, которыми реально пользуетесь при работе в Word 2000.

Автоматическое самовосстановление

Office 2000 (а значит и Word 2000) включает в себя функции самовосстановления. При каждом запуске система Office 2000 проверяет все важнейшие файлы и соответствующие элементы реестра. Если что-то отсутствует или повреждено, производится автоматическая повторная установка в фоновом режиме. Так что не удивляйтесь, если при очередном вызове программы вы увидите окно с сообщением об инсталляции. Не нервничайте, а подождите немного — эта небольшая пауза поможет вам избежать значительно больших потерь времени при работе.

Ручной запуск самовосстановления

Если вам вдруг показалось, что Word 2000 что-то делает не так, то есть возможность убедиться в справедливости или ошибочности своего впечатления.

1. Щелкните по меню Справка (Help)

Меню Справка (Help), команда Найти и устранить (Detect and Repair)

После щелчка на этой строке Word 2000 выполнит полную проверку состояния всех подключенных шрифтов и шаблонов^[10]. В случае обнаружения непорядка, Word 2000 попросит Вас вставить диск, с которого производилась установка программы. Так что, держите его наготове.

Щелкни и печатай

При работе в Word 2000 можно дважды щелкнуть мышкой в любое место как новой, так и уже имеющейся страницы документа, и начать вводить текст.

Такая технология получила название Click-and-Type (Щелкни и печатай).

Теперь ввод текста не обязательно начинать в верхнем левом углу, а значит подготовить документ с любой желаемой компоновкой стало значительно проще.

Этот же прием распространяется и на вставку рисунков или любых других объектов.

В качестве шрифта, используемого по умолчанию при первом запуске, в Word 2000 теперь установлен Times New Roman, кегль 12.

Автоматическое определение языка

В версии Word 2000 появилось любопытное новшество, на которое не было даже и намека ни в одной из предыдущих реализаций Word.

Word 2000 автоматически определяет, на каком языке вводится текст и, используя соответствующие компоненты для проверки орфографии, грамматики, автозамены и другие средства проверки правописания, "на лету" исправляет ваши ошибки. При этом усовершенствованная программа автозамены сама находит и исправляет очевидные орфографические ошибки, которые не обязательно должны находиться в списке для автозамены.

Каждому документу свое окно

В отличие от своих предшественников, Word 2000 для каждого документа создает свое отдельное окно. При этом на Панели задач (Task bar) появляется для каждого из них отдельная кнопка.

• Во-первых, это позволяет очень быстро переходить из одного документа в другой, причем, функции меню Окно (Window) сохраняются.

• Во-вторых, появилась возможность выводить на экран несколько документов одновременно в разных окнах

Панель задач (Task bar) при открытии нескольких документов

Набор текста в Word'e

Для начала просто попытайтесь набрать любой текст, например, этот текст, как если бы Вы его набирали на пишущей машинке. Однако помните, что:

1. В Word'e возврат каретки (клавиша <Enter>) нажимается не в конце строки, а в конце абзаца. Перенос текста с одной строки на другую осуществляется автоматически.

2. Каждое нажатие клавиши <Enter> добавляет в текст один абзац (или пустую строку). Пустые строки удаляются клавишей <Del> (если пустая строка находится справа от курсора) или <Backspace> (если пустая строка находится справа от курсора.

3. Чтобы разбить абзац на два, нажмите клавишу <Enter> там, где должен быть конец абзаца. Чтобы соединить текущий абзац со следующим, необходимо подвести курсор к концу абзаца и нажать клавишу <Del>.

4. Слова в абзаце отделяются друг от друга пробелами, вне зависимости от присутствия знаков препинания. Это значит, что вне зависимости от того, находится или нет между словами знаки препинания (точка, запятая, двоеточие, или конец абзаца), после любого слова или знака препинания необходимо вставлять пробел (нажимать клавишу <Пробел>). Исключение скобки и кавычки. Буквы, расположенные в скобках или кавычках, пишутся с ними слитно, а пробелы делаются между скобками или кавычками и "внешним окружением".

5. Неправильно набранный символ можно удалить следующими способами:

a) Если курсор расположен правее символа, необходимо нажать <Backspace>.

b) Если курсор расположен левее символа, необходимо нажать клавишу <Del>.

6. Если удалить символ надо лишь для того, чтобы на его месте вставить другой символ, удобно перевести клавиатуру в режим замены. Переключение между режимами вставки и замены осуществляется с помощью клавиши Insert (<Ins>). Когда активен режим замены, встроке состояния Microsoft Word активен индикатор "ЗАБ", забой ("OVR" — overtype). При вставке символа в строку в режиме вставки все последующие символы сдвигаются вправо. В режиме замены старые символы исчезают, а на их месте появляются новые, вводимые Вами с клавиатуры.

Обратите внимание, что когда Вы подводите курсор мыши к любой кнопке Панели инструментов, у курсора мыши появляется всплывающая подсказка с названием этой кнопки, а в строке состояния — объясняющая надпись.

Обратите внимание на несколько кнопок, расположенных в левом нижнем углу окна, слева от горизонтальной линейки скроллинга. Это так называемые кнопки смены оформления текста. Так, самая левая из этих кнопок позволяет отображать текст в окне Microsoft Word не как в текстовом процессоре, а как в обычном текстовом редакторе (типа блокнота). В этом окне правильно отображаются шрифты и форматирование абзаца текста, но не показываются колонтитулы, вставки, сноски, внедренные объекты и изображения. Однако в этом режиме отображение текста всегда поспевает за нажатиями клавиш на клавиатуре, вследствие чего можно предъявить более низкие требования к аппаратной части компьютера.

Вторая слева (в Microsoft Word 97 и 2000 — это третья слева) кнопка оформления показывает документ Word как будто он уже распечатан на бумаге. В этом режиме отображаются все элементы форматирования текста, однако он наиболее требователен к аппаратной части компьютера, а потому часто набор текста опережает его появление на экране. Поэтому рекомендуется использовать этот режим при окончательном оформлении документа.

И, наконец, последняя кнопка отображает документ в режиме "макета". Этот режим почти ничего не имеет общего с WYSIWYG-технологией, однако он позволяет быстро изменить оформление документа, перемещая целиком заголовки, абзацы и иллюстрации по документу и тем самым упрощая окончательную верстку.

Если символы текста кажутся Вам слишком крупными или слишком мелкими, а также если Вы не удовлетворены использованием ширины экрана документом, Воспользуйтесь меню "Вид" —> "Масштаб" ("View" —> "Zoom") для изменения масштаба изображения, или измените масштаб при помощи инструмента "Масштаб" панели инструментов "Главная". Обычно можно выбрать либо точный масштаб отображения (в процентах от истинного), или выбрать "плавающие" масштабы "по ширине страницы", "страница целиком", "несколько страниц". Автор книги предпочитает работать в масштабе "по ширине страницы" и оформлении "как текстовый редактор", поскольку он максимально использует ширину монитора и не перегружает аппаратную часть компьютера.

Операции с фрагментом текста

При удалении нескольких слов или нескольких строк имеет смысл воспользоваться следующим приемом:

1. Установите курсор на начало фрагмента, требующего удаления.

2. Теперь, придерживая клавишу Shift, подведите курсор к концу фрагмента клавишей "стрелка вправо" и "стрелка вниз". Курсор потянет за собой "подсветку" на весь фрагмент (обычно текст отображается инверсным цветом.)

3. По нажатию клавиши Del весь фрагмент будет удален.

Разумеется, подсветку можно "тянуть" и, наоборот, с конца фрагмента в его начало.

Есть и другой способ удаления выделенного фрагмента — просто начать набирать текст поверх него.

Выделять фрагмент можно и другим способом:

• Установить курсор в начало фрагмента (мышью или клавиатурой). Для установки курсора мышью необходимо однократно щелкнуть левой клавишей мыши в том месте, где должен находится текстовый курсор — и он там окажется!

• Удерживая клавишу Shift, щелкнуть левой клавишей мыши в конце фрагмента.

• Можно обойтись вообще без клавиатуры. Для этого надо:

1. Установить курсор в начало фрагмента выделения.

2. Удерживая левую клавишу мыши, проведите курсор мыши от начала до конца фрагмента.

Кроме того:

• двойной щелчок левой клавишей мыши на слове выделит это слово;

• щелчок левой клавишей мыши на предложении с нажатой клавишей Ctrl выделит это предложение;

• щелчок левой клавишей мыши слева от строки выделит эту строку;

• тройной щелчок левой клавишей мыши на абзаце выделит этот абзац;

• щелчок мышью при нажатой клавише Ctrl левее текста выделит этот текст.

• выделить весь текст можно и нажатием Ctrl+A (Ctrl+Ф при русской раскладке клавиатуры) или Ctrl+5 (на цифровой части клавиатуры).

Чтобы перенести фрагмент текста из одного места в другое при помощи клавиатуры, необходимо:

1. Выделить фрагмент.

2. Нажать Shift+Del или Ctrl+X, чтобы "вырезать" фрагмент текста с экрана.

3. Поместить курсор туда, куда необходимо перенести фрагмент.

4. Нажать клавиши Shift+Ins или Ctrl+V, чтобы вставить вырезанный фрагмент в новое место.

Операции переноса фрагментов в Microsoft Word удобнее выполнять при помощи мыши. Для его перемещения нужно его "взять" (направив курсор мыши на выделенную часть текста и нажав левую клавишу мыши) и переместить мышиный курсор туда, куда необходимо перенести текст. Для того, чтобы скопировать фрагмент на новое место при помощи клавиатуры необходимо:

1. Выделить фрагмент.

2. Нажать клавиши Ctrl+Ins или Ctrl+C.

3. Поместить курсор туда, куда нужно скопировать фрагмент.

4. Нажать клавиши Shift+Ins или Ctrl+V, чтобы вставить на новое место копию фрагмента текста.

На панели инструментов "Главная" Microsoft Word есть три специальные кнопки, на которых изображены ножницы, листки документов и портфель с документами, предназначенные соответственно для выполнения операций удаления в карман, копирования и вставки.

Чтобы перенести (скопировать) текст при помощи мыши необходимо:

• "взять" выделенный фрагмент текста;

• переместить курсор туда, куда необходимо перенести текст, удерживая нажатой клавишу Ctrl.

Текст можно перемещать не только в пределах документа, но и вне документа: на рабочий стол, в корзину или папку. При нажатии клавиши Ctrl данные будут перенесены, если Shift — скопированы. На самом деле они попадут в файл типа Scarp, имеющее расширение SHS. Данные из Scarp можно вставить в любой документ в окне Word. Это позволяет иметь готовыми к вставке любое разумное количество фрагментов, держа их в буквальном смысле слова перед глазами.

Для того чтобы застраховаться от последствий ошибочных действий, в Word предусмотрена процедура отмены предыдущих операций редактирования — отмена редактирования. Она находится в меню "Правка" —> "Отменить" ("Edit"->"Undo"). Для той же цели служат клавиши Alt+Backspace и Ctrl+Z. Возвратить отмененную операцию можно при помощи меню "Правка" —> "Вернуть" ("Edit" —> "Redo") или клавишей Ctrl+Y. На панели инструментов "Главная" имеются кнопки для отмены и возвращения операций.

Операции с документами

Чтобы сохранить документ, подвергшийся редактированию, необходимо выбрать пункт меню "Файл" —> "Сохранить" ("File" —> "Save"), клавишами Ctrl+S или кнопкой с изображением дискеты на панели инструментов "Главная". Если документ не был еще ни разу сохранен, на экране появится диалоговое окно "Сохранить" ("Save as"). В поле "Файл" ("File name") необходимо ввести имя файла, под которым будет сохранен документ. Когда необходимо сохранить документ в файле с новым именем, примените пункт меню "Файл" —> "Сохранить как" ("File" —> "Save as"). Для открытия уже готового файла следует использовать меню "Файл" —> "Открыть" ("File" —> "Open"), кнопку с открывающейся папкой на панели инструментов "Главная", или сочетание клавиш Ctrl+O (CTRL+щ в русской раскладке клавиатуры). В диалоговом окне "Открыть" ("Open") в списке выбрать нужное имя файла. Он загрузится в отдельное окно программы. Вы, в принципе, можете открыть большое количество окон с документами. Переключение между окнами возможно при помощи меню "Окно" ("Window").

Чтобы начать работу над новым файлом, необходимо дать команду в меню "Файл" —> "Создать", или воспользоваться либо клавишами Ctrl+N (CTRL+т в русской раскладке), либо выбрать мышью кнопку с чистым листом. Обратите внимание, что при пользовании первым методом Вас запросят выбрать шаблон, на основании которого Вы бы хотели открыть файл, в то время как во втором случае сразу создается документ на основе шаблона "Обычный" ("Normal").

Меню "Файл" —> "Печать" ("File" —> "Print") позволяет распечатать на принтере любую выделенную часть документа, либо отдельные страницы, либо весь текст (появляется соответствующее диалоговое окно), а при нажатии кнопки с принтером — сразу распечатать весь документ весь документ. При помощи пункта меню "Файл" —> "Просмотр" ("File" —> "Print Preview") можно просмотреть, как в точности будет выглядеть распечатка текста на принтере. В режиме просмотра можно также изменять масштаб просматриваемого текста.

Шрифтовое оформление

Для того чтобы изменить шрифтовое выделение текущего слова, выберите в меню команду "Формат" —> "Шрифт" ("Format" —> "Font"). Если необходимо изменить шрифт на участке, большим или меньшем, чем одно слово, следует предварительно выделить этот участок. В диалоговом окне находятся все характеристики шрифта, а в правой нижней части диалогового окна отображаются примеры написания. Для быстрой смены начертания шрифта, его размера, выделения букв "жирностью", курсивом, подчеркиванием и цветом существуют соответствующие кнопки на панели инструментов "Форматирование".

Чтение и восприятие документа в огромной степени зависит от того, какие шрифты применялись для его оформления и каким стилем они поданы. Один и тот же шрифт Word может выдавать в нескольких вариантах, то есть стилях.

Какие бывают шрифты

Очень часто Word используют при окончательной подготовке материалов, включая верстку издания, для печати в типографии. То есть Word выполняет не свойственные ему функции настольной издательской системы. Поскольку Microsoft Corporation явно не планировала использовать свое детище для подобных целей, то имеются разночтения в терминологии полиграфистов и той, что использована в Word. Впрочем, возможно, что Microsoft Corporation и не причем, а то, что мы имеем, — это творчество переводчиков. Но, как бы то ни было, для устранения возможных неясностей сначала разберемся, что под термином шрифт имеют в виду полиграфисты.

Шрифт с точки зрения полиграфистов

В полиграфической терминологии шрифт — это набор символов определенного рисунка и размера. Шрифты объединяются в гарнитуры.

Гарнитура — это художественное решение шрифта, которое отличает его от других. Гарнитура имеет свое имя и состоит из нескольких шрифтов. Например, гарнитура Arial включает в себя шрифты Arial, Arial Black, Arial Narrow

Начертание — это один из вариантов шрифта в гарнитуре. Начертания шрифтов включают в себя насыщенность, наклон, пропорциональность и кегль (размер).

• Насыщенность шрифта характеризует толщину линий литер и имеет стандартизированные названия — это нормальная или обычная (normal), полужирная (semibold) и жирная (bold).

• Наклонный шрифт именуется курсив (Italic).

• Пропорциональность — это относительная ширина знаков шрифта. То есть каждый тип букв (литер) шрифта имеет свою ширину, например, буквы "Ж" и "П". Для более точного определения пропорциональности обычно выбирается соотношение ширины и высоты литеры "М". По этому признаку различают сверхузкое, узкое, нормальное и широкое начертания. Пропорциональные шрифты в докомпьютерную эру применялись только в типографиях. На привычных пишущих машинках абсолютно все буквы имели одинаковую ширину. Такие шрифты называются моноширинными.

• Кегль — вертикальный размер шрифта в пунктах с учетом верхних и нижних (или надстрочных и подстрочных) выносных элементов.

Элементы шрифта

Единицы измерения, применяемые в полиграфии

Полиграфия ведет свою историю с 40-х годов XV века, когда Гуттенберг изобрел свой печатный станок. Как и любая отрасль науки и техники полиграфия обзавелась своей собственной терминологией. Но если другие отрасли на этом чаще останавливаются, то полиграфисты пошли дальше — они изобрели и свою собственную систему единиц измерения. Эта система может показаться странной — действительно, где еще есть единицы, кратные 72? Однако такая система единиц есть и приходится с ней мириться, поскольку нынешнее поколение полиграфистов ревностно придерживается традиций предков. Поэтому, если мы хотим быть понятыми полиграфистами и понимать их, то давайте разберемся немного и с этими экзотическими единицами измерения.

Несколько порадовать, однако, может тот факт, что подобная система единиц позволяет соотнести размер шрифта с размерами полей, колонок, страниц и другими элементами публикации.

Создатели Word напрямую использовали только одну из полиграфических единиц для обозначения размера (кегля) шрифта и отступов (отбивки) абзаца — Перед (Before) и После (After). Эта единица называется пункт (point или pt):

1 дюйм (inch) = 25,4 мм = 72 пункта (points)

1 пункт (point) = 1/72 дюйма (inch) = 0,353 мм

Если речь идет о шрифте размером 12, то это высота (кегль) шрифта в пунктах. Причем, это не величина букв, а высота строки с текстом. В понятие высота строки входит высота букв плюс верхние и нижние выносные элементы — такие, как в буквах "б" и "у".

Если набрать текст различными шрифтами одинакового кегля, то высота букв в разных шрифтах будет разная.

Примеры разных шрифтов (гарнитур) одинакового кегля

Высота и остальные размеры отдельных букв задаются автором (художником) шрифта из расчета гармоничного восприятия текста в целом. Обычно величина кегля соответствует ширине прописной буквы М. Однако бывают и исключения.

Так, с множителем 72 и пунктами мы разобрались. Что же есть еще? А еще есть пики (picas).

Пика равна 4,236 мм или 1/6 дюйма (точнее 1/6 дюйма равна 4,233 мм, но значение пики чаще округляют до 1/6 дюйма).

1 дюйм (inch) = 25,4 мм = 72 пункта (points, pt) = 6 пик (picas)

1 пика = 12 пунктов

В пиках полиграфисты измеряют ширину и высоту полос и колонок.

Разумеется, этими двумя единицами дело не ограничивается. Но нам и их достаточно для того, чтобы с пониманием подходить к форматированию наших документов. О других полиграфических единицах, а их — приличное количество, необходимо знать, только если вы займетесь версткой с использованием настольных издательских систем типа Page Maker или Ventura Publisher.

Что такое междустрочный интервал

Теперь, когда мы определились с терминологией, можно четко охарактеризовать смысл понятия междустрочный интервал, который определяет расстояние по вертикали между строками текста. По умолчанию в Word используется одинарный интервал. Выбранный междустрочный интервал появится между всеми строками текста в выделенном абзаце или в абзаце, на котором стоит текстовый курсор.

Интервалы отсчитываются от базовой линии шрифта. Величина одинарного междустрочного интервала соответствует шрифту наибольшего размера, используемому в строке. Можно с достаточной точностью утверждать, что значение междустрочного интервала равно расстоянию между базовыми линиями двух соседних строк.

То есть для кегля номер 10 одинарный интервал также равен 10 пунктам.

Полуторный и двойной междустрочные интервалы превышают одинарный в соответствующее число раз.

Шрифты в Word

В любой версии Word шрифты различаются по трем признакам:

• название,

• размер,

• начертание.

С названием все ясно. Под размером шрифта понимается то же самое, что в полиграфии обозначается термином кегль. А вот с термином начертание в Word вышла некоторая неувязка с полиграфией.

В пику полиграфистам (надо же отличаться) Word различает четыре вида начертания шрифта, которые здесь называются стилями:

• нормальный (normal),

• полужирный (bold),

• курсив (italic),

• подчеркнутый (underline).

Именно для стиля шрифта определены специальные кнопки на инструментальной панели Форматирование (Formatting) и введены "горячие клавиши":

Ctrl+B — (Bold),

Ctrl+I — (Italic),

Ctrl+U — (Underline).

Все эти стили можно применять в произвольном наборе. Например, можно одновременно назначить шрифту три вида стиля: полужирный, курсив, подчеркнутый и получить следующий» Стиль шрифта.

Запомните эти отличия в терминологии, и вам, при необходимости, будет легче общаться с полиграфистами, а им с вами.

Как и в полиграфии, в Windows имеются и моноширинные и пропорциональные шрифты, причем пропорциональных шрифтов — большинство. Какие же из них узкие, широкие или любые другие — при работе в Word 6.0/95/97 надо было помнить, так как там индикация вида шрифтов предусмотрена не была. Только в Word 2000 это упущение наконец-то было исправлено. В стандартном варианте поставки Windows (и Word, разумеется) русских шрифтов немного. Обычно присутствуют Arial, Courier New и Times New Roman. В этих шрифтах, кроме букв латинского алфавита (латиницы), присутствуют и русские (кириллица). Есть также специальный шрифт, каждый символ которого представляет собой какую-либо картинку — Wingdings.

Однако сейчас уже существует огромное количество русских шрифтов, которые вы можете подключить и использовать в своей работе.

Обратите только внимание на то, чтобы все используемые вами шрифты были масштабируемыми. Они называются True Туре и в списках обозначены символами . Такие шрифты одинаково выглядят и на экране, и на принтере. С другими у вас могут быть проблемы.

Word 2000, как и Word 97, работают с кодировкой символов в стандарте Unicode. Поэтому, если вам необходимо документы, созданные в Word 6.0/95, читать в Word 97 или Word 2000, а также наоборот, то все шрифты на вашем компьютере должны быть обработаны конвертером TTFCONV.EXE. В результате ваши X шрифты будут переведены в стандарт Unicode и проблемы уйдут.

Примеры шрифтов из стандартной поставки Windows

Как назначить шрифт

В Word 2000 разработчики из Microsoft Corporation, видимо ориентируясь на конкурентов, внесли удобный сервисный элемент в процедуру выбора необходимого шрифта. Теперь уже не надо помнить, как выглядят те или иные шрифты. При раскрытии списка Шрифт (Font) на панели Форматирование (Formatting) каждый шрифт выводится в своем оригинальном виде.

Чтобы назначить какому-либо фрагменту текста тот или иной шрифт, сначала надо его выделить. Далее есть несколько способов.

• Нажимаем клавиши Ctrl+Shift+F, и переходим в поле Шрифт (Font) на панели Форматирование (Formatting).

Клавишами Enter или Стрелка вниз раскрываем список доступных шрифтов и выбираем нужный.

Список Шрифт (Font) на панели Форматирование (Formatting)

Этот же список раскрывается и щелчком левой кнопки мыши на списке Шрифт (Font) на панели Форматирование (Standard).

• Если, не раскрывая список, повторно нажать клавиши Ctrl+Shift+F, откроется диалог Шрифт (Font).

• Если в данный момент панели Форматирование (Formatting) на экране нет, то диалог Шрифт (Font) открывается после первого же нажатия клавиш Ctrl+Shift+F

Если вы уже использовали какие-либо шрифты, то пять последних из них расположены в верхней части списка и отделены от остальных двойной линией.

Список и диалог можно вызвать с помощью мышки:

• Выберите в меню Формат | Шрифт (Format | Font) или щелкните правой кнопкой мыши в любом месте текстового поля и в контекстном меню выберите Шрифт (Font). Диалог Шрифт (Font) позволит не только установить вид шрифта, но и его размер, стиль и другие.

• Если текст не выделен, то вновь назначенный шрифт будет действовать: о для вновь вводимых символов, если курсор стоит вне слова;

• на все слово, внутри которого стоит курсор.

С помощью правой кнопкой мыши и клавиатуры можно менять шрифт и тогда, когда инструментальные панели отсутствуют на экране.

По сравнению со списком на инструментальной панели Форматирование (Format) диалог Шрифт (Font) предоставляет гораздо большие возможности для управления шрифтами. Рассмотрим их по порядку.

Вкладка Шрифт (Font) диалога Шрифт (Font)

Подчеркивание (Underline Style)

Если в диалоге Шрифт (Font) (Рис. 3.4) раскрыть список Подчеркивание (Underline Style), то можно задать любой из пятнадцати вариантов подчеркивания шрифта. Два из этих вариантов подчеркивания (одинарное и двойное) можно задать с помощью горячих клавиш остальные — только через диалог Шрифт (Font). В этом же диалоге Шрифт (Font) можно из списка Цвет шрифта (Font Color) выбрать и цветовое решение для выводимых символов. Аналогичную возможность предоставляет и кнопка — Цвет шрифта (Font Color) на панели Форматирование (Formatting).

Оформление абзацев

Чаще всего требуется менять такие параметры оформления абзаца, как тип выравнивания (по левому, правому краю, выравнивание по ширине страницы (выключка), центрирование абзаца, межстрочное расстояния и отбивки абзаца. Для того, чтобы переформатировать текущий абзац, выберите команду в меню "Формат" —> "Абзац" ("Format" —> "Paragraph"). Если необходимо переформатировать более одного абзаца, необходимо их предварительно выделить. Диалоговое окно "Абзац" содержит множество настроек свойств абзаца, включая все вышеперечисленные. Доступ к нему также возможен через контекстное меню. Некоторые настройки из диалогового окна "Абзац" доступны на панели инструментов "Форматирование". Например, кнопки выравнивания абзаца (по левому краю, центрирование, по правому краю, выключка), пошагового увеличения либо уменьшения левого отступа, Абзацная линейка, которая отображается по команде в меню "Вид" —> "Линейка" ("View" —> "Ruler")позволяет менять отступы и величину красной строки. Верхний левый маркер меняет величину красной строки, средний меняет абзацный отступ, нижний сдвигает красную строку и абзацный отступ одновременно. Правый маркер служит для изменения правого отступа.

Другие параметры оформления текста

При помощи пункта меню "Файл" —> "Параметры страницы" ("File" —> "Parameters") появляется диалоговое окно, определяющее размещение текста на листе бумаги:

• верхнее, нижнее, левое, правое поля страницы;

• отступы под переплет;

• расстояние до верхнего или нижнего колонтитула;

• размер бумаги (один из стандартных или выборочный);

• положение бумаги — вертикальное ("Портрет", "Portrait") или горизонтальное ("Ландшафт", "Landscape").

Кроме того, Word позволяет применять многие профессиональные методы оформления текста. Например, для форматирования списков, в том числе нумерованных, можно применять пункт меню "Формат" —> "Список" ("Format" —> "BulletsSNumbering"). Это меню предлагает множество вариантов оформления списков. На панели инструментов "Форматирование" существуют две кнопки для создания списка.

Первая кнопка, со списком в виде кружков, создает ненумерованный список. Кнопка со списком в виде цифр создает нумерованный список, в котором элементы пронумерованы по возрастанию. При нажатии клавиши Enter нумерованный и ненумерованные списки автоматически продолжаются. Для отмены продолжения нумерации в конце списка нажмите два раза клавишу Enter. Кроме того, в диалоговом окне "Списки" можно изменить вид нумерованного и ненумерованного списка, изменить порядок нумерации и т. п.

Понятие составного документа

При создании документа часто возникает необходимость вставить в него фрагменты из документов, созданных в других приложениях. Например, текст, созданный в текстовом процессоре Word, может содержать графики, таблицы, подготовленные в Excel, рисунки, созданные в графическом редакторе Paint и пр. Можно создать документ, включающий в себя не только текст, графические изображения, таблицы, но также звуковое сопровождение (музыку, речь), и даже видеоролики. В результате появляется документ, содержащий данные разного типа, хотя внешне это не проявляется. Его можно печатать, хранить и производить с ним любые другие действия как с обычным документом, созданным в одной среде и содержащим однотипные данные. Документ, в котором объединены данные разного типа, созданные в разных приложениях, называется составным (интегрированным) документом.

Объектом называется произвольный элемент, созданный в каком-либо приложении, который можно поместить в файл другого приложения (например, в документ MS Word, рабочую книгу MS Excel и или базу данных MS Access).

Приложение, средствами которого создаются объекты, называется сервером или приложением — источником. Приложение, принимающее объекты, подготовленные в приложении — источнике, называется клиентом или приложением — приемником.

Обмен объектами с помощью мыши

Обмен данными между приложениями возможен перетаскиванием объекта с помощью мыши. Для этого окна приложений целесообразно расположить рядом. Предварительно объект должен быть выделен. Перемещение осуществляется нажатием левой кнопки мыши на объекте в приложении — источнике и транспортировкой его в приложение — получатель. Копирование осуществляется аналогично процедуре перемещения при одновременно нажатой клавише Ctrl. При этом необходимо соблюдать следующую последовательность отпускания клавиш — сначала кнопку мыши, а затем клавишу Ctrl. Также можно сначала объект протащить, не отпуская кнопки мыши, а затем уже при необходимости нажать Ctrl. При копировании указатель мыши на экране будет сопровождаться знаком +.

Обмен объектами с помощью буфера обмена

Еще один способ обмена объектами между приложениями Windows — это использование буфера обмена. Буфер обмена (Clipboard) — это область оперативной памяти для временного хранения данных. Процесс обмена данными с помощью буфера обмена следует начинать в приложении — источнике данных. Сначала выделяется фрагмент документа (или весь документ) и помещается на хранение в буфер обмена. Записанный в буфере фрагмент можно вставить: в другое место того же документа, в другой документ того же приложения, в документ другого приложения. Например, можно переместить рисунок из редактора Paint в любое место документа WordPad.

Запуск и завершение программ сами по себе на содержимое буфера обмена никак не влияют. Каждое последующее занесение в буфер какой бы то ни было информации уничтожает предыдущее содержимое. Один и тот же фрагмент можно вставлять в документы несколько раз: при вставке содержимое буфера обмена не меняется.

Способы помещения объектов в буфер обмена

Во всех приложениях Windows схема работы с буфером обмена стандартизирована. Для занесения информации в буфер и ее извлечения оттуда в меню Правка имеются команды Вырезать, Копировать, Вставить. Команда Вырезать помещает выделенную информацию в буфер, удаляя при этом ее оригинал. Команда Копировать помещает выделенную информацию в буфер, сохраняя ее в оригинале. Команда Вставить извлекает информацию из буфера. Во многих приложениях этим командам соответствуют кнопки на панели инструментов. Так же их можно вызвать, используя контекстное меню). Команда Правка/Специальная вставка позволяет выбрать формат данных, в котором они вставятся из буфера обмена.

Клавиша Print Screen копирует графический образ всего экрана в виде растровой картинки в буфер обмена. Затем можно вставить эту картинку в документ какого-либо графического редактора, например, Paint, отредактировать и сохранить. Клавиша Alt+Print Screen копирует в буфер обмена только активное окно.

Технология внедрения и связывания объектов OLE

Более гибким способом обмена данными между приложениями Windows является технология OLE (Object Linking and Embedding — связывание и внедрение объектов). Технология OLE — это возможность использовать в одном документе объекты разного происхождения, например, текст, фотографии, музыку и т. д. Основное достоинство технологии OLE состоит в том, что она позволяет организовать передачу данных практически между любыми приложениями.

Технология OLE определяется правилами (протоколом) взаимодействия Windows-приложений. Базовый вариант технологии OLE был впоследствии расширен до версии OLE 2.0, которая в настоящее время является наиболее используемой. Объектом OLE называется произвольный элемент, созданный средствами какого-либо приложения Windows, который можно поместить в документ другого приложения. Это может быть весь документ или его фрагмент.

OLE-серверы и OLE-клиенты

Приложение, средствами которого создается объект OLE, называется сервером OLE (приложение-источник). Приложение, принимающее объект OLE, называется клиентом OLE (приложение-приемник). Полностью технологию OLE поддерживают не все Windows-приложения, а только те, которые предназначены для разработки составных документов. Одни приложения могут исполнять только роль OLE — сервера, другие — OLE — клиента. Например, текстовый редактор WordPad может исполнять функции и OLE-сервера, и OLE-клиента, так как он предназначен для создания документов, в которых могут быть рисунки, звуки, таблицы, видеоклипы и

Графический редактор Paint предназначен для подготовки несложных рисунков, он может работать по технологии OLE только как приложение-источник. Текстовый процессор Word представляет собой сложный комплекс и фактически включает в себя несколько приложений: редактор рисунков, редактор формул, текстовый редактор и др. Эти приложения по-разному используют технологию OLE. Редактор формул действует только как приложение-источник (OLE-сервер), а текстовый редактор может выступать как в роли источника, так и в роли приемника (OLE-клиента).

Просмотреть список действующих в системе OLE-серверов можно, выполнив команду Вставка/Объект…

Особенности связывания и внедрения объектов

Особенность обмена объектами состоит в следующем. При выполнении связывания (linking) объект существует только в приложении-источнике, а приложение-приемник содержит лишь указатель (ссылку) на его местоположение. При изменении объекта в исходном документе соответствующим образом изменяется связанная с ним копия в другом приложении. Например, можно связать электронную таблицу с текстовым документом. Изменения, выполняемые в программе обработки электронных таблиц, будут автоматически воспроизводиться в текстовом документе.

Когда же выполняется внедрение (embedding), в целевой документ вставляется копия объекта и требуется дополнительный объем памяти для ее хранения. Никакой связи между копиями объекта не сохраняется: изменение одной копии никак не влияет на остальные копии объекта.

При связывании объектов размер целевого документа практически не увеличивается (в отличие от внедрения), так как указатель на местоположение объекта занимает мало места. Но при этом надо следить за тем, чтобы все связанные объекты хранились в тех папках, в которые они были помещены в момент создания связи.

Способы вставки объектов в целевой документ

1. Создание связанного или внедренного объекта на основе данных из существующего файла с помощью команд Вставить или Специальная вставка:

• в приложении-источнике выделить объект, который необходимо внедрить или связать и поместить его в буфер обмена;

• в приложении-приёмнике курсором указать место вставки объекта, выполнить команду Правка/Вставить (произойдет внедрение объекта) или Правка/Специальная вставка… Также можно использовать контекстное меню;

• в случае выбора команды Правка/Специальная вставка… на экране появится диалоговое окно Специальная вставка, в котором надо выбрать формат вставляемого объекта^[11]. Например, если был скопирован текст из документа Word, то выбрать Объект Документ Microsoft Word;

• для отображения связанного объекта в виде значка установить флажок в виде значка;

• для создания внедренного объекта установить переключатель Вставить, а для создания связанного объекта — Связать;

• нажать кнопку ОК, в указанное место будет внедрён объект из приложения-источника.

Рис. Окно Специальная вставка

2. Создание внедрённого объекта из коллекции объектов или создание нового внедрённого или связанного объекта:

• указать в составном документе место внедрения;

• выполнить команду Вставка/Объект;

• на экране появится диалоговое окно Вставка объекта с двумя вкладками Создание и Создание из файла. Вкладка Создание позволяет создать новый объект и внедрить его. В списке Тип объекта следует выбрать приложение (OLE-сервер), с помощью которого будет создаваться объект, который после выхода из приложения-источника будет вставлен в приложение-приемник. В этом списке отображаются только установленные на данном компьютере программы. При выборе вкладки Создание из файла можно вставить или связать объект, ранее созданный и сохраненный на диске в виде отдельного файла. В списке Имя файла нужно ввести имя файла, из которого будет создан связанный или внедренный объект или нажать кнопку Обзор для выбора файла из списка. Для создания связанного объекта установить флажок Связь с файлом. Для отображения связанного объекта в виде значка установить флажок В виде значка;

• нажать кнопку ОК.

Не разрешается применять команду Вставка/Объект для вставки графики и некоторых типов файлов. Для вставки графики в Word рекомендуется использовать команду Вставка/Рисунок.

Объекты, у которых связи с их приложениями незначительно увеличивают объем создаваемого документа, воспринимаются некоторыми приложениями только как внедренные. Например, при вставке фрагмента рисунка графического редактора Paint, после выполнения команды Вставка или Специальная вставка произойдет внедрение объекта.

Рис. Окно Вставка объекта

Редактирование объекта

При просмотре или распечатке составного документа связанный объект ничем не отличается от внедрённого. Различие проявляется лишь при их редактировании. Объект, внедрённый по технологии OLE, можно редактировать в приложении-приемнике следующими способами:

• вызвать контекстное меню и выбрать соответствующий инструментарий редактирования;

• дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на внедренном объекте.

• Изменить связанный объект можно, отредактировав документ-источник, в котором он размещен. Это можно осуществить одним из двух способов:

• открыть документ-источник непосредственно в среде приложения — источника;

• открыть документ-источник из составного документа, где находится связанный объект. Открытие можно осуществить либо с помощью контекстного меню, либо двойным щелчком кнопки мыши на этом объекте.

Поскольку связанные объекты хранятся отдельно от составного документа в своих документах-источниках, важно иметь сведения о связях составного документа. Просмотреть, обновить и изменить связи составного документа можно в диалоговом окне Связи. Его можно вызвать, например, в приложении Word, командой Правка/Связи.

Если команды Связи нет в наличии, это означает, что данный файл не содержит связанных данных. Диалоговое окно Связи содержит следующую информацию о связях данного объекта:

Рис. Окно Вставка объекта

При автоматическом обновлении связанный объект в составном документе изменяется сразу, как только произведена его коррекция в документе — источнике. При ручном обновлении необходимо явное указание со стороны пользователя. Из списка Исходный файл выбирается источник для связанного объекта, а затем выполняется команда Обновить. Для выделения нескольких связанных объектов, не опуская клавишу Ctrl, надо выбрать каждый связанный объект.

Лекция 7

Компьютерные вирусы и средства защиты

_{(Материал устарел, но по-прежнему актуален.)}

Компьютерный вирус — это небольшая программа, выполняющая несанкционированные действия на компьютере. Компьютерный вирус инфицирует компьютер, встраиваясь в другую программу или в документ, или в определенные области носителя данных (винчестер) при каких-то условиях он активизируется, например, запускается в определенный день.

Выделяют три типа вирусов: программные вирусы, загрузочные вирусы, макровирусы.

Программные вирусы внедряются в другие прикладные программы и активизируется при запуске этих программ. Программные вирусы инфицируют компьютер при запуске непроверенных программ на внешнем носителе (дискета, компакт-диск). Распространенным способом инфицирования компьютера, является чтение инфицированного письма, присланного по электронной почте. Знаменитым вирусом этого типа, является вирус "I love you", появившейся в мае 2000 г. запуске происходит активизация имплантированного вируса.

Загрузочные вирусы отличаются от программных методом распространения. Они поражают не программные файлы, а определенные системные области магнитных носителей (дискеты, винчестеры). На включенном компьютере они могут временно располагаться в основной памяти. Обычно заражение происходит при попытке загрузки компьютера с магнитного носителя, системная область которого содержит загрузочный вирус. При загрузке компьютера с дискеты происходит сначала проникновение вируса в оперативную память, а затем в загрузочный сектор винчестера. Далее этот компьютер сам становится источником распространения загрузочного вируса.

Макровирусы поражают документы, выполненные в некоторых прикладных программах, имеющих средства для исполнения так называемых макрокоманд. В частности, к таким документам относятся документы текстового процессора Microsoft Word и Microsoft Excel. При открытии такого документа вирусы активизируются, переносятся на компьютер и внедряются в шаблоне "Обычный". После этого каждый сохраняемый документ заражается вирусом, а когда другие пользователи открывают зараженный документ, вирус переносится на их компьютеры. Word или Excel не выполняют проверку гибкого, жесткого или сетевого диска на предмет поиска и уничтожения вирусов в макросах. Тем не менее, при открытии в Word любого документа, который содержит макросы и, следовательно, может содержать вирусы, выводится предупреждение, и пользователю предлагается принять решение, как следует открыть документ: с макросами или без них.

Если ожидается, что документ содержит полезные макросы (например, форму заказа, используемую в данной компании), можно открыть документ вместе с макросами. Однако если считается, что в документе не должно быть макросов, или источник документа не внушает доверия, целесообразно открыть документ без макросов, чтобы предотвратить возможное заражение. Например, следует проявлять подобную осторожность при открытии содержащих макросы документов, вложенных в сообщения электронной почты, или полученных с малознакомого узла Интернета. Чтобы отключить обязательную проверку документов Word или Exel на наличие макросов, которые могут содержать вирусы, снимите флажок "Всегда выводить это окно" при открытии документа, содержащего макросы в предупреждающем диалоговом окне или выберите в меню "Сервис" команду "Параметры", вкладку "Общие" и снимите флажок "Защита от вирусов в макросах" (Word), "Защита от макровирусов" (Excel).

Наиболее разрушительное действие вирусной атаки состоит в форматировании винчестера, что ведет к полной потере данных. Для защиты компьютера от вирусов разрабатывается и постоянно обновляется специальное прикладное программное обеспечение, называемое антивирусными программное обеспечение. Основным средством антивирусной защиты является периодическая проверка компьютера с помощью антивирусного программного обеспечения. В случае если произошло инфицирование компьютера вирусом, неизвестным антивирусному программному обеспечению и если существует реальная угроза потери ценных данных или эта потеря уже произошла, то переформатируют винчестер, устанавливают заново операционную систему и восстанавливают данные с резервной копии.

Резервные копии сохраняют на внешних носителях, хранящихся в сейфах. При разработке организационного планарезервного копирования, как правило, создают две резервные копии. Таким образом, надежная антивирусная защита с помощью антивирусного программного обеспечение требует его постоянного обновления. Допустимая периодичность обновления составляет три месяца. Наиболее популярным программным обеспечением являются: Антивирусная система Касперского, DrWEB, AidTest и др.

Архивирование данных

Для организации компьютерных архивов используется специальное программное обеспечение, называемое архиваторами. Характерной особенностью различных форматов, в которых хранятся данные на компьютере, является повторяемость некоторых порций информации, которую можно трактовать как некоторую избыточность.

Степень избыточность различных форматов сильно отличаются, так избыточность графических форматов значительно выше текстовых.

Архиваторы, во-первых, позволяют сжать данные, устранить избыточность, а во-вторых, организовать архив под одним именем из нескольких объектов, например файлов. В целом эти возможности обеспечивают эффективное хранение и доступ данным. Рекомендуется создавать архивы при пересылке данных по компьютерным сетям.

Существует три основных способа устранения избыточности: изменение содержания, изменение структуры данных, изменение содержания и структуры. Если происходит изменение содержания, то при восстановлении файла из архива происходит его частичная утрата.

Такие методы называются методами сжатия с регулируемой потерей информации. Они применимы только для тех типов, для которых формальная утрата части содержания не приводит с значительному снижению потребительских свойств, прежде всего, к мультимедийным данным. Такие методы нельзя применять к текстовым документам, базам данных и программам.

Если при сжатии, т. е. устранении некоторой избыточности, происходит только изменение их структуры, то метод сжатия обратим.

Существует много форматов архивированных данных, самыми популярными на сегодняшний день являются ZIP, ARJ, RAR. Программные средства, предназначенные для создания и обслуживания архивов, выполненных в данных форматах, называемые диспетчерами архивов следующие: WinZip, WinRAR, WinArj, ZipMagic.

Базовыми функциями диспетчеров архивов являются:

• извлечение файлов из архивов;

• создание новых архивов;

• добавление файлов в имеющийся архив;

• создание самораспаковывающихся архивов;

• создание распределенных архивов на носителях малой емкости (дискета);

• тестирование целостности архивов;

• полное или частичное восстановление поврежденных файлов;

• защита архивов от просмотра и несанкционированной модификации.

Самораспаковывающиеся архивы создают, когда имеются сомнения в наличии у того, кто будет им пользоваться требуемого диспетчера архива.

В этом случае архив получает расширение .EXE, характерное для загрузочных модулей программ. Пользователь архива может запустить его как программу, после чего начнется его распаковка.

Распределенные архивы создают, когда архив создается на носителях малой емкости, например дискетах и он весь не умещается на одном носителе. Диспетчер WinZip выполняет сразу разбиение на архива на дискетах, причем имена всех фрагментов совпадают, что не позволяет по названиям файлов правильно выстроить фрагменты в последовательность.

Поэтому каждую дискету надо маркировать на наклейке и аккуратно складывать дискеты в нужном порядке. Также номер фрагмента архива можно узнать по так называемой метке тома (дискеты), становящейся видимой при просмотре свойств носителя в программе Explorer (Проводник).

WinRAR и WinArj позволяют выполнить предварительное разбиение архива на фрагменты заданного размера на жестком диске, а потом их можно будет скопировать на дискеты. Эти диспетчеры создают фрагменты распределенного архива под разными именами и поэтому не возникает проблем аналогичных с использованием WinZIP.

Следует помнить, что гибкие носители являются ненадежными, поэтому желательно хранить две копии архива.

Защита архивов выполняется с помощью пароля, который запрашивается при попытке просмотреть, распаковать или изменить архив. Защита с помощью пароля считается ненадежной и поэтому ее не следует применять в работе с особо ценной информацией.

WinZip, WinRAR и WinArj позволяют выполнить предварительное разбиение архива на фрагменты заданного размера на жестком диске, а потом их можно будет скопировать на дискеты.

Лекция 8

Понятие компьютерной сети

Компьютерной сетью называется два и более компьютера, взаимодействующих через среду передачу данных. Под средой передачи данных будем понимать кабельную систему (например, обычный телефонный провод, оптический волоконный кабель) и различные типы беспроводной связи (инфракрасное излучение, лазер и специальные виды радиопередачи).

Компьютеры, входящие в сеть, могут совместно использовать данные, принтеры, факсимильные аппараты, модемы и другие устройства.

Этот список можно пополнять, так как возникают новые способы совместного использования ресурсов. Компьютерные сети отличаются сложностью и сферой деятельности. Вследствие этого они классифицируются различными способами. Однако наиболее распространенный способ оценки сетей основывается на размерах географической площади, покрываемой сетью. Первоначально компьютерные сети были небольшими и объединяли до десяти компьютеров и один принтер.

Технология ограничивала размеры сети, в том числе количество компьютеров в сети и ее физическую длину. Например, в начале 1980-х годов наиболее популярный тип сетей состоял не более чем из 30 компьютеров, а длина ее кабеля не превышала 185 метров. Такие сети легко располагались в пределах одного этажа здания или небольшой организации. Для маленьких фирм подобная конфигурация подходит и сегодня.

Эти сети называются локальными вычислительными сетями ЛВС (LAN, Local Area Network). Самые первые типы локальных сетей не могли соответствовать потребностям крупных предприятий.

Вследствие этого возникла необходимость в расширении локальных сетей. Сегодня, когда географические рамки сетей раздвигаются, чтобы соединить пользователей из разных городов и государств, ЛВС превращаются в глобальную вычислительную сеть ГВС (WAN, Wide Area Network), а количество компьютеров в сети практически не ограничено.

Основное назначение компьютерных сетей — совместное использование ресурсов и осуществление интерактивной связи как внутри одной фирмы, так и за ее пределами.

Ресурсы — это данные, приложения и периферийные устройства, такие, как внешний дисковод, принтер, мышь, модем и джойстик. Понятие интерактивной связи компьютеров подразумевает обмен сообщениями в реальном режиме времени.

Типы сетей

Все сети имеют некоторые общие компоненты, функции и характеристики. В их числе:

• серверы (server) — компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям;

• клиенты (client) — компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемым сервером;

• среда (media) — способ соединения компьютеров;

• совместно используемые данные — файлы, предоставляемые серверами по сети;

• совместно используемые периферийные устройства, например, принтеры, библиотеки CD-ROM и прочие ресурсы — другие элементы, используемые в сети;

Несмотря на определенные сходства, сети разделяются на два типа:

• одноранговые (peer-to-peer);

• на основе сервера (server based).

В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера. Каждый компьютер функционирует и как клиент и как сервер. Все пользователи такой сети самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступными по сети.

Если к сети подключено более 10 компьютеров, то одноранговая сеть может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей использует выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер.

Серверы специально специализированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в больших сетях стали специализированными. Например, в сети Windows NT существуют различные типы серверов.

Файл-серверы и принт-серверы

Файл-серверы и принт-серверы управляют доступом пользователей к файлам и принтерам. Например, чтобы работать с текстовым процессором, Вы прежде всего должны запустить его на своем компьютере. Документ текстового процессора, хранящийся на файл-сервере, загружается в память Вашего компьютера, и, таким образом, Вы можете работать с этим документом на своем компьютере. Другими словами, файл-сервер предназначен для хранения файлов и данных.

Серверы приложений

На серверах приложений выполняются прикладные части клиент-серверных приложений, а также находятся данные, доступные клиентам.

Например, чтобы упростить извлечение данных, серверы хранят большие объемы информации в структурированном виде. Эти серверы отличаются от файл-серверов. В последних файл или данные целиком копируются на запрашивающий компьютер. В сервере приложений на запрашивающий компьютер пересылаются только результаты запроса. То есть в место всей базы данных на Ваш компьютер с сервера загружается только результат запроса, например, Вы можете получить список студентов, имеющих средний бал за успеваемость равный 4,5.

Почтовые серверы

Почтовые серверы управляют передачей электронных сообщений между пользователями сети.

Факс серверы

Факс-серверы управляют потоком входящих и исходящих факсимильных сообщений через один или несколько факс-модемов.

Коммуникационные серверы

Коммуникационные серверы управляют потоком данных и почтовых сообщений между этой сетью и другими сетями или удаленными пользователями через модем и телефонную линию.

Следует отметить, что компьютер в сети клиент/сервер может быть сервером для одного типа приложений и клиентом для другого. Существуют также и комбинированные сети, обедняющие свойства и одноранговых сетей и сетей на основе сервера.

Топология сети

Топология сети характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет на состав необходимого сетевого оборудования и на его характеристики, на возможности расширения сети, на способ управления сетью.

Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель.

Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющего другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров. Каждая топология сети налагает ряд ограничений. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки.

Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия.

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

• шина;

• звезда;

• кольцо.

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля, называемого сегментом или магистралью, топология называется шиной.

Если компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, топология называется звездой. В том случае когда, кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология называется кольцом.

Лекция 9

Введение в ИНТЕРНЕТ

Что такое Интернет?

Интернет — это глобальная СЕТЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ, соединенных КАНАЛАМИ СВЯЗИ и передающих информацию друг другу по определенным правилам, называемых ПРОТОКОЛАМИ. В качестве каналов связи могут использоваться обычные телефонные линии. В этом случае для подключения компьютера к сети используется устройство, называемое МОДЕМОМ (от комбинации слов модуляция/демодуляция). Предоставляют доступ к сети Интернет фирмы или организации, называемые ПРОВАЙДЕРАМИ (от английского provide — обеспечивать).

Рождение Интернет относят к 1969 году. Сеть Интернет (Internet) можно описать как огромную цифровую магистраль — систему, связывающую миллионы компьютеров, подключенных к тысячам сетей по всему миру. Ее прошлое уходит своими корнями в эпоху холодной войны, конец 60-х — начало 70-х годов. Первоначально данные разработки финансировались правительством США, и сеть, ставшая предшественницей Internet, была специально спроектирована таким образом, чтобы обеспечить коммуникации между правительственными узлами в том случае, если часть ее выйдет из строя в результате ядерной атаки. Применяемый в ней алгоритм управления передачей информации (межсетевой протокол) был разработан так, чтобы компьютеры всех видов могли совместно использовать сетевые средства и непосредственно взаимодействовать друг с другом как одна эффективно интегрированная компьютерная сеть. Сегодня Internet сильно разрослась и связывает уже десятки миллионов пользователей компьютеров во всем мире. Эта глобальная "сеть сетей" охватывает тысячи университетских, правительственных и корпоративных сетевых систем, связанных высокоскоростными частными и общедоступными сетями.

Internet позволяет легко взаимодействовать друг с другом самым различным видам компьютерных систем. Каким же образом это происходит? Благодаря стандартам. В Internet применяются стандартизованные методы передачи данных, позволяющие скрыть от пользователя все многообразие сетей и машин.

Наиболее фундаментальным стандартом, применяемым в Internet, является набор сетевых протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), определяющих алгоритмы передачи данных. Поскольку все компьютеры взаимодействуют с Internet через TCP/IP, нет необходимости в сложном и дорогостоящем преобразовании протоколов, что значительно упрощает операции в Internet. Протокол TCP/IP не зависит от конкретной операционной системы и, таким образом, реализуется для всех типов компьютеров — IBM, APPLE и др.

TCP/IP позволяет присвоить каждому компьютеру уникальный адрес Internet. Такой адрес называется IP-адресом или адресом TCP/IP и выполняет ту же роль, что и обычный телефонный номер, то есть позволяет установить связь между двумя пунктами сети. Например, адрес TCP/IP 137.65.1.3 идентифицирует в сети один из основных информационных компьютеров корпорации NOVELL. Однако в большинстве случаев пользователи Internet применяют более удобную адресацию, называемую системой имен доменов (Domain Name System, DNS). DNS — это иерархический распределенный метод организации пространства имен в Internet, который позволяет уйти от цифровой адресации и дает ряд других преимуществ. Например, вместо указания адреса TCP/IP 137.65.1.3 пользователи могут применять ассоциированное с этим адресом имя www.novell.com.

На этих базовых стандартах основываются другие стандарты, такие как протокол электронной почты SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). SMTP дает возможность подключенным к Internet пользователям обмениваться электронной почтой. Благодаря этому и другим стандартам можно передавать электронную почту из одного места в другое, причем не только сообщения, но и программы, графику,

Звук, видео и другие типы данных.

Важную функцию в Internet реализуют стандарты, позволяющие "публиковать" информацию — размещать ее на специальных компьютерах (хост-узлах сети), где с ней могут работать другие пользователи. Система компьютеров, публикующих такую информацию, называется World Wide Web, а протокол, составляющий основу Web — протоколом передачи гипертекста (HTTP — Hypertext Transfer Protocol). Если TCP/IP дает возможность пользователям обращаться к хост-узлам Internet, то HTTP обеспечивает их доступ к документам World Wide Web (WWW).

World Wide Web — наиболее новая и самая быстро развивающаяся сегодня служба Internet. Она имеет почти неограниченный потенциал в плане сбора, распространения и изучения информации. Обеспечиваемые ею графические межплатформенные средства завоевывают все большую популярность у пользователей и компаний, которым необходимо собирать информацию, обмениваться своими идеями и самим предлагать коммерческую информацию в Internet.

Система World Wide Web была впервые разработана Тимом Бернерсом-Ли из Европейской лаборатории физики элементарных частиц (CERN) в Женеве (Швейцария) как способ организации информации для ее научных сотрудников. Информация на Web-серверах хранится в виде набора документов. Каждый документ содержит гипертекстовые ссылки, с помощью которых пользователь может обращаться к информации в других документах по данной теме. Таким образом, выбирая выделенные слова, изображения и графические элементы в тексте документа, пользователи способны перемещаться в любом направлении и прозрачным образом "перескакивать" на другие интересующие их документы (независимо от того, где эти документы находятся).

Такая технология позволяет наряду с текстом включать в Web-документы графику, звук и видеоизображения. Перемещаясь по огромным массивам электронных документов, хранящихся на тысячах серверов в Internet, пользователи, которые ищут конкретную информацию, могут фактически путешествовать по всему свету. Для этого им достаточно выбирать ссылки в документах и прозрачным образом переходить к нужной информации.

Web-документы создаются с помощью гипертекстового языка описания документов HTML (Hypertext Markup Language). Такие документы могут содержать графику и гипертекстовые ссылки. При щелчке на ней мышью гипертекстовая ссылка выводит пользователю другой документ. Таким образом, эта ссылка содержит "указатель" на документ, который становится доступным при нажатии кнопки мыши. Такой указатель носит название унифицированного указателя ресурса — URL (Uniform Resource Locator). Указатели URL обычно описывают транспортный протокол документа (например, HTTP или FTP) и имя хост-компьютера, на котором он находится. Кроме того, указатели URL могут включать в себя маршрут доступа к документу на данном компьютере. Эти маршруты указываются в конце строки URL.

Поиск и чтение информации во всемирной паутине WWW осуществляют с помощью специальных программ. Протокол передачи гипертекста HTTP позволяет этим программам обращаться к файлам на любом Web-сервере. Например, по URL www.fss.ru можно попасть на web-сервер Фонда Социального Страхования, где содержится различная информация.

Существует и ряд других базовых средств, позволяющих передавать живую речь (телефония Internet), проводить видеоконференции, осуществлять коллективную работу над одним проектом и т. п. Однако основой технологий Internet, обеспечившей этой глобальной компьютерной сети широкое распространение, популярность и эффективность, являются TCP/IP и World Wide Web (WWW) или «Всемирная паутина».

Единое информационное пространство Интернет (Internet) не только сокращает громадные расстояния, но и разрывает национальные и классовые границы, обеспечивает каждому индивидууму возможность для самовыражения и удовлетворения различных духовных потребностей.

Интернет (Internet) и интрасети (Intranet) — локальные компьютерные сети предприятия, внутри которых используются технологии Internet предоставляют беспрецедентные возможности повышения продуктивности работы, продажи товаров и услуг на новых быстро расширяющихся рынках, а также реализуют недорогой способ глобальных коммуникаций, как внутри предприятия, так и вне его. Технологии Internet/intranet осваивают малые и большие предприятия, коммерческие фирмы, банки, правительственные организации, учреждения образования, науки, культуры, здравоохранения и других сфер человеческой деятельности. Осваивают их и многочисленные отдельные пользователи, а также просто граждане, открывающие для себя впечатляющие возможности коллективной работы и глобального доступа к информации.

Новые информационные технологии меняют не только методы и формы деятельности. Они изменяют мышление и психологию людей, создают предпосылки для эволюции человечества от общества постиндустриального к обществу информационному.

Естественно, что все эти сегодняшние и, еще большие, грядущие изменения затрагивают философию и психологию взаимоотношений, способы и формы деятельности людей и в профессиональных сферах.

Простота доступа к информации, ее безбумажный характер, высокая скорость обмена данными между сотрудниками предприятия, возможность для деловых оперативных коммуникаций с "внешним миром" оказывают существенное влияние, прежде всего, на методы и формы системы управления. Суть этих изменений сводится к демократизации процессов подготовки и принятия управленческих решений, более высокому уровню их аналитичности и обоснованности, повышению роли каждого сотрудника в управлении предприятием, высокой степени доступности управленческой информации, сглаживанию границ субординации и т. п.

Внедрение новых информационных технологий на предприятии должно сопровождаться изменением его структуры и методов управления. Данное утверждение можно обосновать, по крайней мере, тремя следующими факторами.

Во-первых, новые технологические средства дают весомый экономический эффект лишь при реорганизации методов работы. Иначе они будут лишь модными игрушками.

Во-вторых, информационные технологии позволяют в существенно большей мере использовать интеллектуальный потенциал сотрудников предприятия. Важно также отметить, что высококвалифицированные специалисты при выборе места работы, как показывают социологические исследования, придают большее значение использованию на предприятиях новых технологий труда, чем даже уровню заработной платы.

В третьих, широкое распространение новых информационных технологий меняет методы и средства взаимодействия, формы взаимоотношений на рынках товаров и услуг, например, в многочисленных цепочках "Заказчик-Поставщик", "Продавец-Покупатель" и т. п. Если сотрудники предприятия не используют технологий Internet в рекламе, маркетинге, финансовой, снабженческой и других сферах управленческой деятельности, то скоро с ними перестанут сотрудничать даже из-за проблем коммуникации.

Предприятие, не учитывающее эти и ряд других сопутствующих требований современного общества, вряд ли будет процветать.

Кто же может работать в Internet? В настоящее время Internet — это общедоступная сеть, открытая для любого пользователя, имеющего модем и/или инсталлированное программное обеспечение для работы по стандартному протоколу передачи данных в сети. Допуск в Internet для организации или частного лица через постоянное сетевое соединение или коммутируемую линию (обычный телефон) предоставляется так называемым провайдером услуг Internet (Internet Service Provider — ISP). Круглосуточный доступ к Internet имеют уже порядка 100 миллионов пользователей в 96 странах мира, и их количество растет лавинообразно. Поскольку все больше людей обращаются к ней для коммуникаций друг с другом и получения информации, компании, подключенные к этой глобальной компьютерной сети, открывают множество новых возможностей для своего бизнеса.

Internet функционирует, не имея никакой центральной организации, которая осуществляла бы управление или руководство ею, за исключением, разве что, Центра сетевой информации Internet — InterNIC (Internet Network Information Center), организации, предлагающей информационные и регистрационные услуги для пользователей Internet.

«Всемирная паутина» сегодня это не только огромное количество разнообразной информации, но и новые мультимедийные технологии ее передачи, позволяющие говорить об Интернет как о «виртуальной» реальности — новом способе общения и сосуществования людей.

Навигация по Интернет

После установления связи компьютера пользователя с сетью, например, через сеансовое подключения к серверу^[12] провайдера по телефонному каналу, для путешествия по просторам Интернет необходимо запустить специальную программу-проводник. Эти программы часто называют БРАУЗЕРАМИ (от англ. browse — листать, просматривать) или обозревателями. Наиболее широко распространены браузеры Netscape Communicator и Microsoft Internet Explorer. Эти программы, хотя и разработаны фирмами-конкурентами, для начинающего пользователя очень похожи.

БРАУЗЕРы позволяют просматривать гипертексты, получаемые из Интернет по указанным пользователем адресам. ГИПЕРТЕКСТ — это текст, содержащий ССЫЛКИ. Основным признаком нахождения пользователя в гипертексте появление на экране монитора указателя мыши в форме кисти  руки человека.

Гипертекстовое содержимое WWW создается с помощью языка разметки гипертекстовых документов — HTML (HyperText Markup Language).

Полезную информацию при работе с браузером пользователь может получить из СТРОКИ СОСТОЯНИЯ, которая находится в нижней части окна. Профессиональная работа с Netscape Communicator и Internet Explorer обязательно включает в себя умение разбираться в надписях, появляющихся на этой строке. В процессе работы с Интернетом в строку состояния периодически выводятся сообщения об адресах источников информации, режиме ожидания, готовности запрошенного документа и ряд других полезных сведений.

Для того, чтобы получить документ из Интернет, можно в написать адрес этого документа в поле ввода «Адрес» нажать на клавишу Enter, передав тем самым указанный адрес браузеру:

Необходимые адреса либо берутся из справочников, либо конструируются пользователем, исходя из понимания структуры адреса и интуиции, либо находятся с помощью специальных средств поиска информации в Интернет.

Структура адресов WWW

В Интернет используются два типа адресов:

• адреса компьютеров (узлов Интернет);

• адреса информационных ресурсов, расположенных на этих компьютерах.

Каждый из множества ПК, входящих в Интернет, имеет свой собственный уникальный адрес IP. Это цифровой адрес, состоящий из четырех групп цифр, например, 212.193.2.201 — адрес сервера Санкт-Петербургского отделения института «Открытое общество». Для удобства IP-адресам поставлены в соответствие символьные или ДОМЕННЫЕ адреса: сервер СПб отделения ИОО имеет адрес www.spb.osi.ru. Домен — это множество компьютеров, имеющих общую часть имени. Составные части доменного адреса называются СЕГМЕНТАМИ: <сегмент>.<сегмент>… <сегмент>.

Сегменты образуют иерархическую систему и самый последний (правый) называется именем доменом верхнего уровня. Среди доменов верхнего уровня различают географические и тематические. Географические доменные имена верхнего уровня — двухбуквенные. Они определяют принадлежность владельца имени к сети конкретной страны (например www.spb.ru —) Тематические адреса дают возможность представить сферы деятельности их владельцев: соm — коммерческие фирмы (на пример, www.microsoft.сот); edu — образовательные учреждения; gov — государственные, mil — военные, org — прочие организации.

Информационным ресурсам ставят в соответствие URL-адреса (от англ. Uniform Resource Locator — универсальный адрес ресурса). URL-адрес состоит из двух частей, разделяемых двоеточием. Первая (левая) часть указывает на то, к КАКОМУ ТИПУ принадлежит ресурс и КАК получить к нему доступ, т. е. определяет конкретный сетевой протокол. Вторая часть URL-адреса сообщает, ГДЕ расположен искомый ресурс. Таким образом, URL содержит информацию не только о том, ГДЕ данный ресурс расположен, но и КАК к нему следует обращаться. Пример URL-адреса: http://www.spb.osi.ru.

ВАЖНО: без особой необходимости нет надобности указывать префикс HTTP://.

Браузер сам добавит эти символы, резонно «полагая», что если пользователь путешествует по WWW, его интересуют скорее всего гипертекстовые ресурсы и, стало быть, к ним нужно обращаться по протоколу HTTP (hyper text transfer protocol) — оптимизированному для работы с гипертекстовыми ресурсами Интернет.

Работа со списками адресов

Если страница, на которую Вы попали, путешествуя по Интернет, представляет интерес, ее адрес можно запомнить, используя кнопку панели инструментов «Избранное» или пункт меню «Избранное», которые обеспечивают доступ к формируемому пользователем списку адресов. Этот список может в дальнейшем редактироваться, адреса можно систематизировать по папкам, подобно тому, как это делается с файлами, наконец, адреса или их часть можно как файлы переносить на дискетах, пересылать по электронной почте или экспортировать в файл избранных адресов другого браузера для использования на других компьютерах. Используйте для этого обычные приемы работы с файловой системой: выделение группы адресов или папок; перенос выделенных объектов в другую папку или диск, а также возможности, предоставляемые меню «Файл» или локальным меню, вызываемым нажатием на правую кнопку мыши, когда курсор находится в пределах окна избранных адресов.

Перемещение в Интернет протоколируется браузером, что может быть использовано как для поиска ранее посещенных адресов, которые не были внесены в список избранных, так и для простого контроля работы пользователя. В браузере Internet Explorer списки посещенных адресов доступны через кнопку панели инструментов «Журнал». Они группируются по сайтам и времени, что удобно при работе с протоколом.

Рис. Работа с папкой «Избранное» в Internet Explorer ^[13]

Рис. Работа с папкой «Журнал» в Internet Explorer ³

Проблема кодировок кириллицы

Информация в компьютере хранится и обрабатывается в цифровом виде. Исторически сложилось, что имеются различные таблицы кодировок, т. е. правила сопоставления символам соответствующих им цифровых кодов, для русского и других национальных алфавитов: Windows (СР1251), KОI8, DOS (СР866) ISO-8859-5 и др.

Вследствие этого порой текст в окне браузера оказывается невозможно прочесть. Обычно затруднение можно преодолеть, выбрав подходящую кодировку через меню «Вид/Выбор кодировки». Если это не помогает, нужно попытаться найти гиперссылку, позволяющую получить документ в «читаемой» кодировке, если, разумеется, разработчик это сайта такую возможность предусмотрел. Гиперссылки (WIN, KOI, ENG и т. п.), позволяющие выбрать кодировку, в которой документы будут загружаться с сайта, часто имеются на стартовой странице сайта, и это считается негласным правилом. Современные браузеры Internet Explorer и Netscape Communicator в большинстве случаев автоматически настраиваются на правильное соответствие кодировки загружаемого документа и кодировки, в которой этот документ отображается.

Рис. Установка подходящей кодировки кириллицы в Internet Explorer

Работа с электронной почтой

Пользователи Интернет имеют возможность обмениваться информацией друг с другом с помощью электронной почты — E-mail — одного из самых популярных и дешевых сервисов. В Интернет есть много сайтов, предоставляющих почтовые ящики и услуги электронной почты бесплатно с доступом через WWW (т. е. по протоколу http), как и к другим гипертекстовым страницам, например, www.mail.ru, www.hotmail.ru, www.hotmail.com.

Кроме того, многие провайдеры информационных услуг предоставляют клиентам возможность иметь собственный почтовый ящик бесплатно, например, www.yahoo.com, www.yandex.ru, www.atrus.ru. Почтовые услуги от различных провайдеров различаются сервисом и объемом дискового пространства для хранения корреспонденции.

Для получения собственного почтового ящика необходимо:

• выбрать сайт, предоставляющий почтовые услуги (например, www.mail.ru);

• зарегистрироваться в качестве нового пользователя, сообщив некоторые сведения о себе.

Результатом регистрации является создание личного почтового ящика, доступ к которому обеспечивается через выбранные Вами Имя пользователя (Login) и Пароль.

Лекция 10

Настройка электронной почты в Outlook Express

Этот раздел мы начнем с очень краткого совета, каким образом вы можете получить адрес электронной почты и соответствующую учетную запись на почтовом сервере провайдера.

Как получить адрес электронной почты

Согласно распространенной практике, получение адреса электронной почты является стандартной услугой, которую предоставляют провайдеры при заключении договора на подключение к Интернету по телефонной линии (Dial-Up). При этом пользователь получает свой адрес E-mail, а сотрудник провайдера заносит этот адрес в список пользователей почтовых серверов, заведя тем самым соответствующую учетную запись пользователя на этих серверах. Сейчас мы перечислим, какие сведения необходимо иметь для начала работы с электронной почтой, используемой через коммутируемое соединение:

• ваш адрес электронной почты (адрес вида ваше_имя@имя_провайдера. ru),

• тип сервера входящей почты (POP или IMAP) и имя этого сервера входящей почты,

• имя сервера исходящей почты (сервер SMTP),

• ваше имя для учетной записи почты (также называемое как имя входа в систему или имя пользователя — login name или user name), — обычно то же самое, что при подключении к Интернету,

• пароль, который вы используете, чтобы обратиться к вашей электронной почте (обычно тот же самый, что при подключении к Интернету),

• сведения о том, поддерживает ли ваш сервер почты защищенный режим передачи пароля Secure Password Authentication (SPA). Обычно такой режим не поддерживается.

Начальная настройка программы Outlook Express

Если вы ранее уже настраивали на своем компьютере доступ к Интернету для работы с браузером, то программа "Мастер подключения к Интернету" уже запрашивала необходимые для работы Outlook Express сведения, и если вы их ввели, то электронная почта сейчас должна быть готова к действию. В этом случае вы можете перейти к следующему разделу, в котором мы рассмотрим пользовательский интерфейс Outlook Express и затем далее. А если вы пропустили этап настройки почты и новостей при прежнем запуске Мастера, то необходимые для этого действия можно проделать прямо сейчас.

Итак, чтобы начать настройку Outlook Express, достаточно щелкнуть по значку "Запустить Outlook Express" (Launch Outlook Express) на панели задач Windows 98. Иначе программу Outlook Express можно вызвать с помощью последовательности меню Пуск-Программы-Internet Explorer-Outlook Express.

Замечание. Возможно, по каким-либо причинам приложение Outlook Express не установлено на вашем компьютере, но это можно легко исправить, выбрав с помощью последовательности меню Пуск-Настройки-Панель управления — Установка и удаление программ закладку Установка Windows и установив флажок у Microsoft Outlook Express. Поскольку это — стандартная операция установки программных модулей из состава Windows 98, мы не будем на ней останавливаться.

Собственно начальный процесс настройки Outlook Express, необходимый для функционирования сервиса электронной почты, предельно прост, — при первом вызове программы Outlook Express еще раз запускается Мастер подключения к Интернету, который запросит у вас необходимые данные о почтовых серверах и адресе электронной почты, которые вы должны были получить от провайдера.

1. В самом первом окне надо будет ввести ваше имя как абонента электронной почты, которое будет появляться в заголовке писем, когда они придут к адресатам. Обычно пользователи указывают свое настоящее имя, но здесь можно проявить гибкость, и если вы пока не планируете использовать свой адрес для деловой корреспонденции, то можно обойтись и псевдонимом. Кроме того, можно настоятельно рекомендовать записывать свое имя латинским шрифтом, чтобы как избежать проблем неправильного отображения заголовков с русским шрифтом в ряде программ электронной почты (которые могут стоять у ваших коллег по переписке), так и не создавать лишних проблем вашим возможным зарубежным адресатам. Впоследствии, кстати, указанное в этом окне имя можно будет легко изменить с псевдонима на настоящее имя и наоборот, — если в этом возникнет необходимость.

2. В следующем окне вам надо будет ввести ваш адрес электронной почты. Как правило, адрес E-mail состоит из вашего имени и доменного имени провайдера, соединенных с помощью знака @. К примеру, это может быть адрес вида user@narod.ru. Когда вы будете называть свой адрес кому-либо вслух, то знак @ произносится как словосочетание "ат", хотя русские пользователи чаще называют его сленговым термином "собака" (этот сленговый термин для знака @ ведет свою историю со времен самых первых компьютерных игр).

3. Далее Мастер запросит у вас тип сервера входящей почты и доменные имена почтовых серверов провайдера, предназначенных, соответственно, для входящей (POP3) и исходящей почты (SMTP). Введите эти адреса. В случае нашего примера с Peterlink это будут адреса pop.narod.ru и relay2.narod.ru, соответственно. Наличие разных почтовых серверов связано с тем, что сообщения электронной почты пересылаются между узлами Интернета (узлами различных провайдеров) по протоколу SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), а на последнем отрезке между узлом вашего провайдера и вашим компьютером — по ЮР (Post Office Protocol). Введите в соответствующих полях диалогового окна те адреса почтовых серверов, которые получены вами от провайдера при заключении договора. Что касается типа сервера входящей почты, то если ваш провайдер специально не указал данный параметр, то по умолчанию оставьте POP3.

4. Теперь в новом окне укажите сведения об учетной записи вашего соединения — имя пользователя и пароль. Это те же самые сведения, которые вы обычно используете для подключения к Интернету. В данном случае эти сведения нужны для того, чтобы программа Outlook Express могла автоматически дозваниваться до провайдера и устанавливать соединение для отправки и приема электронных писем. В следующем окне, рисунок которого мы пропустим в этом пособии, вам будет предложено ввести "дружественное имя" для данной учетной записи почты. Можете ввести что-нибудь типа "Моя почта на Narod" или оставить ту запись, которая предлагается по умолчанию.

5. В очередном окне укажите тип вашего соединения, — для нашего случая это соединение по модему, хотя если вы применяете Outlook Express в офисе, то там можно использовать и подключение через локальную сеть. Эти соединения будут устанавливаться автоматически, но можно выбрать и третье значение переключателя, предлагающее вручную соединиться с провайдером перед каждым сеансом работы с электронной почты (на взгляд автора, это ненужные хлопоты).

6. Теперь остались два самых последних окна — в одном надо выбрать учетную запись (если у вас всего один провайдер, то и выбор, соответственно, будет невелик), но сегодня нередка ситуация, когда пользователь имеет учетные записи у нескольких провайдеров и плюс учетную запись для модемного доступа к локальной сети своей компании. И наконец, осталось то окно, где нужно подтвердить данные, введенные в предыдущих окнах, щелкнув по кнопке Готово (Finish). После нажатия кнопки Готово Мастер подключения к Интернету завершит процесс настройки Outlook Express.

В принципе, уже можно приступать к обмену почтовыми сообщениями с другими пользователями Интернета. Однако не стоит спешить: поскольку вы только что настроили почту, то для вас вряд ли есть какие-либо сообщения (кроме стандартного поздравления, обычно рассылаемого провайдерами в таких случаях). Поэтому будет лучше, если вы уделите еще некоторое время изучению интерфейса программы и дополнительной настройке почтовой службы Outlook Express. Чуть позже, через раздел, мы поучимся получать и отправлять письма. Далее мы укажем на ряд дополнительных тем по работе с электронной почтой, с которыми вам можно порекомендовать познакомиться самостоятельно, а завершат это пособие небольшие разделы, в котором вы узнаете, как завести себе адрес с бесплатной почтой и расшифровывать поврежденные сообщения e-mail.

Пользовательский интерфейс Outlook Express

Теперь, когда программа Outlook Express настроена на вашего провайдера, порапознакомиться с ее пользовательским интерфейсом. Если вы уже имеете опыт работы с другими программами электронной почты (например, MS Exchange или Eudora for Windows, MS Internet Mail and News и т. д.), то вы вряд ли испытаете какие-нибудь затруднения и в работе с Outlook Express. Если же вы новичок в вопросе электронных коммуникаций — не беда, благодаря очень сильному сходству пользовательских интерфейсов браузера Internet Explorer 4 и приложения Outlook Express вы попадете "в знакомую обстановку" и быстро разберетесь в различных функциях этой почтовой программы.

Несколько слов о том, как интерпретируются значки с различными изображениями конверта в области просмотра:

• Открытый конверт отмечает уже прочитанное вами письмо

• Закрытый конверт плюс жирный шрифт отмечает письмо, которое вы еще не читали

• Скрепка у письма говорит о том, что в письмо вложен отдельный файл (например, документ в формате Word, графический файл и т. д.). Если выделить такое письмо, и щелкнуть по изображению скрепки в правом углу нижней части окна, то будет показано имя файла. Двойной щелчок по имени вложенного файла позволит просмотреть его содержимое с помощью соответствующей программы.

Совет. Изначально интерфейс и область просмотра Outlook Express выглядят очень нарядно, но для эффективной работы стоит немного пожертвовать привлекательностью во имя функциональности. Во-первых, чтобы сберечь место на экране, можно посоветовать сразу же отключить^[14] две панели — самую левую колонку со значками папок (т. к. ее содержимое повторяется левее) и серую строку с надписью Outlook Express над областью просмотра (как не несущую функциональной нагрузки). Для этого выберите в меню Вид (View) пункт Раскладка. Повторный выбор этого пункта меню восстанавливает эти панели. Что еще можно посоветовать, — так это установить в нижней части области просмотра Outlook Express флажок Переходить в папку "Входящие" при запуске (When starting, go directly to my Inbox folder). Тогда сразу после запуска Outlook Express будет переходить к папке «Входящие», что позволит вам быстрее приступить к чтению новых писем.

Почтовые папки Outlook Express

Хотя названия почтовых папок Outlook Express во многом говорят сами за себя, но если вы не имеете опыта работы с почтовыми программами, все же стоит познакомиться с их назначением:

• Входящие (Inbox). Сюда по умолчанию поступает вся новая почта и здесь хранятся все пришедшие сообщения. Впоследствии вы можете создать дополнительные папки (например, посвященные разным проектам или письмам от постоянных адресатов) и настроить Outlook Express таким образом, чтобы при поступлении новых писем вся почта автоматически разбиралась и складывалась в отдельные папки.

• Исходящие (Outbox). Это папка предназначена для временного хранения отправляемых писем. Зачем это нужно? Представьте, что вы подготавливаете несколько писем друг за другом. Чтобы не соединяться каждый раз с Интернетом для отправки очередного письма, письма временно накапливаются в этой папке. Затем при нажатии на кнопку Доставить почту (Send and Reseive) они разом уходят на почтовый сервер провайдера и далее — к своим адресатам. Именно такой режим отправки писем устанавливается в Outlook Express по умолчанию.

• Отправленные (Sent Items). Здесь по умолчанию хранятся копии отправленных сообщений, и вы всегда сможете вспомнить, — что, кому и когда вы отсылали.

• Удаленные (Deleted Items). Если вы решите удалить ненужные сообщения, то они временно помещаются на хранение в эту папку (на случай, если вы передумаете их удалять). Если вы решите насовсем удалить сообщения из этой папки, сделайте правый щелчок по значку папки и из выпавшего меню выберите пункт Очистить папку (Empty folder).

• Черновики (Drafts). Если вы готовите новое письмо, но в процессе работы над ним решите дописать письмо позже, то выберите в меню Файл (File) пункт Сохранить (Save). Такое «недописанное» письмо временно сохраняется в папке Черновики (Drafts). Чтобы продолжить впоследствии работу над письмом из этой папки, просто откройте эту папку и дважды щелкните по черновику письма. Затем, если письмо готово, то его можно отправить и оно будет помещено в папку Исходящие (Outbox). Если же письмо по-прежнему не готово к отправке, то его опять можно сохранить в папке черновиков.

Совет. Если вы получаете много почты с вложенными файлами (документами, графическими файлами и пр.), то неплохо периодически, — например, хоть раз в месяц проводить чистку своих папок от старых сообщений. Это способствует значительной экономии места на жестком диске машины. И не забывайте чистить не только папку с входящими письмами, но и папку Исходящие (Outbox), где хранятся копии ваших собственных писем. Ну и конечно, не забывайте опорожнять папку Удаленные (Deleted Items) от уже ненужных писем, которые явно никогда не понадобятся.

Получение входящей почты

Получение входящей почты — это, наверно, самое простое действие из всего спектра работ с Outlook Express, вся функциональность которого состоит в том, что надо установить соединение с почтовым сервером провайдера. Поэтому достаточно запустить программу Outlook Express, которая по умолчанию сразу преложит вам соединиться с сервером провайдера. Если соединение с провайдером уже настроено, то достаточно, выбрав название соединения, нажать кнопку ОК. Иначе появится дополнительное окно, где надо будет ввести ваше имя пользователя и пароль. В любом случае итог будет один, — компьютер начнет устанавливать соединение с почтовым сервером провайдера.

Совет. Помните, что соединиться с почтовым сервером провайдера можно легко и просто в любой момент времени — достаточно нажать кнопку Доставить почту (Send and Reseive) на панели инструментов Outlook Express.

После того как ваш модем осуществит соединение, появится окно, в котором Outlook Express будет проверять наличие пришедших писем и осуществлять их загрузку на ваш компьютер. После завершения этого действия почтовая программа проверит, нет ли у вас в папке Исходящие (Outbox) готовых писем для отправки, и если есть, то в свою очередь, перешлет их на почтовый сервер провайдера, откуда они уже уйдут адресатам (см. рис.).

Совет. Outlook Express позволяет устанавливать сеанс связи с провайдером только на время доставки писем (получения пришедших писем и отправки своих), сразу же отключаясь от Интернета по завершению передачи. Чтобы включить эту опцию, нужно установить флажок Разорвать соединение по завершению доставки (Disconnect…) на вкладке Удаленная связь (Connection) окна свойств или прямо в окне доставки (см. рисунок). Тем самым вы избежите нерациональных затрат времени при "холостом режиме" соединения с почтовым сервером, когда почта уже доставлена. Помните: время пересылки почты оплачивается так же, как и ваши путешествия по Web, и здесь тоже следует быть экономными.

Совет. При поступлении новой почты в правом углу строки состояния Windows 98 (а также в самой программе Outlook Express) будет выведен значок с изображением конверта. Это служит удобным напоминанием о пришедших письмах в том случае, когда вы работаете с почтой в фоновом режиме, и Outlook Express периодически проверяет наличие новых писем на сервере провайдера.

Чтение пришедшей почты

Как мы уже говорили, по умолчанию все пришедшая почта помещается в папку Входящие и сортируется там по дате поступления. Письма, которые вы еще не читали, помечаются жирным шрифтом и значком закрытого конверта. Если рядом с письмом есть значок с изображением скрепки, то это говорит о том, что в письмо вложен отдельный файл (например, документ в формате Word, графический файл и т. д.). Кроме того, слева от заголовка письма может стоять значок в виде восклицательного знака, который говорит, что адресат пометил данное письмо как сообщение повышенной важности. Если же стоит значок в виде направленной вниз синей стрелки, то наоборот, содержимое письма отправитель пометил как второстепенной важности.

Познакомиться с содержимым письма совсем просто — нужно выделить его, сделав однократный левый щелчок мышью по заголовку письма. Тогда в нижней части окна просмотра Outlook Express появится содержимое письма. Письмо можно посмотреть и в отдельном окне, которое раскроется (см. рис. в этом разделе), если сделать двойной щелчок по заголовку выбранного письма.

Совет. Чтобы быстрее разобрать почту, удобнее всего вначале раскрывать при шедшие сообщения одинарным щелчком. Тогда даже беглого взгляда достаточно, достойно ли это сообщение вашего дальнейшего внимания. Если да, то лучше раскрыть это сообщение двойным щелчком в отдельном окне.

В окне с пришедшим письмом вы найдете ряд новых элементов интерфейса, наиболее важными из них являются следующие кнопки:

• Ответить отправителю (Reply to Author) открывает окно для формирования ответного письма. Текст исходного письма может быть автоматически помещен в это окно. Знаки, отмечающие начало строк цитируемого текста, определяются там же, на закладке Отправка.

• Ответить всем (Reply to All) — эта кнопка панели инструментов действует совершенно аналогично предыдущей кнопке Ответить отправителю. Исключение состоит в том, что ваше ответное письмо рассылается не только первоначальному автору, но и всем иным адресатам, которым этим автором было послано аналогичное письмо (которые были включены в поле Копия исходного сообщения). Таким образом, эта функция имеет смысл лишь в бизнес-переписке, когда вы организуете таким образом что-то вроде дискуссии. Однако вы должны быть уверены, что все адресаты будут согласны на получения вашего письма. Добавим, что традиция электронной переписки запрещает "веерную рассылку" посланий незнакомым людям, особенно содержащих рекламу (так называемый "Spam", сленговое словечко для непрошеной почты, дословно переводимое как «фарш») и пр.

• Переслать (Forward) — эта кнопка позволяет перенаправить (переадресовать) полученное письмо другому пользователю, если вы считаете, что ему(ей) оно будет более интересно, чем вам. Данная функция очень часто используется в бизнес-переписке. В разговорной речи среди пользователей почты для этой функции часто используется транслитерированный сленговый термин "форварднуть".

• Удалить (Delete) — нажатие на эту кнопку удаляет сообщение из текущей папки и помещает его в папку Удаленные. Впоследствии вы можете очистить папку Удаленные вручную или сообщения будут удаляться из нее автоматически.

• Печать (Print) — кнопка с изображением принтера посылает текст письма на принтер. Обратите внимание, что при этом печатается только текст письма, — если письмо содержит вложенные файлы, то для их печати надо открыть соответствующую программу просмотра и выполнить печать уже из данной программы.

Теперь осталось добавить, что если в письмо вложены отдельные файлы, то двойной щелчок по ярлыку каждого вложенного файла позволит просмотреть его содержимое с помощью соответствующей программы. Обратите внимание, что при попытке открыть вложенный файл система безопасности Outlook Express выдаст на экран стандартное предупреждение, и если вы не уверены в том, что пришедший файл абсолютно безопасен для компьютера, то лучше его вначале сохранить на дискету, затем проверить антивирусной программой, и уже затем только открыть для просмотра. Чтобы сохранить файл на дискету (или иной носитель), сделайте правый щелчок по значку вложенного файла в окне с открытым письмом и выберите пункт Сохранить как (Save as).

Совет. Не следует пугаться всех пришедших с почтой файлов, т. к. далеко не все файлы могут содержать вирусы. К примеру, графические файлы (файлы с расширениями .jpg, .bmp, .tif, .gif и т. д.) и текстовые файлы (файлы с расширениями .txt, .rtf) в общем случае совершенно безопасны, в то время как доку менты Word (.doc) с большой вероятностью могут содержать макро-вирусы^[15]. Ситуация, когда надо быть предельно осторожными — это при получении исполняемых файлов (с расширением ехе, соm). Сегодня в книжных магазинах и компьютерной периодике можно найти достаточно материалов по защите от вирусов, поэтому здесь на этих проблемах мы подробно останавливаться не будем.

Подготовка и отправка писем электронной почты

Давайте познакомимся теперь с порядком подготовки и отправки сообщения по электронной почте с помощью Outlook Express. В целом эта операция совершенно аналогична для случаев, когда вы подготавливаете собственное сообщение и отправляете его «с нуля», или же отвечаете на пришедшее письмо (или третий вариант — пересылаете письмо далее другому человеку). Во всех этих случаях на экране появится одно и то же окно (окно с одним и тем же интерфейсом). Конечно, при ответе на чужое письмо или его переадресации другому пользователю отличие будет состоять в том, что Outlook Express автоматически помещает в ответное письмо тот текст, который поступил к вам от адресата. При этом в начале каждой строки исходного письма ставится знак угловой скобки ">", чтобы отличить ее таким образом от текста вашего ответа. Если текст "пропутешествовал" несколько раз между вами и вашим адресатом, то количество угловых скобок в начале каждой строки будет соответствовать количеству «ходок» вашего письма туда и обратно.

Совет. Если вы отвечаете на деловое письмо, то принято полностью оставлять в конце вашего ответного письма тот текст, что пришел от адресата. Таким образом сохраняется нить переписки и всегда можно выяснить, кто и что написал. Если же вы пишете друзьям, то в традициях Интернета можно оставить лишь те строки исходного текста (цитаты), на которые вы конкретно отвечаете. Важно помнить: если в пришедшее к вам письмо были вложены какие-либо файлы, то по умолчанию почтовые программы их обратно адресату не пересылают.

Формирование нового сообщения

Нажмите на кнопку Создать сообщение (Compose Message) на панели инструментов Outlook Express, что вызовет отдельное окно (см. рис. ниже). Работу с новым письмом следует начать с заполнения заголовка письма, который содержащий поля: Кому: (То:), Копия: (Сс:), Скрытая: (Всс:), Тема: (Subject:). Заметим, что по понятным причинам обязательным является заполнение только поля Кому: (То:), — иначе письмо просто не найдет своего адресата.

• Кому: (То:) — так же, как и на обычном конверте, в этом поле вы должны ввести адрес — в данном случае адрес электронной почты вашего адресата. Вы можете не вводить адрес вручную, а выбрать его из адресной книги, если занесли его туда заранее (см. далее раздел "Адресная книга").

• Копия: (Сс:) — если вы хотите, чтобы аналогичное письмо пришло и другим ад ресатам, введите нужные адреса в данном поле, разделяя их с помощью знака";" (точка с запятой). Словосочетание "Сс" — это сокращение от английского "канцелярского" термина Carbon Сору (по-русски — "копирка"). Все люди, к которым пришло данное письмо, легко смогут узнать из заголовка, кому вы еще послали данное письмо.

• Скрытая: (Всс:) — если вы хотите, чтобы аналогичное письмо пришло и другим адресатам, но они не знали, кому еще вы отослали данное письмо, то введите нужные адреса в данном поле, разделяя их с помощью знака";" (точка с запятой). Словосочетание "Всс" — это сокращение от английского Blind Carbon Сору (по-русски можно было бы перевести как "слепая копирка").

• Тема: (Subject:) — здесь следует вписать несколько слов, характеризующих тему сообщения. Заголовок лучше писать по-английски, если вы не уверены, что почтовая программа вашего адресата поддерживает 8-битовую кодировку заголовков и на его машине инсталлированы русские шрифты.

Совет. Обратите внимание на то, что Outlook Express подсказывает вам назначение каждого незаполненного поля с помощью поясняющей надписи серого цвета. После заполнения заголовка письма вы на первых порах можете воспользоваться кнопкой на панели инструментов окна Проверить имена (Check Names), чтобы быть уверенным в правильном соответствии введенных адресов тому формату, который предусмотрен в Интернете для сообщений E-mail (он должен выглядеть как user@host.domain, где user — имя адресата, host.domain — доменное имя почтового сервера адресата).

Далее уже можно приступать к самому письму, для чего щелкните курсором мыши в поле письма и введите нужный текст. При необходимости вы можете "вложить" в письмо файл любого формата (см. ниже подраздел о пересылке файлов по Е-mail"). По традиции, завершает письмо вставка подписи, для чего следует нажать кнопку с изображением авторучки на панели инструментов (оригинальная и остроумная подпись — одна из традиций Интернета). Если у вас еще не создана подпись, то создать ее можно, выбрав в меню Сервис (Tools) пункт Бланк сообщений (Stationary) и далее — нажав на кнопку Подпись (Signature). Созданную таким образом подпись можно потом многократно использовать. В принципе, "интернетовская" подпись — вещь необязательная и вы можете подписать письмо вручную, напечатав обычные слова, подходящие к данному случаю — например, "Искренне ваш…" и т. п.

Обратите еще внимание на изображение логотипа Internet Explorer (стилизованной буквы е) в правой верхней части нового сообщения. Лого является идентификатором "важности" отправляемого сообщения. В меню Сервис (Tools) имеется пункт выбора важности сообщений, при нажатии на который будет выведен список возможных опций важности сообщений (Высокая, Обычная и Низкая). Важно знать: это не влияет на скорость доставки, а всего лишь управляет наличием изображения с соответствующим значком у вашего письма по приходу письма к адресату. Так, многие почтовые программы маркируют важные сообщения, пришедшие на компьютер, помещая восклицательный знак рядом с заголовком. Теперь дело за адресатом, обратит ли он на это внимание. Поэтому можете не увлекаться установкой этих параметров в ваших письмах.

Теперь осталось лишь нажать на кнопку отправки письма (самая левая кнопка на панели инструментов этого окна с изображением летящего конверта и надписью Отправить) и ваше письмо — на пути к адресату. Если установлен флажок Отправлять сообщения немедленно (Send messages…) на вкладке Отправка в окне Параметры (см. меню Сервис), то Outlook Express сразу же произведет соединение с провайдером и отправит письмо. Если же флажок снят, ваши письма будут временно помещаться в папку Исходящие (Outbox), где они будут накапливаться перед отправкой. В последнем случае на экран будет выведено сообщение о помещении письма в папку Исходящие. Когда вы завершите составление всех писем, нажмите на кнопку Доставить почту (Send and Receive) на панели инструментов основного окна Outlook Express, и далее процесс соединения с провайдером пойдет совершенно аналогично тому, как мы рассмотрели в предыдущем разделе.

Пересылка вложенных файлов по E-mail

Возможность отправить по электронной почте файл любого формата — одно из самых полезных качеств E-mail. Тем самым вы можете направить своим адресатам и документ Word, и файл с нужным изображением, звуковое или видео-приветствие и т. д. Единственное условие — не посылайте очень большие файлы, если вы знаете о том, что ваш адресат не обладает выделенным каналом в Интернет, а работает по обычной телефонной линии. Для таких случаев файл размером 200–300 Кб считается обычно пределом "приличий". Также имейте ввиду, что многие почтовые серверы провайдеров просто возвращают назад почту, если ее размер более определенного предела, чаще всего — более 1 Мб.

Замечание. По-английски процесс вставки файла в письмо называется "attaching", поэтому в разговорной речи среди наших пользователей часто используется транслитерированный сленговый термин "приаттачить файл". Microsoft называет такие файлы "вложенными" — и этот термин чаще всего используется в литературе.

Итак, для вложения файла в письмо, разместив курсор в окне для ввода письма, нажмите кнопку с изображением скрепки на панели инструментов. В ответ на экран будет выведено стандартное диалоговое окно с изображением файловой структуры вашего компьютера. Когда вы найдете на диске нужный файл, выделите его и нажмите кнопку Вложить (Attach). Outlook Express вставит файл в ваше электронное письмо, и ниже тела письма появится дополнительное окно со значком вставленного файла (см. рис.).

Стоит напомнить, что аналогичным образом выглядят и пришедшие к вам письма, которые содержат вложенные файлы. Достаточно дважды щелкнуть на значке с вложенным файлом, как благодаря механизму OLE (Object Linking and Embedding) операционной системы Windows будет запущено соответствующее приложение для просмотра этого файла.

Совет. Некоторые форматы файлов настолько "пухлые", что занимают многие сотни килобайт (характерный пример таких файлов, — рисунки в формате .bmp). Для снижения размера больших вложенных файлов используйте предварительно какую-нибудь программу-архиватор (например, WinZip), и вкладывайте в электронные письма уже сжатые файлы. Также, если вам надо отослать нескольких вложенных файлов в одном письме, "скрутите вместе" нужные файлы программой-архиватором и отправьте в письме уже единственный архивный файл.

Совет. Если вам надо постоянно отсылать файлы очень большого размера, которые не "проходят" через почтовые серверы (более предела, разрешенного для писем на данном почтовом сервере), используйте для этой цели FTP-сервер вашей фирмы, университета или какой-либо иной доступный вам FTP-сервер (например, сервер провайдера). Поместите туда свои файлы, и вышлите адресату соответствующее письмо по E-mail, где укажите URL этих файлов. Используя браузер или программу работы с FTP-серверами, ваш адресат без труда перепишет файлы на свой компьютер. О том, как завести себе место на FTP-сервере своего провайдера, вашей фирмы или университета, посоветуйтесь с персоналом соответствующей организации.

Ответы на пришедшие письма и их пересылка другим адресатам

Как и многие другие почтовые программы, Outlook Express позволяет ответить на письмо, автоматически совершив такие подготовительные действия как открытие нового окна, ввод адрес абонента в поле Кому: (То:), и размещение в ответном послании первоначального текста для цитирования.

Рассмотрим последовательность действий по ответу на пришедшее письмо:

1. Выберите (пометьте) письмо, на которое хотите ответить, и нажмите на кнопку Ответить отправителю (Reply to Author) в основном окне Outlook Express. Если это письмо уже было открыто в отдельном окне, то там также присутствует кнопка Ответить отправителю. Нажатие на данную кнопку вызовет появление нового окна для ответного сообщения с заполненным полем Кому: (То:) и текстом первоначального письма. В поле Тема: (Subject:) будет приведена тема первоначального письма с пометкой "Re: " в начале строки. По этой пометке ваш адресат поймет, что вы прислали ему ответ на письмо по конкретной теме.

2. Если вы пишете друзьям и хотите, чтобы ваше письмо выглядело «в традициях Интернета», то отредактируйте текст первоначального сообщения, оставив только те строки, которые важны для понимания вашего ответа (цитаты). После обычных приветствий и вступительных слов напечатайте под каждой такой цитатой ваш ответ на данное предложение или вопрос.

3. Если же это ответ на деловое письмо, то оставьте весь прежний текст без изменений, а сверху напишите свой ответ.

4. Завершите письмо как обычно и нажмите на кнопку отправки письма (самая левая кнопка на панели инструментов с изображением летящего конверта).

Если ваш адресат разослал такие же письма, как и вам, другим людям, и вы хотите всех познакомить со своим ответом (разослать ваш ответ всем), то вместо кнопки Ответить отправителю (Reply to Author) выберите на панели инструментов Outlook Express кнопку Ответить всем (Reply to All). В остальном процесс ответа совершенно аналогичен.

Когда же вы считаете, что пришедшее письмо было бы интересно вашему коллеге (например, по фирме), то вы можете переадресовать его соответствующему лицу, нажав на кнопку Переслать (Forward). В этом случае в поле Кому: (То:) следует ввести адрес нового получателя. Вы можете ввести адрес как вручную, так и использовать адресную книгу (если нужный адрес внесен в книгу). Обратите внимание на то, что тема первоначального письма будет приведена с пометкой "Fw: " в начале строки. По ней ваш коллега узнает, что это письмо пришло не напрямую, а было переадресовано от вас.

Перед пересылкой вы можете отредактировать текст первоначального письма и добавить вначале письма свои комментарии, если считаете это необходимым. Стоит заметить, что в электронной переписке следует придерживаться таких же правил приличия, как и в обычной жизни. Поэтому не принято переадресовывать письма, которые содержат информацию, адресованную лично вам. В таких случаях лучше пересказать текст другому лицу "своими словами".

Адресная книга Outlook Express

Адресная книга — это сборник адресов e-mail ваших коллег по электронной переписке, организованный с помощью удобной программной оболочки. Адресная книга в программе Outlook Express представляет собой упрощенную копию адресной книги из мощной корпоративной почтовой программы MS Exchange. Если вы используете MS Exchange в офисе, a Outlook Express — дома, то в справочной системе Outlook Express есть пункты, рассказывающие о том, как экспортировать адреса из MS Exchange в адресную книгу Outlook Express. Кроме экспорта адресов из MS Exchange, можно также экспортировать адреса из целого ряда других почтовых программ: MS Internet Mail, Eudora Pro, Eudora Light, а также из целого ряда почтовых клиентов Netscape разных версий. Мы не будем останавливаться на этой возможности, — просто имейте это в виду. Сведения о том, как произвести экспорт адресов из адресных книг этих приложений, вы найдете в справочной системе по Outlook Express.

Заполнять адресную книгу Outlook Express можно в двух режимах: во-первых, потратить сначала некоторое время и заранее ввести данные о ваших коллегах, и во-вторых, пополнять адресную книгу "на лету", по мере работы с почтой, — просто копируя туда адреса пришедших писем. Ниже мы рассмотрим эти два случая.

1. Если вы хотите заполнить адресную книгу заранее, нажмите кнопку Адресная книга (Address Book) на панели инструментов основного окна Outlook Express, что вызовет появление главного окна этого сборника адресов и др. контактной информации (см. рис.).

Кроме имени и адреса E-mail в адресной книге можно хранить множество различной информации — номера телефонов, пейджеров, личных и служебных страниц Web, обычные почтовые адреса абонентов и пр. Для того, чтобы внести в адресную книгу новое имя, нажмите кнопку Создать адрес (New Contact). Введите в соответствующих полях имя абонента и адрес его электронной почты, при желании можете заполнить дополнительные данные на абонента на других закладках. Если вы захотите отредактировать адрес электронной почты или иной параметр, то выберите имя в адресной книге и нажав кнопку Свойства (Properties), измените данные на закладках аналогичным образом.

Замечание. Если к вашему компьютеру имеют доступ посторонние люди, не стоит помещать в адресную книгу конфиденциальную информацию, такую как домашние номера телефонов и адреса ваших адресатов.

2. Вторая возможность: после того, как вы завели адресную книгу и наполнили ее некоторыми адресами, в дальнейшем книгу можно пополнять за счет адресов из вновь пришедших писем. Для этого откройте нужное письмо, отметьте имя адресата в поле заголовка, нажмите правую клавишу мыши и из всплывающего контекстного меню выберите пункт Добавить в адресную книгу (Add То Address Book).

Теперь, когда адресная книга содержит данные по адресам E-mail ваших коллег по переписке, мы вкратце рассмотрим порядок работы с ней при формировании новых писем и заполнении поля Кому: (То:):

• Нажмите кнопку Создать сообщение (New Message) в основном окне Outlook Express, поместите курсор в поле Кому: (То:) в окне создания нового сообщения.

• Щелкните по значку с изображением оторванного листка бумаги рядом со словом Кому:. Это действие вызовет появление диалогового окна (см. рис.), где можно легко выбрать получателей данного письма.

• Выберите из списка абонентов нужного человека и нажмите кнопку Кому —> (То->) в средней части окна.

• Аналогичным образом добавьте абонентов в полях Копия: (Сс:) или Скрытая: (Всс:), если необходимо разослать это письмо еще нескольким адресатам.

• Нажмите кнопку ОК, и выбранные адреса появятся в соответствующих полях заголовка нового письма.

• Теперь можно приступать к заполнению тела письма и его отправке, о чем мы уже рассказали ранее.

Замечание. Имена абонентов, введенных в поля Кому: (То:), Копия: (Сс:), Скрытая: (Всс:) с помощью адресной книги, могут быть представлены в окне письма именами абонентов, а не их электронными адресами. Не беспокойтесь — программа Outlook Express сама подставит адреса E-mail при отправке сообщения.

Еще одна опция, которую вы можете использовать в адресной книге Outlook Express — это групповые имена. Групповые имена представляют собой ваши личные списки рассылки и удобны в том случае, если вам надо часто рассылать письма постоянным группам людей (например, участникам какого-либо совместного с вами проекта). Групповые имена в Outlook Express создаются нажатием на кнопку Создать группу (New Group) на панели значков адресной книги. Затем вы можете указать имя группы и составить список людей в этой группе. После того как вы создали группу, вы можете использовать имя группы в поле Кому: или Копия: отсылаемого сообщения — это сообщение будет направлено всем, кто входит в эту группу. Чтобы в последствии отредактировать список членов группы и их адреса e-mail, надо выбрать (отметить) уже существующую группу и щелкнуть по кнопке Свойства.

Выражение эмоций в электронной почте

В этом небольшом разделе мы коснемся еще одной традиции электронной почты — выражения эмоций. Дело в том, что E-mail по сравнению с живой речью плохо передает эмоции и чувства автора сообщения по отношению к предмету письма. Для того чтобы как-то компенсировать этот серьезный недостаток, были придуманы специальные значки, среди обитателей Сети именуемые "смайликами".

Смайлик — это просто комбинация из нескольких текстовых символов, которые в совокупности похожи на лицо человека — улыбающееся, подмигивающее, огорченное ит. д. Обычно смайлик вставляют в конце той фразы, которая вызвала особые чувства у автора. Чаще всего используются, к примеру, такие смайлики:

:-) — обсуждаемая тема рассмешила автора,

; —) — автор письма делает намек,

:- (— автор письма расстроен.

Кроме "общепринятых", существуют различные экзотические смайлики, отражающие более сложные чувства авторов электронных писем. В Интернете вы встретите достаточно много коллекций подобных значков (см., к примеру, http://www.alp.ru/smile.htm или http://www.lgg.ru/~dima/smiles.htm). Только не используйте смайлики в деловых письмах.

Шифрование сообщений

Достаточно важный элемент современного использования электронной почты, особенно в сфере бизнеса, — это применение шифрования текста писем и защита сообщений с помощью цифровой подписи. В случае шифрования вы будете уверены, что никто, кроме вашего адресата, не сможет познакомиться с содержимым вашего письма, а цифровая подпись гарантирует, что если кто-то по пути открывал файл с вашим письмом и изменял содержимое, то это не останется незамеченным.

Как мы уже отмечали, сообщение e-mail по пути следования от вашего компьютера до конечного адресата проходит через несколько почтовых серверов и в принципе, на любом из них оно может быть прочитано персоналом провайдеров, отредактировано или даже подменено на ложное сообщение. Разумеется, через почтовые серверы проходят в день тысячи, если не миллионы писем, и прочитать их все просто невозможно. Вдобавок положение о провайдерах Интернета в любой стране запрещает персоналу читать электронные письма клиентов. Поэтому, если вы пишете самое обычное письмо своему приятелю, то можете быть на "на все сто" уверены, что его вряд ли кто прочтет. Но… любители чужих секретов могут в принципе поставить на поток проходящих через почтовый сервер писем некие программы-фильтры, которые отлавливают определенные адреса e-mail или слова или сочетания символов в тексте писем (такие как 16-значные номера кредиток) и далее отсортированная таким образом почта может подвергнуться уже ручному просмотру.

Поэтому шифрование сообщений и применение цифровой подписи — основная мера, которая может на многие порядки снизить вероятность прочтения электронного письма и его подмену на письмо с другим содержанием. Разумеется, любой шифр можно подобрать и дело лишь за той вычислительной мощью и временем, которые надо на это потратить. Но мы не будем углубляться в проблемы криптографии, поскольку наше пособие ориентировано на обычных пользователей, и в рядовой ситуации шифрование писем — лишь излишняя трата времени. Тем не менее, поскольку даже обычному человеку надо хоть раз в год переслать куда-либо конфиденциальную информацию (или просто информацию, которую он или она считают таковой), мы не можем оставить данную проблему совсем без упоминания и потому выносим ее на самостоятельное ознакомление читателей.

Замечание. В российском Интернете не стихает дискуссия о правомерности применения шифрования сообщений с точки зрения действующего отечественного законодательства. Российское представительство Microsoft отвечает на этот вопрос просто — "Никаких комментариев по этому вопросу". Большинство же ответов в группах новостей сводится к тому, что вроде запрещено, но де-факто шифрование все-таки используется пользователями, раз это позволяется программами. Особенно большое количество пользователей обсуждают планируемое внедрение системы автоматической перлюстрации электронной почты СОРМ, которую российская служба ФСБ готовится установить на все почтовые серверы провайдеров. Статьи об этом можно встретить на многих серверах Web и в периодических изданиях — см. к примеру, "ФСБ-Онлайнс" в сетевом журнале "Inter.net".

Итак, завершая эту спорную тему, осталось заметить, что справочная система Outlook Express содержит достаточно подробную информацию о том, как настроить и использовать шифрование для пересылки электронной почты в Outlook Express. Кроме того, на многих серверах Интернета, включая Web-узел Microsoft, вы найдете дополнительные сведения, статьи и советы о шифровании, применении цифровых подписей и сертификатов. И, конечно, очень важно отметить, что благодаря сотрудничеству Microsoft с ведущими поставщиками криптографических решений настройка Outlook Express на работу с защищенной почтой крайне упрощена и доступна даже для начинающих пользователей Интернета. В частности, это сотрудничество гарантирует, что сертификат для индивидуального использования шифрования можно получить бесплатно, без обычной в таких случаях оплаты шифровального ключа по кредитной карте.

Бесплатная электронная почта

С легкой руки М.Тэтчер крылатая фраза о том, что "бесплатный сыр бывает только в мышеловке", овладела массами, и потому любое предложение о бесплатной услуге многие люди встречают с подозрением — нет ли тут какого подвоха? К счастью, Интернет изначально во многом задумывался как всеобщая бесплатная сеть и поэтому неудивительно, что в Интернете существует возможность получить бесплатный адрес электронной почты.

Разумеется, так называемый бесплатный адрес не является абсолютно бесплатным — вы все равно платите провайдеру за время доступа к Интернету, и речь идет только о том, чтобы не взимать абонентскую плату за сохранение вашей почты и поддержку учетной записи. Эта плата в данном случае покрывается за счет доходов от рекламы. Сегодня в Интернете существуют более десятка хорошо известных и надежных служб бесплатной электронной почты — Yandex (http://www.yandex.ru), Gtnail.com (http://gmail.com) и т. д.

Коренным отличием этих служб от той почты, которую вы получаете через своего провайдера и с помощью почтовой программы (такой как Outlook Express), является то, что работа с бесплатным почтовым ящиком происходит с помощью браузера. Вы обращаетесь на Web-сервер службы, вводите свой идентификатор и пароль, после чего получаете доступ к своему почтовому ящику. Теперь можно читать пришедшую почту и отправлять свою собственную, но это происходит через интерфейс браузера. Просто на Web-сервере созданы странички, которые имитируют интерфейс простенькой почтовой программы. Внешне все выглядит очень похоже на работу с обычной почтовой программой, но реально все происходящее вы видите в окне браузера.

Универсальными качествами такой почты, за которые она и пользуется популярностью среди людей, является ее доступность из любой точки, с любого компьютера, на котором есть хоть какой-либо браузер Web и достаточно большой уровень анонимности. К примеру, если вы находитесь в поездке, то вы, как правило, не можете обратиться на почтовый сервер своего провайдера за почтой. Нет, конечно можно осуществить междугородний или даже международный звонок на номер доступа своего провайдера, но это дорогое мероприятие. Другой известный способ — использовать программу Telnet и с помощью команд UNIX обратиться на сервер провайдера и получить свою почту. Однако далеко не все умеют работать с Telnet и знают команды UNIX.

Ну и кроме того, предоставляемые адреса бесплатной почты безлики, их владельцы могут зарегистрироваться под каким угодно именем и находиться где угодно — ведь к своему ящику они обращаются через браузер. Вот почему бесплатные почтовые ящики с доступом через интерфейс браузера так популярны. Кроме того, некоторые службы, например, GeoCities, предоставляют возможность бесплатно разместить свою домашнюю страничку, что также привлекает туда пользователей.

Замечание. У бесплатных адресов электронной почты есть и своя обратная сторона. Это имидж "халявы". Поэтому с таких адресов не рекомендуется посылать деловые письма и иные предложения незнакомым людям, поскольку они вряд ли будут восприняты серьезно. Кроме того, некоторые группы телеконференций, например FIDO, отвергают регистрацию пользователей с такими анонимными адресами.

Как получить адрес в службе бесплатной почты

Получить адрес бесплатной электронной почты может любой пользователь Интернета, причем любое число раз — ведь один и тот же человек может зарегистрироваться под разными именами. Например, один раз можно зарегистрироваться под истинным именем для переписки с друзьями, а другой под псевдонимом — на случай участия в телеконференциях, где, как известно, "народ за словом в карман не лезет", и т. д. Выбор той или иной службы в качестве "базы" вашего будущего адреса особого значения не имеет, т. к. уровень функциональности всех подобных служб примерно одинаков. В принципе, открытие ящика на любой из бесплатных почтовых служб Интернета происходит по одной и той же схеме: вначале надо зарегистрироваться (выбрать имя и пароль, ввести те или иные данные о себе, которые не обязательно д. б. истинными), а затем вам открывают учетную запись и можно приступать к отправке и получении почты через этот ящик.

Как результат сотрудничества службы HotMail с Microsoft^[16] в интерфейсе Internet Explorer 4 есть специальные элементы для быстрого вызова сервера Hotmail. Это кнопка Бесплатная почта HotMail (Free Hotmail) в строке ссылок и аналогичный пункт в меню Справка (Help). Щелкнув по любому из этих пунктов, мы запускает Internet Explorer и загружаем в него заглавную страницу сервера HotMail. Если вдруг у вас какая-либо иная версия Internet Explorer 4.x или вы пользуетесь Netscape Navigator, где этого пункта в меню справки или строки ссылок нет, то для открытия адреса просто загрузите страницу http://www.hotmail.com.

Далее надо найти кнопку для вызова начальной регистрации (в случае Hotmail она называется Sign Up Неге!) и заполнить все поля, которые обязательны при регистрации. В конце этого процесса остается нажать кнопку отсылки ваших личных данных (обычно такая кнопка называется Submit), и если все было заполнено правильно, то сервер откроет вам почтовый ящик под выбранным вами именем. Это все! С этого момента уже можно получать и отсылать почту с данного адреса. Как правило, сразу после открытия ящика в нем вас уже ожидает стандартное приветствие от имени персонала данной службы.

Совет. Чтобы эффективно работать с почтовым сервисом той службы, в которой вы завели бесплатный почтовый адрес, не поленитесь почитать раздел справки и часто задаваемых вопросов (FAQ). Там вы наверняка найдете ряд полезных советов, которые помогут вам быстрее освоиться в интерфейсе службы и научиться эффективно использовать ее в различных режимах работы. Так, например, HotMail позволяет переадресовывать вашу почту с почтового сервера вашего провайдера в ящик HotMail, сохраняя оригинал письма на почтовом сервере провайдера. Это удобно, если надо познакомиться с содержимым своей почты в тот момент, когда вы находитесь в поездке вдали от дома. У другой почтовой службы, AltaVista^[17], - есть обратная функция, когда можно переадресовывать почту с бесплатного ящика на почтовый сервер провайдера и получать с помощью Outlook Express или иной почтовой программы.

Замечание. Работа обычных почтовых программ гораздо более эффективна, чем имитация почтового ящика через браузеры в бесплатных почтовых службах. Во-первых, почтовые программы обладают множеством функций, не реализованных в бесплатной почте, и во-вторых, они более экономно используют соединение с Интернетом. В общем случае для перерисовки каждой странички в браузере, имитирующей интерфейс почтовой программы, требуется заметно большее время, чем для перекачки почты в случае нормальной почтовой программы.

Поэтому взаключение этого раздела остается порекомендовать вначале оценить вашу реальную потребность в адресе на одной из бесплатный почтовых служб и если он действительно необходим, то зарегистрировать его там (например, автору нравится служба бесплатной почты на сервере AltaVista). Тогда вы сможете самостоятельно и более объективно оценить все прелести и недостатки бесплатной почты Интернета. И еще, последний совет: не заводите более одного-двух адресов бесплатной электронной почты. Вы вряд ли будете пользоваться большим количеством адресов одновременно, а если возникнет необходимость, то "дело за малым" — получить новый электронный адрес вы всегда успеете.

Советы по расшифровке почты с поврежденной кодировкой русского текста

В практике любого отечественного пользователя электронной почты рано или поздно встречается случай, когда пришедшее письмо хотя и состоит из символов кириллицы, но абсолютно не читаемо. Попытки прочесть его в иной кодировке, например, в КОИ-8, также не приносят успеха. Это значит, что при прохождении через многочисленные почтовые узлы письмо подверглось множественным перекодированием из одной кодовой таблицы в другую и на каком-то этапе очередное перекодирование было выполнено с ошибкой.

Для того чтобы попытаться восстановить текст письма, можно применить одну из программ восстановления и перекодирования русскоязычных текстов. Множество таких программ можно найти в Интернете, например, скачать с сервера http://www.download.ru. Здесь мы посоветуем вам программу TOT-RECODE II, ра ботающую под управлением Windows 95–98 и Windows NT 4.0–5.x beta. Эту программу можно бесплатно сгрузить с сервера http://www.smartline.ru/recode/.

Благодаря тому, что программа поставляется с подробным описанием (Help) на русском языке, мы опустим рассмотрение правил работы с ней. Хотя на самом деле эти правила очень просты — надо просто скопировать текст в письма в буфер обмена Windows, a TOT-RECODE II сделает все остальное — сама проанализирует содержимое письма и представит десятки, а то и сотни вариантов расшифровки. Вам останется лишь выбрать нужный и прочесть.

Работа с новостями в Outlook Express

Поскольку Outlook Express объединяет в себе клиентскую программу электронной почты и программу работы с новостями (телеконференциями UseNet), в следующем методическом пособии вы познакомитесь с правилами участия в различных телеконференциях UseNet. Вы научитесь сами читать опубликованные там статьи и направлять в группы свои собственные сообщения. UseNet — это очень увлекательный мир, сравнимый по популярности с World Wide Web, поэтому многие пользователи проводят в дискуссиях даже больше времени, чем обозревая Web.

Важно и то, что в UseNet вы найдете группы, в которых обсуждается работа различных программ электронной почты и работы с новостями, в т. ч. и Outlook Express. И там, посоветовавшись с опытными пользователями, вы сможете найти ответы на многие вопросы, которые у вас возникнут в процессе работы с в Outlook Express. Здесь вам будут полезны такие русскоязычные телеконференции как microsoft.public.ru.ie40, microsoft.public.ru.ie40.outlookexpress, relcom.newusers, relcom.fido.ru.modem, relcom.www.support, relcom.www.users, fido7.ru.internet, fido7.ru.internet.www, fido7.ru.internet.chainik и другие.

Лекция 11

Эффективная навигация по Web

В этой лекции приведены советы по приемам эффективной навигации по узлам Web, повышению скорости загрузки страниц и другим вопросам, способствующим повышению эффективности и скорости работы с Internet Explorer в течение сеанса связи с Интернет.

Правильный выбор начальной страницы

Любой браузер позволяет вам загрузить начальную страницу не только в начале каждого сеанса работы с браузером, но и в любой момент в течение работы. Для инструментов Internet Explorer для этого достаточно нажать кнопку Домой (Ноше) на панели и вы возвратитесь к начальной странице. Таким образом, вы каждый раз будете возвращаться на начальную страницу, которая по умолчанию расположена на сервере Microsoft.

Однако это не совсем удобно — во-первых, вы можете решить, что там нет достаточного числа ссылок на ресурсы, представляющие для вас наибольший интерес, и во-вторых, из-за загруженности линий скорость загрузки страницы может, как говорится, "желать лучшего". Не проблема, — довольно просто изменить адрес начальной страницы на тот, который вам более всего подходит.

В Internet Explorer 4 достаточно выбрать пункт Свойства обозревателя (Internet Options) меню Вид (View). Вашему взору предстанет диалоговое окно, в котором можно ввести адрес новой начальной страницы, и кроме того, браузер дает возможность назначить таковой ту страницу, которая загружена в окне в данный момент времени. В верхней части вкладки расположено окно Домашняя страница (HomePage), куда можно или вручную ввести нужный адрес, или заполнить это окно автоматически — нажав на одну из кнопок, выбирающей адрес текущей, пустой или исходной страницы (исходная страница — страница «Добро пожаловать в Интернет». Нажмите кнопку ОК, чтобы подтвердить сделанные изменения.

Новые функции кнопок Вперед и Назад

Кнопки Вперед (Forward) и Назад (Back) — наиболее часто используемый инструмент браузера при навигации по Web. Как известно, нажатие на эти кнопки последовательно возвращает вас к предыдущему или следующему просмотренному документу (внутри списка уже просмотренных документов). Как только вы дойдете до последнего из просмотренных ранее документов, кнопка Назад станет недоступна, а если дойдете вперед по списку из просмотренных ранее документов, — то станет недоступна кнопка Вперед.

Хотя пользоваться этими кнопками умеют все, но многие забывают, что в если надо вернуться к документу, просмотренному несколькими страницами ранее, то в Internet Explorer версии 4 и старше можно не нажимать по несколько раз подряд на кнопки Назад или Вперед, а «перескочить» к нужному к документу сразу через несколько просмотренных документов.

Для этого щелкните по маленькой кнопке-стрелке справа от основной кнопки (к слову, в Netscape Navigator 4 это также возможно, но надо сделать правой клавишей мыши). Будет показан текущий список из последних просмотренных страниц (числом не более 9 в списке), и можно выбрать именно ту страницу, куда вы желаете перейти. Для быстрого перехода на страницы, посещенные еще раньше, в том числе в предыдущие сеансы работы с браузером — используйте кнопку Журнал (History) на панели браузера (см. ниже).

Использование кнопки Обновить

При навигации по Web может оказаться, что какая-либо страница загрузилась не полностью, причем особенно часто это бывает с картинками. Или вдруг скорость загрузки страницы неожиданно резко упала. Такое случается сплошь и рядом, поскольку загрузка каналов Интернета все время изменяется, периодически возникают сбои передачи и потеря части переданной информации. В таких случаях помогает кнопка перезагрузки страницы Обновить (Refresh). При нажатии на эту кнопку текущая страницы заново передается с сервера на ваш компьютер, и часто этого бывает достаточно для разрешения проблемы.

Кроме того, у кнопки обновления есть еще одна функция, связанная с использованием дисковой кэш-памяти. Дело в том, что переданные из Интернета страницы хранятся на жестком диске вашего компьютера в виде временных файлов. Когда вы нажимаете кнопки Вперед или Назад, то браузер может загрузить страницу с сервера или же восстановить из временного файла с диска. Как правило, по умолчанию браузер грузит страницу с жесткого диска (вы можете выбрать нужный режим с помощью параметров из окна Свойства Обозревателя, вызываемого из меню Вид).

Нажатие кнопки Обновить заставляет браузер загрузить страницу с сервера заново, что особенно важно для тех страниц, где информация часто меняется (например, с финансовой информацией по текущим торгам, новостями и т. п.).

Прекращение загрузки ненужной страницы

Довольно часто случается, что вы щелкнули по ссылке на какую-либо страницу, но грузится она очень долго, и уже видно, что ее содержание вам не интересно. Нет ничего проще, чем прервать загрузку такой страницы — нажмите кнопку Остановить (Stop) на панели инструментов браузера или просто клавишу Esc на клавиатуре ПК. Затем можно нажать кнопку Назад (Back), чтобы вернуться к предыдущей странице.

Использование внутренних средств навигации узла

Как бы не были удобны универсальные кнопки Вперед и Назад, для перемещения между страницами конкретного узла зачастую эффективнее использовать внутренние средства навигации узла (если такие средства предусмотрены создателями данного узла). Обычно подобные средства навигации оформлены в виде графических ссылок с изображением кнопок со стрелками или надписями. Такая графическая панель управления обычно располагается сбоку или же в верхней или нижней части страницы. Графические кнопки управления позволяют вернуться на заглавную страницу узла, а также перейти к тем или иным его разделам. Достаточно часто там же есть изображения кнопок, которые дублируют кнопки Вперед и Назад на панели инструментов браузера.

Навигация по документам, содержащим фреймы

В Web вам часто встретятся страницы, разделенные на несколько независимых частей — кадров (или как их чаще называют, фреймов). Обычно в каждом из таких фреймов содержится информация, логически отделенная от информации на другом фрейме. В зависимости от того, как задуман художественный дизайн страницы, на фреймах могут присутствовать или отсутствовать полосы прокрутки изображения, а также возможность передвигать границу между фреймами (примерно также, как вы передвигаете границу между панелями в Проводнике Windows).

Не всегда дизайн фреймов удачен, из-за чего многие пользователи Интернета недолюбливают страницы с фреймами. Кроме того, на страницах с фреймами кнопки Вперед и Назад на панели инструментов браузера работают несколько иначе — если содержание фреймов может изменяться (чаще всего боковые фреймы — статичны, и изменяется содержание только в основном фрейме), то кнопки действую на текущий фрейм до тех пор, пока вы не вернетесь к самой первому изображению фрейма. Таким образом при навигации по узлу с фреймами приходится чаще обычного нажимать кнопки Назад и Вперед.

И последнее: хотя научиться работать с фреймами достаточно просто, ряд узлов предоставляют возможность ознакомиться с их содержанием без использования фреймов. Если вы предпочитаете страницы без фреймов, поищите, имеется ли на заглавной странице узла ссылка Non-frame version (Версия без фреймов).

Навигация в режиме полного окна

Если вы работаете с монитором, имеющим небольшой экран (14" и 15"), то при просмотре ряда узлов со сложным дизайнерским решением вам может помочь кнопка Во весь экран (Full Screen) на панели инструментов Internet Explorer 4. В отличие от стандартной кнопки Windows-приложения "Раскрыть", кнопка Во весь экран не только раскрывает окно браузера на максимальный размер окна, но одновременно закрывает все панели Internet Explorer, кроме панели инструментов. Таким образом вы можете получить дополнительное пространство для просмотра, не занимаясь вручную операциями по закрытию панелей браузера. Чтобы вернуться из полноэкранного режима к обычному виду окна, используйте стандартную кнопку Свернуть в правом верхнем углу полноэкранного окна.

Навигация с помощью клавиатуры

Некоторые пользователи любят применять комбинации нажатия клавиш клавиатуры вместо того, чтобы щелкать указателем мыши по кнопкам и меню браузера. Для них в мы приведем основные комбинации клавиш.

Таблица. 1 Навигация с помощью клавиатуры

Действие по навигации ∙ Комбинация клавиш клавиатуры

Назад ∙ Alt + Левая стрелка или Backspace

Вперед ∙ Alt + Правая стрелка

Переход между кадрами вперед ∙ CTRL+Tab

Переход между кадрами назад ∙ Shift+CTRL+Tab

Переход к следующей ссылке ∙ Tab

Возврат к предыдущей ссылке ∙ Shift + Tab

Переход по данной ссылке ∙ Enter

Прокрутка страницы вниз (плавно) ∙ Стрелка вниз

Прокрутка страницы вниз (кусками) ∙ Page Down

Прокрутка страницы вверх (плавно) ∙ Стрелка вверх

Прокрутка страницы вверх (кусками) ∙ Page Up

Переход в конец документа ∙ End

Переход в начало документа ∙ Home

Обновить данную страницу ∙ F5

Прекращение загрузки страницы ∙ Esc

Открыть новое окно ∙ CTRL+N

Сохранить текущую страницу ∙ CTRL+S

Напечатать текущую страницу или кадр ∙ CTRL+P

Навигация с помощью мыши MS IntelliMouse

Если на вашем компьютере установлена мышь Microsoft IntelliMouse, то в Internet Explorer 4 ее можно использовать для выполнения следующих действий.

• Чтобы пролистывать Web-страницы, вращайте колесико вперед или назад. Чтобы непрерывно пролистывать текущие страницы Web, двигайте саму мышь, удерживая нажатой кнопку-колесико.

• Вместо того, чтобы нажимать кнопки Вперед и Назад, можно соответственно, выполнить «прокрутку» колесиком вперед, а чтобы вернуться к предыдущей странице, — «прокрутку» назад. Для этого необходимо, не отпуская клавишу SHIFT, вращать назад кнопку-колесико.

Панель Журнала браузера Internet Explorer 4

Забыли, какие узлы вы посещали на прошлой неделе во вторник? Помните лишь, что встретили очень интересную страницу, но адрес забыли записать в Избранное? Не беспокойтесь, в браузере Internet Explorer 4 впервые появилась очень полезная функция — панель Журнала (History). С ее помощью вы можете легко найти адрес любой ранее посещенной страницы Web и загрузить ее снова.

Чтобы панель Журнала появилась на экране, достаточно нажать кнопку Журнал на панели инструментов или выбрать пункт Панель обозревателя (Explorer Ваг) в меню Вид (View), откуда уже выбрать подпункт Журнал (History). Сразу после этого область просмотра браузера будет разделена на две части, где на левой стороне вы увидите даты, включая сегодняшнюю. Чтобы познакомиться со списком адресов узлов, просмотренных в конкретный день, следует щелкнуть по нужной вам дате, и далее — по адресу конкретной страницы, которая будет загружена в браузер.

По умолчанию, браузер ведет учет адресов страниц, просмотренных в течение последних 20-ти дней. Чтобы изменить этот период в сторону увеличения или уменьшения, пункт выберите пункт Свойства обозревателя (Internet Options) меню Вид (View). На закладке Общие (General) вы можете изменить продолжительность периода ведения Журнала, а также стереть все текущие записи, для чего можно нажать кнопку Стереть (Clear History). Затем достаточно нажать ОК, чтобы сделанные вами изменения вступили в силу.

Ввод URL в строке адреса

Ввод адреса нужной страницы в адресной строке браузера — один из наиболее частых приемов навигации по Web. Вам совсем не обязательно вводить наименование протокола http:// перед каждым URL страницы Web, т. к. Internet Explorer 4 (и Netscape Navigator^[18] 4) сделают это самостоятельно.

С помощью ввода в строке адреса можно обратиться не только к узлам Web, но и к другим ресурсам Интернета. Если сам браузер не способен выполнить затребованную функцию, то будет вызвано приложение, поддерживающее нужный протокол. К примеру, если в строке адреса ввести news: relcom.newusers, то будет вызвана программа Outlook Express (или иной клиент новостей, установленный по умолчанию на вашем компьютере), и эта уже программа загрузит указанную группу новостей. Ниже в таблице представлены виды ресурсов, которые можно ввести в адресной строке браузера.

Дополнительный совет: если вы посещаете чью-либо домашнюю страницу, расположенную на сервере под управлением UNIX, то адрес этой страницы может содержать знак тильды (~), — не забывайте правильно вводить этот знак с клавиатуры.

Таблица 2.

Тип файла (ресурса) ∙ Пример URL, на который показывает ссылка

Web-страница ∙ http://www.mYsite.ru/mY-page.htm

Файл ∙ file://С:/picture.bmp

Файл мультимедиа ∙ http://www.mYsite.ru/video.avi

Адрес электронной почты ∙ mailto: user@company.ru

FTP-сервер ∙ ftp://ftp.mysite.ru

Gopher-сервер ∙ gopher://gopher.mysite.com

Статья UseNet ∙ news: relcom.newusers

Сеанс Telnet ∙ telnet://mysite.ru

Автозавершение адреса

В браузере Internet Explorer 4 (и Netscape Navigator 4) можно использовать функцию авто-завершения URL для тех адресов, которые вы уже когда-то посещали. Вам достаточно ввести несколько первых символов адреса, а браузер сам допишет остальное. Чтобы включить или отключить эту функциональную возможность в браузере Internet Explorer 4, следует установить или соответственно снять флажок Использовать автозавершение (Use AutoComplete) на закладке Дополнительно (Advanced) окна Свойства обозревателя (Internet Options). Чтобы вызвать это окно, выберите пункт Свойства обозревателя (Internet Options) в меню Вид (View).

Несмотря на явную полезность функции автозавершения, есть случаи, когда ее приходится отключать. В основном это случается, когда вам надо посетить много страниц внутри одного и того же узла, используя прямой ввод URL в адресной строке, а браузер упрямо подставляет вам совсем другие адреса страниц этого же узла.

Автоматический подбор имени узла

Если вы знаете лишь название организации, но не уверены в полном адресе Web-узла, Internet Explorer 4 поможет вам найти нужный сервер. Достаточно ввести в адресной строке браузера название нужной организации (латинскими буквами), а браузер постарается подобрать адрес, последовательно подставляя www. впереди набранного имени, а в конец — имя домена. com, edu, gov, mil. Вполне возможно, что нужный узел легко отыщется таким образом.

Т.е., к примеру, таким образом вы запросто найдете сервер Аэрофлота, не указывая его полного адреса. Можно ввести в адресной строке браузера лишь одно слово aeroflot, a Internet Explorer подставит нужные префикс и суффикс и загрузит узел www.aeroflot.com.

К сожалению, Internet Explorer 4 не подставляет доменные имена, образованные от названия стран, поэтому найти таким образом серверы, кончающиеся на. ru, su, fi, de. il и т. д. не удастся^[19].

Переключение кодировок русского языка

"Выберите кодировку…" — эта надпись, символизирующая классический русский камень на распутье, встретит вас практически на всех отечественных серверах Web. Исторически у нас получилось так, что локальные кодировки, принятые на компьютерах с разными операционными системами (Windows, UNIX, DOS, Mac), продолжают существовать и в виде сетевых кодировок. Поэтому, если загрузив какую либо страницу Web, вы видите набор совершенно непонятных символов кириллицы, то это значит, что кодировка на сервере не совпадает с кодировкой, установленной в браузере. В таком случае можно выбрать кодировку на сервере с помощью имеющегося там меню или сменить кодировку у браузера. Второй способ — более универсальный, т. к. ряд серверов не предоставляет возможности сменить кодировку.

Вообще говоря, за стандартную кодировку русских страниц в Интернете принята так называемая кодировка KОI8-R (которую поддерживают компьютеры под управлением UNIX). Именно она описана в RFC-1489, официальном документе комитета InterNIC (ftp://ds.internic.net/rfc/rfc!489.txt). Однако повсеместное внедрение Windows на ПК и серверов World Wide Web под управлением операционной системы Windows NT составляет "оппозицию" этому стандарту, реализуя "явочным порядком" поддержку кодировки 1251, принятой в различных версиях Windows. Кроме того, в российской части Интернета вы встретите и такие сервера, где документы представлены всего лишь в одной кодировке. Пример одного из узлов, где поддерживается только кодировка Windows 1251 — это узел российского представительства Microsoft (http://www.microsoft.com/rus).

Чтобы изменить кодировку русскоязычной страницы Web в браузере Internet Explorer 4, выберите пункт Шрифты (Fonts) в меню Вид (View), а в Netscape Navigator 4 — пункт Encoding в меню View. Перед вами откроется список возможных кодировок, в котором вам нужно лишь выбрать нужную. Еще один способ — нажать на кнопку с буквой А на панели инструментов и в открывшемся меню выбрать нужную кодировку.

Кроме того, в браузере Internet Explorer 4 достаточно просто переключить кодировку страницы можно и с помощью выпадающего меню. Для этого, расположив указатель мыши на текстовой части страницы, щелкните правой клавишей мыши. Появится выпадающее меню, где вы найдете нужный вам пункт Язык (Language), а далее уже следует выбрать нужную вам кодировку.

Примечание. В браузере Netscape Navigator 4 отсутствует возможность по переключению кодировки страницы с помощью выпадающего меню, и там следует пользоваться пунктом Encoding в меню View.

Лекция 12

Документооборот в корпоративных интра- и экстрасетях

Интрасеть (или intranet) — это частная корпоративная сеть, использующая программные продукты и технологии Internet, например, Web-сервер. Интрасети могут быть изолированы от внешних пользователей Internet с помощью специальных программ, называемых брандмауэрами, или просто функционировать как автономные сети, не имеющие доступа извне. Обычно компании создают интрасети для своих сотрудников, однако полномочия на доступ к ним иногда предоставляются деловым партнерам и другим группам пользователей.

Другим способом обеспечения совместного доступа деловых партнеров к информации, хранящейся в интрасети, является создание экстрасети (extranet). Этим термином обычно называют часть интрасети, предназначенную для доступа извне. Деловые партнеры часто создают экстрасети, обеспечивающие ограниченный доступ к отдельным частям своих интрасетей. Деловым партнерам доступны только те части интрасети, на которые они имеют соответствующие права доступа. Для конкурентов же любой доступ к такой интрасети закрыт.

Создать интрасеть несложно. Например, компании достаточно организовать в своей локальной или территориально распределенной сети Web-сервер, снабдить пользователей Web-браузерами и при необходимости предусмотреть брандмауэр.

Как и сама сеть Internet, интрасети быстро становятся ключевым элементом корпоративных информационных систем. Фактически, большинство проданных на сегодня Web-серверов используются именно в интрасетях. Компании пришли к пониманию того, что такие "внутренние" Web-узлы являются идеальным средством распространения информации среди сотрудников. Причина проста: интрасеть обладает всеми достоинствами Web, включая возможность публикации документов, содержащих графику, звук, видео и гипертекстовые ссылки. Поскольку все документы Web создаются в одном и том же формате (HTML), они доступны любому работающему в сети сотруднику, у которого есть Web-6pay3ep. Если Internet изменила способ взаимодействия коммерческих предприятий с "внешним миром", то интрасети совершенно меняют характер внутренних коммуникаций.

Интрасети являются для компаний идеальным средством предоставления информации своим сотрудникам. Независимо от конкретной платформы, оснащенная интрасетью компания может публиковать на своих узлах важные внутренние документы. Такие документы обычно включают в себя внутренние правила, различные процедуры, связанные с кадрами, сведения о сотрудниках, руководства, данные о продукции, рекламную информацию, отчеты отраслевых аналитиков, прайс-листы и каталоги. Важно то, что все эти документы легко доступны для любого работающего в сети сотрудника, оснащенного браузером.

Сотрудники получают преимущества мгновенного доступа к самой последней информации, хранящейся в центральном архиве, а компании могут сократить или совсем исключить затраты на печать документов. Короче говоря, предоставляя доступ к разнообразной информации в масштабе всего предприятия, интрасети позволяют сотрудникам работать эффективнее, а компания начинает функционировать более слаженно и экономично.

Важную роль в корпоративной интрасети играет электронная почта. Она обеспечивает своевременное взаимодействие между сотрудниками и ускоряет деловые процедуры. Поскольку электронная почта позволяет присоединять к своим сообщениям файлы, сотрудники могут распространять средствами электронной почты любую информацию — от простых отчетов до обновлений программного обеспечения и полноценных мультимедиа-презентаций. Наиболее совершенные системы электронной почты способны также маршрутизировать документы между отдельными пользователями и досками объявлений, обеспечивая коллективную работу над проектами. С учетом всех тех затрат, которые связаны с традиционными коммуникациями, стоимость электронных коммуникаций несравненно ниже.

Кроме WWW и E.mail интрасети предоставляют и ряд других весьма заманчивых возможностей. Например, вместо обычных совещаний можно проводить видеоконференции в интрасети. При этом можно не только слышать своих партнеров, но и видеть их, просматривать документы, вносить в них необходимые коррективы.

Весьма показательны результаты опроса 445 немецких компаний самого разного масштаба, проведенного в начале 1996 г. фирмой Computerwoche. Большинство принявших участие в опросе менеджеров информационных систем считает, что внедрение технологий intranet позволит повысить экономическую эффективность корпоративных компьютерных сетей. Более всего в реализации intranet заинтересованы компании, число сотрудников в которых превышает 500 человек: они на 1–2 шага опережают остальных, хотя пятая часть компаний в этой категории высказала твердое "нет" сетевой революции. Что касается временных рамок, то 16 % опрошенных компаний были намерены перейти к intranet еще в 1996 году, более половины планировали внедрить их в 1997 г. Менее одной пятой опрошенных организаций оставляли решение этой проблемы до 1998 г., одна десятая — до 1999 г. И только 2 % — до следующего столетия.

Экономия и удобство

Основные технологии, на которых строится интрасеть, были специально разработаны так, чтобы обеспечить независимость от платформы и общедоступность. Такие технологии как Всемирная "паутина" (World Wide Web) были созданы для того, чтобы дать возможность ученым, работающим на различных платформах, обмениваться информацией через Internet, не тратя времени и сил на подготовку версий одного документа для нескольких платформ. В результате любой пользователь интрасети может просматривать помещенные в ней документы с помощью Web-браузера.

Даже небольшая компания, имеющая только один офис и располагающая сетью скромных размеров, может выиграть от создания интрасети. Выгоды от использования этой технологии увеличиваются вместе с ростом количества сотрудников, размеров сети и числа удаленных сетевых узлов.

По мере роста организации увеличиваются и ее затраты, если информация распространяется среди сотрудников посредством таких традиционных способов как печатные меморандумы и бюллетени. Другие методы распространения информации, такие как электронная почта и совместный доступ к файлам, тоже могут оказаться достаточно трудоемкими и потребовать больших затрат времени на управление.

Публикация документов в интрасети оказывается наиболее рентабельным и быстрым среди всех способов электронного взаимодействия. Каждый сотрудник, который имеет соответствующим образом настроенную рабочую станцию и браузер Web, может читать документы, подготовленные в определенном формате и помещенные на сервер интрасети. Если бы те же документы нужно было представлять в виде файлов в каталоге общего доступа или в виде электронных сообщений, то зачастую пришлось бы создавать несколько копий одних и тех же документов в разных форматах, чтобы сделать их доступными для всех платформ рабочих станций и приложений, имеющихся в организации.

Создав интрасеть, организация может по мере необходимости изменять содержание опубликованных в ней документов с очень небольшими дополнительными издержками. Если в организации, не имеющей интрасети, возникает необходимость изменить и скорректировать содержание разосланного пользователям электронного сообщения, то приходится посылать каждому из них новое сообщение. Почтовый ящик каждого пользователя в таком случае содержит две версии электронного со общения.

Интрасети имеют преимущество и перед другими способами взаимодействия. В интрасети можно создать такие документы, которые предоставляли бы пользователям информацию в реальном времени, например, текущие биржевые сводки или самые последние данные о каком-либо сегменте рынка. Имея практически мгновенный доступ к таким сведениям, сотрудники компании могут более оперативно реагировать на изменения рынка или на действия компаний-конкурентов, а это в свою очередь сказывается на росте доходов компании.

Еще одно достоинство интрасети состоит в том, что, публикуя в ней документы, компания получает обратную связь с пользователями. Например, если документы распространяются в печатном виде или в форме общедоступных файлов на сервере, то невозможно определить, читают ли сотрудники эти материалы. Если же материалы опубликованы на сервере интрасети, то всегда можно проследить, сколько пользователей прочитало их и даже какие именно материалы пользователи читают наиболее часто.

Пользователи находят все новые способы снижения затрат с помощью интрасетей, особенно после того, как появились спецификации, поддерживающие видео-, аудио- и графические форматы документов в Web. Например, многие компании установили в своих интрасетях приложения, позволяющие сотрудникам получать доступ к базам данных компании через браузер Web. Таким компаниям не приходится создавать или приобретать специализированные программы для доступа к базам данных, поскольку вся необходимая информация оказывается доступной через интрасеть. Такие продукты как GroupWise Web Access даже дают возможность пользователям читать электронные сообщения и работать с расписанием с помощью браузера Web. Возможности снижения долгосрочных затрат и повышение удобства работы ограничиваются только вашим воображением и размерами текущего бюджета вашей организации.

Дополнительные выгоды от совместимости с Internet. Без особых затрат организация может соединить свою интрасеть с Internet. Тогда удаленные пользователи (например, находящиеся в командировке сотрудники или клиенты компании) получат возможность доступа к ее интрасети через Internet. Организация может управлять доступом пользователей к документам, разрешая всем желающим просматривать одну часть документов, а другую их часть, делая доступной только для определенного круга пользователей. Можно также разрешить пользователям интрасети выход в Internet, открыв им доступ к богатейшему фонду информации, содержащему сведения практически на любую тему.

Документооборот в интрасети

Слежение за документами на предприятии может оказаться непосильной задачей. Дело просто в том, что бумаг слишком много, а их содержание слишком разнообразно. С чем только ни приходится иметь дело — от рекомендаций по методам работы со счетами клиентов до памятных записок, содержащих описание действий, которые компания должна предпринять, чтобы удовлетворить современным требованиям к пресс-релизам, сообщающим краткую сводку данных из квартального отчета компании.

Как правило, для решения этих проблем компании используют системы управления документооборотом. Эти системы обеспечивают закрытый интерфейс клиентских станций (proprietary front end) для доступа к центральному серверу; кроме того, в системах имеются средства контекстного поиска, благодаря которым пользователь может разыскивать документы по определенной теме, а также программы преобразования файлов. Пользователи могут импортировать файлы из систем управления документооборотом в программы обработки электронных таблиц и под готовки текстов.

Конечно, системы подготовки документов — это мощное средство работы. Однако возможности таких систем возрастут многократно, если их функции соединить с открытостью и простотой intranet. Комбинация этих двух технологий обеспечит пользователям простой и быстрый доступ к большим объемам информации.

С появлением intranet, изготовители систем управления документооборотом стали снабжать серверные части своих приложений интерфейсами с Web-браузерами. Ожидается, что рост популярности intranet поможет расширить число пользователей систем управления документооборотом.

Использование Web служит наглядной иллюстрацией возможных выгод компании от обеспечения легкого доступа к информационным страницам. Все большее число компаний начинают осознавать привлекательность такого пути к усовершенствованию систем управления документооборотом.

Руководители информационных отделов предприятий обычно приветствуют переход к использованию Web-технологий, поскольку это избавляет их от необходимости поддерживать нестандартные интерфейсы систем управления документооборотом или настраивать нестандартные средства взаимодействия таких систем на работу с операционными системами, установленными на пользовательских рабочих станциях. Вместо этого достаточно будет обеспечивать поддержку того же универсального программного обеспечения, которое они и раньше рекомендовали пользователям для работы с intranet.

Системы управления документооборотом с выходом на Web имеют еще одно важное достоинство: они облегчают размещение документов на intranet, поскольку многие из них обеспечивают HTML-индексацию документов "на лету".

Еще одно преимущество состоит в том, что системы управления документооборотом работают точно так же, как Web-серверы, с которыми пользователи хорошо знакомы и работа с которыми не доставляет им ни малейших затруднений. Пользователи уже научились разыскивать необходимые им документы на Web, поэтому им не составит большого труда осознать, какие возможности предоставляют им новые системы. Системы управления документооборотом, при этом, обеспечивают более развитые средства поиска, чем те, что можно найти на обычных Web-серверах. Как правило, стандартные средства поиска Web допускают поиск по одному или двум словам, в то время как системы управления документооборотом позволяют искать документы, вводя три или четыре ключевых слова.

Системы управления документооборотом имеют развитые функции защиты и позволяют привилегированным пользователям редактировать документы и перемещать их из одного подразделения в другое.

Многоуровневый характер Intranet

Одним из важнейших достоинств intranet с точки зрения принятия решений о целесообразности внедрения этих технологий на предприятии является многоуровневый характер их функциональных возможностей. К одному концу спектра функциональных возможностей интрасети относятся статические Web-страницы, которые заменяют корпоративные печатные документы или обеспечивают новый способ совместного использования информации; на другом находятся сложные клиентские интерфейсы для офисных серверных приложений. Естественно, что более высокий уровень функций стоит дороже. Определение уровня возможностей своей интрасети, составляющего часть этого спектра, обеспечивает основу планирования, которое может использоваться компаниями для руководства принятием бизнес решений и осуществлением инвестиций в технологии.

Способность фирмы повысить уровень функциональности своей интрасети обуславливается рядом факторов, связанных с возможностью создания соответствую щей сетевой инфраструктуры. Сеть на базе TCP/IP с доступом к Internet, защищенным с помощью брандмауэра, — это необходимый стартовый минимум. Наличие соединений между ПК, рабочими станциями, серверами и мэйнфреймами создаст массу благоприятных возможностей для интеграции знаний и опыта, накопленных в компании. Наличие специалистов по технологиям клиент-сервер и Internet существенно влияет на качество и время выполнения работы.

Уровень 1. Имея базовую сетевую инфраструктуру, организации могут сделать следующий шаг для построения интрасети. Буквально в течение одного-двух дней можно установить недорогие браузеры и Web-серверы с базовым информационным наполнением. Это самый распространенный способ создания интрасети "с нуля".

Организационное значение исходной конфигурации интрасети непосредственно связано с тем, насколько полезно ее информационное наполнение. Значимость этого наполнения способствует тому, что различные подразделения компании присоединяются к системе и добавляют информацию, и, следовательно, значимость интрасети экспоненциально увеличивается. Когда сеть начинает широко использоваться и появляется возможность доступа к "критической" массе данных, внимание администратора переключается на структуру и организацию информации.

На этом этапе мы имеем интрасеть уровня 1, обеспечивающую статический доступ к статическим данным. Термин "статический доступ" указывает на способ поиска информации пользователями. В рассматриваемом случае он осуществляется с помощью имеющихся связей или известных адресов. Данные являются статическими: они однажды созданы и могут быть изменены только владельцем информации.

Сети уровня 1 характерны для начального этапа совместного использования корпоративной информации. Являясь относительно простым, этот уровень, тем не менее, обеспечивает высокую отдачу от инвестиций. Компания Harris вычислила, что одно приложение, предоставляющее в интерактивном режиме справочник корпоративных методов и процедур, дает ежегодную экономию в 50 тыс. дол.

Уровень 2. Со временем, когда пользователи обнаруживают, что найти нужную информацию становится все труднее и труднее, самая сильная сторона интрасети уровня 1 становится ее самой большой слабостью. Богатую сложную информацию трудно охватить с помощью структуры на основе ссылок. Значительный объем этой информации приводит к тому, что поиск нужных данных начинает требовать серьезных затрат времени. Поэтому на следующем этапе компания вводит поисковые средства.

Механизмы поиска информации и путеводители по Web упрощают пользователям нахождение документов, однако приводят к усложнению системы, поскольку нуждаются в управлении индексами поиска. Кроме того, они заставляют администраторов с повышенным вниманием относиться к системной и сетевой производительности.

Итак, компания добралась до интрасети уровня 2. Инвестиции растут, поскольку многие из необходимых средств стоят намного дороже тех, которые требовались для интрасети уровня 1. Но при этом пользователи получают динамический доступ к статическим данным. Система помогает пользователю находить нужную информацию, но за поддержку информации по-прежнему должны отвечать люди. В общем случае интрасеть уровня 2 способствует более активному использованию информационной базы корпорации.

Уровень 3. Когда компания реализует интерфейсы между системой и существующими базами данных и приложениями, происходит переход к интрасети уровня 3. Это позволяет связать с интрасетью финансовые, кадровые, инженерные, коммерческие и другие приложения и базы данных, чтобы обеспечить к ним более широкий доступ с помощью простого в использовании клиентского интерфейса.

Нередко такую систему считают интрасетью с полным набором услуг. Немногие инструментальные средства способны помочь в разработке подобной среды. Для того чтобы обеспечить интерфейс с внешними ресурсами, требуется специализированный программный код. Во многих случаях необходим дополнительный код для интеграции информации из множества источников в единое представление.

Пользователи получают средства доступа нового поколения, которые помогают управлять все более усложняющейся информационной средой. Эти средства базируются на "выталкивающей" (push) модели предоставления информации. Вместо осуществления запросов и поиска (по системе "вытягивания" информации), пользователи создают свои профили по интересам, на которые ориентируется система, принимая решение, какую информацию выдать ("вытолкнуть") данному пользователю. Пользователь получает сообщение, когда интересующие его данные поступают в интрасеть или когда происходят определенные изменения элемента базы данных. Теперь интрасеть обеспечивает динамический доступ к динамическим данным.

Интрасеть уровня 3 позволяет интегрировать все информационное богатство корпорации. На этом уровне корпорация может строить приложения, обеспечивающие интеграцию данных из множества источников.

Уровень 4. Это последний этап метаморфоз интрасети. Имея доступ ко всей корпоративной информации, организации могут настраивать его в соответствии с задачами бизнеса, потребностями своих клиентов или отдельных служащих.

Сложность и богатое информационное наполнение интрасети сделаетвозможной разработку нового поколения приложений. Данные о продажах будут взаимосвязаны с процессами отслеживания заказов, составления счетов и оплаты. В случае задержки поставок торговые агенты автоматически получат сообщения, которые позволят им оповестить заказчиков.

Организации будут разрабатывать приложения для настройки информации на специфические нужды пользователей. В качестве примера можно привести комплексную систему управления, которая обеспечит автоматическую реализацию продаж при выполнении определенных условий и составит расписание, автоматически устанавливающее связь с нужной информацией о служащем или клиенте, либо сведениями по конкретному вопросу для проведения деловой встречи или какого-нибудь мероприятия.

Интрасети будут вовлечены в процесс обслуживания заказчиков, интегрируя внутренние системы с продажами на базе Web, маркетинговыми и сервисными приложениями. Будет обеспечен персонифицированный доступ к персонифицированным данным внутри и — при соответствующих условиях — вне корпорации. Интрасети уровня 4 — это архитектура корпоративной информации будущего, обеспечивающая базу для разработки и развертывания приложений.

ЭЛЕКТРОНИКА

Термометр цифровой

А. Шамов, Г. Шик

Цифровой термометр предназначен для измерения температуры в диапазоне от О до 99,9 °C. От известных конструкций, его отличает довольно широкий диапазон измеряемых температур, простота конструкции и налаживания. Недостатком термометра является невозможность измерения отрицательных температур. Термометром можно быстро и точно измерить температуру тела человека, температуру растворов, воды, воздуха, фоторастворов.

Предлагаемый цифровой термометр имеет следующие технические характеристики:

— диапазон измеряемых температур 0…99.9 °C,

— разрешающая способность 0,1 °C;

— точность измерения: в диапазоне 10…90 °C — 0,1 °C;

— в диапазоне 0…10 °C — 0,5 °C;

— в диапазоне 90…99,9 °C — 0,3 °C.

— время измерения температуры 1 с;

— время индикации температуры 3 с.

— потребляемая мощность 1 Вт.

— габариты 136х100х50 мм, масса 0,3 кг.

Функциональная схема термометра показана на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема термометра

Прибор состоит из пяти основных блоков: преобразователя температура — частота (блок 1), генератора прямоугольных импульсов (блок 2), счетчика импульсов с дешифратором (блок 3), блока питания (4) и индикатора (блок 5).

Блок 1 преобразует прямое падение напряжения на датчике (диоде) в частоту. Импульсы с выхода преобразователя-интегратора заполняют прямоугольные импульсы, идущие с генератора, и далее поступают на счетчик — блок 3, который преобразует эти пакеты импульсов в код управления семисегментными индикаторами. Во время счета импульсов индикаторы не горят — они заперты сигналом, приходящим с генератора, который также вырабатывает сигнал сброса показаний в конце цикла индикации. Блок питания 4 вырабатывает все необходимые напряжения для питания блоков термометра.

Принципиальная схема термометра изображена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема термометра

За основу устройства взят преобразователь температура — частота в электронном термометре с непосредственным отсчетом. Температурная зависимость падения напряжения на р-n переходе при фиксированном токе через него и малая нелинейность характеристики температура — напряжение позволяют применять полупроводниковые диоды в качестве датчиков температуры. С такими датчиками можно изготавливать электронные термометры, не вводя в приборы специальные линеаризующие устройства. В преобразователе используется датчик — диод VD5, падение напряжения на котором необходимо для работы интегратора. Интегратор собран на операционном усилителе DA2 К574УД1Б, имеющем большую скорость нарастания выходного напряжения, чем обеспечивается высокая скорость отслеживания и достигается точность преобразования, равная 0,1 °C: Когда интегрирующий конденсатор С3 заряжается до напряжения — 10 В, интегратор сбрасывается однопереходным транзистором VT2. Опорное напряжение, задающее порог отпирания однопереходного транзистора и стабилизирующее ток через датчик VD5, обеспечивается термостабилизированным стабилизатором VD3, VD4. Выходное напряжение интегратора через дифференцирующую цепочку C4R16 поступает на токовый ключ — транзистор VT3, формирующий пакеты импульсов. На базу VT3 приходят сигналы преобразователя и генератора прямоугольных импульсов. Генератор собран на операционном усилителе DA1 КНОУД8Б, обеспечивающем выходное напряжение прямоугольной формы с периодом 4 с. Скважность импульсов устанавливается резистором R2 так, что отношение длительности импульса к паузе равно 1:3. За время длительности импульса, равное 1 с, на вход счетчика поступают импульсы, количество которых пропорционально измеряемой температуре; за время паузы, равное 3 с, эта информация высвечивается индикатором. Во время счета индикаторы заперты напряжением — 15 В, приходящим с генератора. После подсчета количества импульсов, пропорционального измеряемой температуре, ключ VT3 закрывается, лампы HL1-HL3 в течение 3 с высвечивают информацию, хранящуюся в счетчиках DD1-DD3. В конце периода индикации транзистор VT1 и дифференцирующая цепочка C2R9 формируют импульс сброса показаний счетчиков. Для улучшения стабильности работы генератора в качестве конденсатора С1 применяется конденсатор К73П-3 с малыми токами утечки и хорошей термостабильностью.

Блок питания (рис. 3) собран по распространенной схеме. Опорные напряжения формируются стабилитронами VD2-VD6. Сердечник трансформатора питания имеет сечение 2,5 см². Его первичная обмотка намотана проводом ПЭВ 0,1 и содержит 5000 витков. Вторичные обмотки II и III намотаны проводом ПЭВ 0,14 и содержат 2х400 витков; обмотка IV — 20 витков провода ПЭВ 0,31.

Рис. 3. Принципиальная схема блока питания от

Для увеличения точности измерения во всем диапазоне 0…99,9 °C можно использовать кварцевый генератор секундных импульсов, схема которого показана на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема кварцевого генератора

Задающий генератор собран на микросхеме DD1 в одном корпусе с двумя делителями частоты. Коэффициент деления первого делителя равен 2⁹, а второго 2⁶. Генератор с кварцевым резонатором Z1 формирует последовательность импульсов частотой 2¹⁵ Гц (32 768 Гц). Эти импульсы подаются на 15-разрядный делитель частоты. На выходе 5 микросхемы DD1 частота генератора понижается до 1 Гц. Для получения прямоугольных импульсов со скважностью 2 и периодом 2 с применен делитель частоты на D-триггере (микросхеме DD2). С выхода 1 этой микросхемы снимается сигнал частотой 0,5 Гц. Этот сигнал подается на сетки ламп HL1-HL3 и резистор R5, сопротивление которого необходимо уменьшить до 10 кОм. Генератор, собранный по приведенной схеме, имеет хорошую временную и температурную стабильность. В случае использования кварцевого генератора следует переделать печатную плату с учетом изменения схемы (удаляются детали DA1, VD1-VD2, R1-R4, С1). Использование кварцевого генератора и термокомпенсированного конденсатора С3 в преобразователе температура — частота позволяет снизить погрешность измерения в диапазоне 0…99,9 °C до 0,1 °C и менее. Время индикации показаний в этом варианте составляет 1 с.

Конструкция и детали. В термометре применены постоянные резисторы MЛT 0,125, подстроечные резисторы R13, R14 — СП5-3 проволочные, многооборотные. Применение однооборотных резисторов нежелательно, так как пороги срабатывания интегратора должны быть выставлены очень точно. Резистор R15 — СПЗ-1Б или СПЗ-22. Конденсатор С3 — К10-23 или КМ4, КМ5. Его лучше составить из нескольких конденсаторов, имеющих ТКЕ разных знаков, так, чтобы суммарный ТКЕ был близок к нулю. Эти меры необходимы для обеспечения максимальной точности измерения температуры. Для этой же цели в преобразователе используется ОУ К574УД1Б. Если достаточна точность измерения не более 0,3…0,5 °C, можно использовать ОУ КНОУД8Б. Конденсатор С1 в генераторе может быть заменен другим, имеющим изоляцию из фторопласта или тефлона, соответствующей емкости и габаритов. Транзисторы блока питания VT1, VT2 могут быть КТ502, КТ503; КТ201, КТ203. Счетчик может быть построен на ИС серии К155, но тогда возрастет потребляемая мощность, потребуется внести изменения в блок питания и блок индикации прибора. Датчик прибора — германиевый точечный диод Д9. Его выводы согнуты в одну сторону, припаяны к кабелю с фторопластовой изоляцией, на половину корпуса надета трубка из полихлорвинила. Когда датчик опускается в токопроводящую среду, нужно следить, чтобы он не погружался более чем на половину длины корпуса. Для работы в агрессивных средах, с кислотами и щелочами, датчик следует защитить эпоксидной смолой, обеспечивающей его изоляцию и хорошую теплопроводность. Если возникает необходимость использования нескольких датчиков, расположенных в разных местах при точности измерения не более 0,3…0.5 °C, можно использовать датчики КД518А, предварительно отобрав их по одинаковому падению напряжения при токе через диод 1 мА, также потребуется установить переключатель П2К на необходимое количество датчиков. Для измерения температуры фоторастворов на корпусе датчика можно закрепить кусочек пробки или пенопласта так, чтобы подводящие концы датчика были изолированы, а корпус касался измеряемой среды и плавал на ее поверхности.

Весь термометр собран на трех печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На одной из них, с габаритами 130х40 мм, из двустороннего стеклотекстолита собран генератор прямоугольных импульсов со счетчиком и индикаторами (рис. 5).

Рис. 5. Печатная плата генератора, счетчика и индикатора

На второй, с габаритами 80x40 мм, собран преобразователь температура — частота (рис. 6) и на третьей, с габаритами 130х40 мм, собран блок питания, включая и трансформатор (рис. 7).

Рис. 6. Печатная плата преобразователя температура-частота

Рис. 7. Печатная плата блока питания

Платы с помощью уголков крепятся к основанию из гетинакса толщиной 3 и размером 130х1х90 мм. Все три платы размещены в корпусе размером 135х100х50 мм, спаянном из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм. Окно для считывания показаний на лицевой стороне корпуса термометра закрыто оргстеклом сине-зеленого цвета. Кабель датчика наматывается на выступы на задней стенке термометра. Там же выводится и кабель питания прибора. Для калибровки термометра использовались цифровой частотомер 43–32 и цифровой промышленный термометр. При использовании простых термометров и частотомеров точность настройки может достигать 0,3…0,5 °C.

Для калибровки преобразователя от базы транзистора VT3 отсоединяют генератор и к выходу преобразователя (коллектор VT3) присоединяют частотомер. Предварительно резистором R15 устанавливают ток через датчик VD5, равный 1,0 мА. Затем датчик помещают в среду, имеющую температуру 100 °C (кипящая вода), одновременно контролируя температуру термометром. Резистором R14 устанавливают выходную частоту 1000 Гц. Затем датчик охлаждают до 0 °C (тающий снег) и резистором R13 срывают колебания интегратора — частота 0 Гц. Эти операции повторяют 3–4 раза для устранения взаимного влияния резисторов R13 и R14. Затем присоединяют генератор к базе транзистора VT3 и резистором R2 устанавливают показания счетчика при температуре 99,9 °C, равным 99,9. После этого проверя ют линейность устройства во всем диапазоне. При необходимости настройку повторяют.

Универсальный регулятор мощности

В. Гребенщиков, В. Амелин

Предлагаемый вниманию радиолюбителей универсальный регулятор мощности (УРМ) предназначен для плавной регулировки мощности в нагрузке до трех киловатт. С его помощью можно поддерживать постоянными температуру, освещенность и другие параметры.

Возможность регулирования больших мощностей весьма актуальна при конструировании ЦМУ или создании мощных термостабилизаторов.

Универсальный регулятор мощности состоит из генератора пилообразного напряжения, устройства управления тиристором, дифференциального каскада для поддержания постоянной температуры (или освещенности) и блока питания. Принципиальная схема УРМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема универсального регулятора мощности

Генератор пилообразного напряжения собран на транзисторе УЗ с RC цепочкой (R3R5C1) и стабилитронах V1 и V2. Принцип его работы следующий: конденсатор С1 периодически заряжается через резисторы R1 и R5, а затем быстро разряжается через транзистор УЗ в то время, когда он открыт. Постоянная времени цепи R3R5C1 выбрана такой, что за время одной полуволны выпрямленного напряжения конденсатор С1 успевает зарядиться лишь до напряжения +15 В. На конденсаторе получается напряжение, близкое к пилообразному и синхронированное с напряжением сети. Синхронизация обеспечивается отрицательными импульсами, снимаемыми с делителя напряжения R1R2 и стабилитронов V1, V2, открывающих транзистор V3 в конце каждого полупериода пульсирующего выпрямленного напряжения. На рис. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу генератора пилообразного напряжения и схемы управления тиристором. Стабилитроны V4, V5 предохраняют по следующие каскады от перегрузок по напряжению. Транзистор V6, включенный по схеме эмиттерного повторителя, служит для согласования.

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений:

_{а — генератора пилообразного напряжения; б — устройства управления тиристором при верхнем положении движка резистора R5; в — устройства управления тиристором при нижнем положении движка резистора R5}

Устройство управления тиристором состоит из дифференциального каскада, собранного на транзисторах V7 и V8, и усилителя тока, выполненного на транзисторе V9. Это устройство вырабатывает прямоугольные импульсы, длительность которых меняется в зависимости от напряжения на базе транзистора V8 и пилообразного напряжения, поступающего на базу транзистора V7. В течение каждой полуволны выпрямленного напряжения тиристор включается на большее или меньшее время, благодаря чему и достигается плавная регулировка мощности.

Для поддержания постоянной температуры или освещенности используется дифференциальный каскад, собранный на транзисторах V11 и V12, в одно плечо которого включен терморезистор R10, а в другое — переменный резистор R15, задающий нужную температуру. С повышением температуры уменьшается сопротивление терморезистора и соответственно напряжение на базе транзистора V11. Это напряжение сравнивается с напряжением, снимаемым с потенциометра R15. Разность напряжений усиливается дифференциальным усилителем и подается на базу транзистора V8, что приводит к уменьшению выделяемой на нагрузке мощности. С понижением температуры на базу V8 подается меньшее напряжение и соответственно мощность в нагрузке возрастает.

Если необходимо поддерживать постоянную освещенность, вместо резистора R10 устанавливается фоторезистор или фотодиод, включенный в обратном направлении. В этом случае конденсатор С2 следует исключить, а номинал резистора R15 подобрать экспериментально.

При использовании УРМ с ЦМУ можно применять различные схемы фильтров и детекторов. Необходимо только учесть, что для нормальной работы детектированный сигнал должен иметь постоянную составляющую напряжения +8 В. В качестве примера предлагается активный фильтр на трех транзисторах с Т-образным мостом и детектором для одного из каналов ЦМУ (рис. 3).

Рис. 3. Активный фильтр и детектор канала ЦМУ

Генератор пилообразного напряжения и блок питания будут общими для всего устройства, а каскад на транзисторах V11, V12, включая резистор R16, следует исключить. Выход детектора каждого канала необходимо соединить с базой транзистора V8 УРМ соответствующего каскада управления тиристоров, а базы транзисторов V7 УРМ соединить вместе.

Настройку УРМ необходимо начать с тщательной проверки монтажа и только после этого подать питание. Блок питания должен вырабатывать напряжения, указанные в схеме, с точностью ±20 %. Далее следует установить переключатель S1 в положение «Плавно», в качестве нагрузки включить лампу накаливания HI на 220 В, движок потенциометра R5 установить в нижнее по схеме положение. Передвижением движка подстроечного резистора R16 добиться такого положения, при котором лампа находится на пороге загорания, но не светится. При этом на базу транзистора V8 должно быть подано напряжение около +8 В. Затем, передвигая движок потенциометра R5, наблюдать за изменением яркости лампы: в нижнем положении движка лампа гореть не должна, а в верхнем — должна светиться полным накалом. Если плавно регулировать яркость не удается, необходимо подобрать сопротивление резистора R9, однако делать его менее 100 Ом не рекомендуется. После этого можно приступать к проверке работы УРМ в режиме термостабилизации и градуировке шкалы установок температуры. Для этого в сосуд с водой следует поместить какой-либо нагреватель, например кипятильник, термометр и терморезистор. Выводы терморезистора не должны вступать в контакт с водой, места их соединения с проводами можно залить эпоксидной смолой. Затем установить тумблер S1 в положение «Т° пост.», а движок резистора R15 — в верхнее по схеме положение, и опускать его до тех пор, пока не загорится лампа. При этом надо помешивать воду и следить за показаниями термометра. По истечении некоторого времени температура воды должна установиться и более не подниматься. На шкале резистора R15 нанести риску, соответствующую полученной температуре, перемещая движок резистора R15 далее, нанести метки, образующие шкалу установок температуры.

Для проверки работы активного фильтра ЦМУ (см. рис. 3) по постоянному току необходимо замерить напряжение на базе транзистора VI, коллекторе V2 и эмиттере V3. Все они должны быть равными приблизительно половине напряжения источника питания (около + 5 В). Емкости конденсатора С для фильтра рас считываются исходя из формулы

f_рез = 0,16/RC.

Так, для f = 100 Гц С = 0,16 мкФ, для f = 300 Гц С = 0,05 мкФ, для f = 10 кГц С = 1600 пФ. Для согласования работы детектора с регулятором мощности на выход детектора следует подать постоянное смещение + 8 В с помощью подстроечного резистора R12.

УРМ собран из широко распространенных элементов. Транзисторы V3, V6, V7, V8, указанные в схеме, можно заменить на любые другие германиевые транзисторы с аналогичными параметрами. Все постоянные резисторы типа MЛT, переменные — типа СП-I. Необходимо учесть, что резисторы R1 и R3 должны быть рассчитаны на мощность не менее 2 Вт. Электролиты К.50-6, но возможны и другие типы. Транзисторы V11 и V12 необходимо подобрать по коэффициенту усиления. Еще лучше использовать вместо них микросхему К1НТ291 или КШТ591 с любым буквенным индексом. Трансформатор в УРМ — типа ТН12, можно взять и другие понижающие трансформаторы с напряжением вторичной обмотки 13…14 В. Терморезистор СТЗ-14, но можно и другой, подойдет также переход эмиттер-база германиевых транзисторов. В качестве фотодатчика может быть использован фотодиод ФДК226 или фоторезистор СФ2-4. В ЦМУ в качестве развязывающего трансформатора использован согласующий трансформатор от приемника «Альпинист». Если необходимо регулировать мощность до 500 Вт, то вместо тиристора Т25 можно установить тиристор КУ201 или КУ202 с любыми буквенными индексами. Регулируемую мощность каждого канала можно увеличить от 3 до 10 кВт при использовании более мощных диодов, например В25, В50, и тиристоров (Т50, Т100). Схема УРМ при этом не изменится, но может потребоваться снижение номинала резистора R9 до 80…50 Ом, при этом коммутация силовой части прибора (сетевой шнур, диодный мостик V19…V22, цепь тиристора) должна быть выполнена проводом сечением не менее 2 мм², например МГШВ 2,5. К конструкции устройства предъявляются следующие основные требования по безопасности: корпус устройства должен быть изолирован от всех токоведущих частей. Все пайки и соединения должны быть выполнены качественно и надежно. При настройке и эксплуатации УРМ следует соблюдать правила техники электробезопасности, так как цепи УРМ гальванически связаны с сетью. Нельзя производить пайку при включенном питании.

ТЕХНОЛОГИИ

Производство грибов

Ральф Курцман

Глава 1

Подготовка к выращиванию грибов

Выращивание грибов это искусство, основанное на науке и технологии. Руководствуясь некоторыми фактами, мы можем поделить тех, кто планирует заниматься выращиванием грибов, на несколько групп. От того, что находится в распоряжении у производителя на первоначальном этапе, зависит его принадлежность к той или иной группе.

1. Квалифицированный специалист, имеющий опыт работы на грибной ферме.

2. Наличие отходов

3. Отходы от собственного предприятия или фермы

4. У производителя есть здание или возможность приобрести его по низкой цене

Многие из вас могут предположить, что представитель первой группы добьется наибольшего успеха, и вы будете удивлены, узнав, что каждый из них может добиться успеха. Большинство отходов пригодно для использования, но лучше всего использовать их смесь. Многие владельцы ферм должны обратить на это свое внимание. Хотя существует ряд исключений, большинство зданий, в которых планируется выращивать грибы, не предназначены для этого.

Не все отходы подходят для выращивания грибов. Самое важное на этом этапе знать, что им необходимо. Грибы больше похожи на свиней или скот, чем на овощи. Хотя все, в чем они нуждаются, должно находиться рядом с ними, как и в случае с овощами. А это не так уж просто. Пища для грибов является пищей для животных и растений, впрочем, как и сами грибы. У животных и растений для защиты есть шкура или кожура. У грибов же нет подобной защиты, кроме того, что они с завидным упорством пытаются выжить. Самым важным орудием в выращивании грибов является соблюдение санитарных норм.

Даже если у специалистов возникают проблемы в процессе выращивания грибов, то, скорее всего их обсуждение не поможет остальным. Было бы целесообразно начать разговор с рассмотрения вопроса о том, какие отходы лучше всего использовать, так как это будет более полезным. Но, прежде всего, необходимо рассмотреть вопрос о месте для выращивания грибов. В противном случае не получится собрать большой урожай. Поэтому мы начнем с обсуждения помещения, так как именно оно является физической защитой для грибов.

Большинство зданий не подходят для выращивания грибов, так как для них необходимы особые условия. Как мы будем изучать эти условия? Одним из лучших способов изучения живых существ — это наблюдение за условиями их обитания в живой природе.

ПРИРОДНАЯ ЭКОЛОГИЯ ГРИБОВ

Грибы «Вешенки» были обнаружены в лесах умеренного пояса, а некоторые виды даже в тропических лесах (Рисунок 1).

Рис. 1. Учитесь у природы.

_{а. Слева, Дикий Pleurotus (вешенка). б. Справа, Дикий Agaricus (шампиньон).}

Обычно они растут на упавших стволах, так же можно увидеть эти грибы на больных, но все еще живых деревьях. И хотя вероятнее всего было бы предположить, что сухая древесина является наиболее подходящим грунтом, было обнаружено, что солома и лигнино-целлюлоза лучше подходят как почва для выращивания грибов. Чаще всего в лесах нет достаточного количества света, и влажность там всегда повышена. Лесной мусор (листья, ветви деревьев, продукты жизнедеятельности) накрывает упавшие деревья. Способность выжить у грибов зависит от способности выбраться из-под этого «покрывала» на поверхность.

Индикаторами для определения приближения к поверхности для вешенок служат низкий уровень концентрации углекислого газа и свет. Деревья отфильтровывают солнечные лучи таким образом, что преобладает голубой свет^[20]. В результате этого вешенки реагируют только на голубой свет. Это касается и других видов.

Грибы, родственные вешенкам выращиваемые на фермах, в природных условиях растут на более открытых пространствах, где в почве содержится компост и сгнивший мусор. И хотя открытые пространства могут предполагать потребность к свету, мы обнаружили, что Шампиньоны (Agaricus) и другие виды грибов, растущие на гниющем лесном мусоре, не нуждаются в свете. Они так же не переносят и углекислого газа. На открытых пространствах его уносит ветер. Но возможно более благоприятным является фотосинтетический способ переработки углекислого газа травой и другими растениями.

Мы не можем ответить на все вопросы о среде обитания, путем простых наблюдений живой природы, но мы можем увидеть, что существует ряд требований, которые следует учитывать при выборе условий посадки и дальнейшей культивации.

ЗДАНИЕ И ОБОРУДОВАНИЕ

Как мы уже говорили ранее, большинство зданий не приспособлено для выращивания грибов. Существует ряд требований, которые необходимо выполнять при выборе здания для выращивания вешенок:

1. Температура от 15 до 20 °C

2. Влажность от 80 до 95%

3. Вентилирование

4. Свет

5. Санитария

Температура и влажность должны сохраняться постоянно на указанном уровне, остальные же требования зависят от особенностей той или иной разновидности. Любые резкие перепады в температуре станут причиной изменения влажности, которое в свою очередь губительно скажется на грибах. При температуре равной 20 °C, влажность составит 90 %. Если температура упадет до 19 °C, то уровень влажности поднимется до 100 %. Если температура поднимется до 21 °C, то уровень влажности снизится до 82 %. При температуре 15 °C изменение уровня влажности составит один процент. Так при снижении температуры на 1 °C, влажность будет равна 99 %, а при повышении на 1 °C влажность снизится до 83 %. Такое взаимодействие между температурой и влажностью создает потребность в изоляции. Для изоляции можно использовать специальный укрывной материал. Для этой же цели можно поместить на каменную кладку тонкий слой почвы, соломы или даже бумаги.

При 100 % влажности, все вокруг намокает очень быстро. Наоборот, если уровень влажности составляет 80 %, грибы начинают засыхать. При высоком уровне влажности многие строительные материалы начинают гнить или ржаветь. Таким образом, условия выращивания грибов ограничивают нас в выборе строительных материалов. Бетон и пластик могут противостоять влажности с наименьшими потерями. Некоторые производители используют деревянную или металлическую конструкцию, покрытую пластиком. Другие же используют древесину и металл без покрытия, но такое строение прослужит не долго. Огромной проблемой является и то, что паразиты и инфекция скапливаются в древесине и других пористых материалов.

Полиэтилен и изоляционные материалы необходимы не только для защиты от сырости, но и для поддержания температуры и влажности на необходимом уровне. На следующем рисунке мы видим пластиковую прослойку между балками металлического здания (Рисунок 2).

Рис. 2. Здание. Изоляция.

В Азии, например, для строительства домов люди вынуждены использовать бамбук, полиэтилен, а для изоляции — солому (Рисунок 3).

Рис. 3. Здание. Изоляция "Соломой", а. Тайский вариант

б. Тайвань ^[21]

Хорошее вентилирование необходимо для здоровья, как грибов, так и работников. Для роста грибам необходим низкий уровень углекислого газа. Pleurotus (Вешенки), как и другие грибы, будут расти в том случае, если уровень углекислого газа будет оставаться низким. Для создания тока воздуха обычно используются центробежные вентиляторы. Прежде чем попасть в комнату воздух должен быть подогрет или охлажден до нужной температуры, а так же увлажнен. Пар может одновременно подогреть воздух и насытить его влагой. Вентиляция должна очистить помещение от углекислого газа, образовавшегося в результате жизнедеятельности грибов и людей. Люди могут выдержать 10 %-ное содержание углекислого газа в воздухе, что касается грибов, то они более чувствительны. Грибы должны быть срезаны до того, как появятся споры, но даже при должном контроле некоторые споры могут отделиться. Такие споры вызывают приступы астмы и сенной лихорадки, а вентилирование поможет удалить их из воздуха.

Для вешенок свет имеет большее значение, чем для других видов. О необходимом количестве света написано много, но существует всего несколько экспериментов, проведенных с наибольшей точностью. Как я уже отмечал ранее, свет в лесу голубой. Все мои попытки вырастить грибы при свете ламп накаливания были тщетными^[22]. Этот свет скорее желтый, чем голубой. Флуоресцентный свет распадается на спектр. Наиболее известным является, так называемый «холодный свет^[23]». Если он достаточно яркий для того, чтобы при нем можно было читать, и лампы включены на протяжении 8 часов, то такого света вполне достаточно. Солнечный свет не подходит для освещения, так как от него зависит температура воздуха. Чаще всего водоросли и другие растения так же подвергаются опасности^[24] из-за воздействия солнечного света.

Agaricus (Шампиньоны), наиболее распространенный вид выращиваемых грибов, не нуждаются в свете, а некоторые их разновидности даже меняют свой цвет под воздействием солнечных лучей. Единственным источником света в помещении могут быть фонари на шлемах^[25] рабочих.

Нет необходимости делать в помещении окна. В случае если грибы будут нуждаться в свете, то флуоресцентных ламп будет вполне достаточно. Если же освещение понадобится людям, то можно будет использовать фонарь^[26].

Здание должно отвечать санитарным требованиям, которые можно выполнить, приняв следующие меры:

1. Установить фильтры поступающего воздуха

2. Установить щиты или фильтры на выходе воздуха

3. «Воздушная пробка» в комнатах для переодевания

4. Использование ванны для ног^[27]

5. Герметичность

Все отверстия должны быть защищены от проникновения паразитов и разного рода инфекций. Все вентиляционные люки необходимо снабдить фильтрами или тонкими защитными щитами. На отверстиях для впуска воздуха так же должны быть установлены щиты. Для этого идеально подходят^[28] фильтры НЕРА. (Рисунок 4).

Рис. 4. Воздушные фильтры.

Поскольку перебои в энергоснабжении могут вызвать остановку вентилирования и насекомые могут проникнуть в здание, то такие фильтры просто необходимы. Следует так же учитывать и то, что некоторые насекомые могут лететь против воздушного потока, если он не очень сильный.

Помещение для людей, работающих на фабрике, не потребует больших финансовых затрат, так как будет состоять из легкого каркаса и черной пластиковой пленки. В нем должны храниться резиновые ботинки, ванна с солью или гипохлоритом для обуви, а так же чистая одежда, защитные маски и резиновые перчатки. Наиболее слабым источником света для грибов может стать натриевая лампа. Такие лампы излучают свет, похожий на дневной. Они подходят и для людей. Насекомые не видят их, поэтому они так же могут служить для создания «воздушной пробки» в комнатах для переодевания. Для этой цели подходят и лампы накаливания, так как они невидимы для насекомых^[29].

Если в здании кроме необходимых для вентиляции отверстий есть еще и другие, то насекомые могут проникнуть внутрь. Для наибольшей герметичности, необходимо закрыть отверстия при помощи изоляционной пены, силикона или другого уплотняющего материала.

ПЕРВОНАЧАЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА СУБСТРАТА

Для выращивания Agaricus (шампиньонов) необходим участок, на котором субстрат намокает и перемешивается с другими составляющими. Такой участок находится под открытым небом, но иногда над ним помещается крыша. Всю тяжелую работу на данном этапе выполняют погрузчики или другие машины. Для дезинфекции участок должен быть зацементирован.

После того как субстрат перемешают, он должен превратиться в компост. Для перемешивания обычно используют техническое оборудование. Процесс происходит под открытым небом. Для этой же работы люди могут использовать вилы. Большинство фермеров ссыпают компост в силосные ямы. Этот процесс должен происходить под открытым небом, так как поток воздуха проходит через субстрат и тот в результате брожения превращается в компост. Так же возможно добавлять в ямы пар или выполнять пастеризацию.

Для разновидностей, растущих в лесу, чаще всего используется субстрат который пропускается через молотковую мельницу (Рисунок 5). Для получения лучшего субстрата смешиваются несколько ингредиентов. Участок для перемалывания смеси должен быть сухим, поэтому над ним необходимо построить крышу.

Рис. 5. Подготовка субстрата. Молотковая дробилка. Переработанная слома.

В некоторых случаях субстрат остается сухим до процесса пастеризации, а иногда он предварительно увлажняется. В любом случае, в конечном итоге субстрат намокает и помещается в емкость, предназначенную для выращивания грибов.

ПОСЛЕДНИЙ ЭТАП ПРИГОТОВЛЕНИЙ

Для ПАСТЕРИЗАЦИИ требуется оборудование, которое может поддерживать температуру ВСЕГО субстрата от 55° до 60° в течение 30 минут. Температура никогда не должна быть выше^[30]! Оборудование так же должно защищать смесь от загрязнения и дать ей возможность остыть до 25° в течении 16–20 часов.

Для СТЕРИЛИЗАЦИИ требуется оборудование, которое способно подогреть смесь до температуры 121° в течение 15 минут. Такая температура необходима для камеры давления^[31]. Смесь должна находиться в емкости, которая не допускает проникновения микроорганизмов. Охлаждение должно проходить медленно, чтобы разница между атмосферным давлением и давлением пара в емкости не была значительной.

Для стерилизации требуется больше оборудования и больше топлива. Так же необходимо контролировать каждую стадию этого процесса^[32]. Стерилизация рекомендована для некоторых дорогостоящих разновидностей. Некоторые рекомендуют ее для Pleutorus (Вешенка). Это говорит о том, что они просто не знают, как проводить процедуру пастеризации правильно^[33].

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГРИБНИЦЫ

Санитарные требования для помещений, предназначенных для выращивания грибов, ниже, чем для помещений, где проходят процессы пастеризации, охлаждения или стерилизации. Здесь должны создаваться подходящие условия для образования грибницы. Воздух должен быть пригоден для работников, хотя нет необходимости контролировать уровень температуры и влажности. Лучше всего будет расположить помещение для выращивания грибов на расстоянии нескольких километров от здания, предназначенного для пастеризации и стерилизации. Такое расположение позволит избежать многих источников болезней и паразитов. Оборудование, применяемое для выращивания грибов, является основным во всем процессе. В любом случае это будет обсуждаться позже при выборе методов и видов оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выращивание грибов требует выполнения различных технических условий. Ни одно из этих требований не должно быть упущено^[34]. В том случае если они не будут выполнены, то вас ожидает или провал, или низкая урожайность. Оборудование должно обеспечивать все необходимые условия для выращивания грибов. Оно так же должно защищать от насекомых, паразитов и инфекций. Без создания благоприятных условий и защиты невозможно добиться урожая и сохранить его только с помощью грамотного управления.

Глава 2

Пастеризация

Каждый может выращивать шампиньоны при условии, что компост правильно подготовлен. Хотя, субстрат можно приготовить разный. То же самое касается и вешенки обыкновенной. Если использовать правильно подготовленный субстрат, все остальное довольно просто. При подготовке субстрата неотъемлемой частью является пастеризация. Важно ее правильно провести, т. к. параметры ее более ограничены, чем выбор подходящих компонентов. Субстрат, безусловно, очень важен, но чтобы получить максимальный результат, нужно соблюдать и остальные условия.

Почему не стерилизация?

Итак, разберемся с понятием пастеризация. Для начала, пастеризация не преследует цель уничтожить все микроорганизмы. Процесс, во время которого уничтожаются все живые микроорганизмы, называется стерилизацией. И как раз наоборот, именно стерилизация наносит больше вреда, чем пастеризация при выращивании вешенки. Многие полагают, что если удобрять^[35] грибы более тщательным образом, это только пойдет им на пользу. В действительности же, если превысить четко определенную норму требуемых условий, это может нанести им серьезный вред. При пастеризации влажная ткань нагревается до 55–60 °C в течение 30 минут. Ни единая часть материи^[36] не должна быть нагрета менее 55 °C или более 60 °C.

Одно преимущество в пользу применения пастеризации очевидно: небольшие затраты. Для стерилизации требуется специальное оборудование с большим давлением. А оно довольно дорогое и более того, для коммерческого производства требуется крупнотоннажное оборудование. Стерилизация также требует большего нагревания и более длительного периода времени. Таким образом, расход топлива для стерилизации в несколько раз превышает расходы, затраченные при пастеризации.

Высокая себестоимость оборудования может окупиться в том случае, если производство более объемное и к тому же снижается риск вероятности инфицирования грибов паразитами. Известно, что стерилизованный субстрат принесет меньше грибного урожая, и к тому же с большей вероятностью заболеваний. Для возможного заболевания существуют несколько причин. Во-первых, невозможность содержания крупномасштабных помещений для культивации, а также невозможность субстрата сохранять стерильность при производстве.

Во-вторых, пораженные микроорганизмы слабо сопротивляются микроорганизмам, оставшимся в субстрате после правильной пастеризации. А так как стерилизация уничтожает все живое в субстрате, то сохранившиеся микроорганизмы не присутствуют в стерильном субстрате, а потому они не сопротивляются^[37]. В-третьих, эти сохранившиеся микроорганизмы мало поглощают или вообще не поглощают целлюлозу или лигнин, то есть, те вещества, на которых растут грибы. Но они также используют гемицеллюлозу, — природный материал большинства видов субстрата, на которых лучше всего произрастают пораженные микроорганизмы.

В результате того, что микроорганизмы, сохранившиеся после пастеризации, используют гемицеллюлозу, появляется возможность увеличения объема производства. Благодаря гемицеллюлозе, благотворные микроорганизмы, оставшиеся после пастеризации удваиваются. Они служат удобрением для грибов. То есть, вешенки «поедают» микроорганизмы, выращенные на гемицеллюлозе, но которую грибы не могут использовать напрямую. Существуют признаки, что организмы, оставшиеся после пастеризации, сберегают больше азота, который требуется грибам. Они могут добывать азот из атмосферы. Итак, целью пастеризации не является избавление от всех живыхмикроорганизмов. Но при пастеризации уничтожаются те микроорганизмы, которые соперничают с грибами, а также увеличивается количество организмов, препятствующих возникновению болезней, потреблению гемицеллюлозы, вырабатыванию азота и станут подкормкой грибам.

Для приготовления идеального субстрата необходимо знать, как избавиться от пораженных микроорганизмов и как создать благоприятные условия для микроорганизмов, которые служат подкормкой грибам. Ясно, что если уничтожить все живые микроорганизмы из подкормки, благотворные организмы смогут лишь появляться из атмосферы или же люди, занимающиеся грибами, будут их туда вносить. Но микроорганизмы, проникающие из атмосферы, с большей вероятностью, чем благотворные, могут являться возбудителями болезнетворных бактерий.

Шампиньоны в естественных условиях произрастают в травянистых местах, там, где обычно имеются скопления экскрементов^[38] и мочи животных. Чтобы имитировать и улучшить естественный субстрат, производители используют тщательно приготовленный компост. В процессе компостирования субстрат выдерживается во влажном состоянии несколько недель. Сам процесс поглощает большое количество субстрата и генерирует значительное количество тепла. К тому времени, когда субстрат готов к пастеризации, он большей частью уже теряет способность производить тепло. Внутри компост нагревается, но снаружи утрачивает тепло быстрее, чем оно успевает генерироваться. С целью снизить риск заболеваний и заражения паразитами, компост обрабатывается струей горячего пара. Сложно представить иной способ пастеризации компоста для такого семейства грибов, как шампиньоны.

Грибы семейства вешенка в естественных условиях произрастают на мертвых деревьях или на необработанном лесоматериале. Между древесиной и экскрементами животных, смешанных с травой очень мало сходства. Трава дает лигнин и целлюлозу грибам семейства шампиньоны, а необработанный лесоматериал дает лигнин и целлюлозу вешенкам. Грибы, также как и все живые микроорганизмы, нуждаются в воде.

Однако на этом и заканчиваются все сходства между шампиньонами и вешенками. Как было упомянуто в предыдущей главе, для приготовления качественного субстрата используется много растительного сырья. Однако предпочтительней всегда иметь сухое сырье и чтобы оно не являлось пригодным для пищи большинства животных, и не представляло пищевой ценности для крупного рогатого скота и других жвачных животных. Если сырье влажное, на нем могут быть пораженные микроорганизмы, и его будет гораздо сложнее пастеризовать. Все, что имеет какую-то пищевую ценность для животных, имеет тенденцию к развитию заболеваний.

Многие производители начали свою деятельность с разведения шампиньонов, а в последствии перешли на вешенки. Но они пытались выращивать вешенки тем же образом, что и шампиньоны. Как я уже упоминал, их естественная среда абсолютно разная, и выращивать их теми же способами — просто неразумно. Для достижения желаемых результатов, производителям стоит задуматься над тем, что вешенки — это абсолютно другое семейство грибов, требующее к себе иного подхода при их разведении, чем шампиньоны.

Почему бы не применять пар?

Чтобы грибы смогли произрастать субстрат должен быть влажным. Но так как пар не может давать достаточное количество влаги, нужна вода. Те, кто используют пар, обычно добавляют холодную воду в течение нескольких дней. Субстраты из соломы, яичной скорлупы^[39] и некоторые другие качественные субстраты покрываются природным воском^[40]. Воск препятствует чрезмерному увлажнению субстрата. Через несколько дней вода впитается, но к тому времени могут уже появиться патогены/болезнетворные микроорганизмы.

Если большую часть сухого сырья, которое не представляет пищевой ценности для животных^[41], просто увлажнить, оно не будет генерировать много тепла. По этой же причине очень сложно пастеризовать паром субстрат вешенки тем же путем, что и субстрат шампиньона. При пастеризации идеальная температура субстрата — 55–60 °C в течение 30–60 минут. Температура ни в коем случае не должна превышать^[42] 60 °C. Субстрат вешенки — хороший изолятор тепла, поэтому, если тепло поступает в виде пара или воздуха, на это потребуется много времени и нельзя быть уверенным, что там не возникло холодных воздушных ям^[43]. Засеките время для приготовления/жарки целой курицы, и увидите, когда курица готова к употреблению, ее внутренняя часть не такая горячая, как воздух в духовке. Способы жарки курицы и паровой пастеризации субстрата во многом схожи. Принцип парового нагревания в типичном контейнере заранее увлажненного субстрата показан на (Рис. 5).

Риг.5. На рисунках показан метод использования пара при пастеризации субстратов

Пастеризацию можно провести лишь путем добавления горячей воды, нагретой до температуры 55°-60 °C. На Рис. 6 показан принцип нагревания водой типичного контейнера с субстратом.

Рис. 6. На рисунках показаны горячие потоки воды и пара при пастеризации.

Субстрат полностью сухой до тех пор, пока не добавлена горячая вода. Сравните Рис. 5 и 6. Теперь субстрат нагрет до 56 °C, что предпочтительнее температуры^[44] 55 °C, так как необходимо компенсировать тепло, используемое для нагревания сухого субстрата. Желательно использовать больше воды, но при этом ее температура не должна превышать 60 °C. Если маленькая часть субстрата подвергается нагреванию при температуре более 60 °C в течение короткого времени, и субстрат хорошо перемешан, благотворные микроорганизмы смогут восстановиться. Но тогда может возникнуть небольшая потеря урожая. Однако если какая-нибудь часть нагревается менее 55 °C, или же не увлажнена, вероятна опасность возникновения заболеваний и вредителей.

Малые производители грибов

Те, кто выращивает грибы в небольшом объеме, могут использовать довольно простое оборудование для пастеризации, и могут в этом хорошо преуспеть. Все что требуется, так это большой контейнер и, либо ресурсы горячей воды (Рис. 7), либо приспособление для нагрева воды в контейнере (Рис. 8).

Рис. 7. Цистерна/бак для пастеризации соломы путем добавления заранее нагретой воды. На рисунке субстрат из соломы был засеян уже после охлаждения и помещен в пластиковые пакеты для выращивания грибов. (Россия)

Рис. 8. Стальные барабаны с газовыми горелками для нагрева воды.

Рис. 8А. Пастеризованный субстрат извлекается из воды при помощи цепного полиспаста. Он будет медленно охлаждаться в стерильном контейнере. (Мексика)

Для этого удобны в использовании чистые стальные барабаны с нагревательным устройством. Также возможно впускать в воду пар для ее нагревания. Сначала вода нагревается до 56–60 °C, затем туда добавляется субстрат, который находится там в течение 30–60 минут. После этого можно отвести воду или извлечь субстрат из воды. Необходимо удалить излишек воды по прошествии 60 минут, так как в горячей воде очень мало кислорода, а «хорошие»/положительные микроорганизмы используют кислород, после чего субстрат становится анаэробным. Тот же метод применяется и в случае с контейнером. Берется контейнер с субстратом, куда добавляется горячая вода (56–60 °C) до тех пор, пока субстрат целиком не покрыт горячей водой. Так же как и в первом случае, воду необходимо слить через 30–60 минут. Но вода должна быть нагрета еще до соприкосновения с субстратом! Время и температура очень важны в обоих случаях, при добавлении воды в субстрат и наоборот, помещения субстрата в воду.

Также важно соблюдать верные пропорции воды, иначе ее избыток может привести к потере урожая. Для получения максимального урожая субстрату требуется достаточное насыщение воздухом. Исследования показывают, что углекислый газ оказывает благотворное влияние на формирование урожая (грибов) в период высева. Желательно несколько раз открывать контейнер с урожаем для сохранения влаги и естественного поступления углекислого газа. Тем не менее, в некоторых видах субстрата могут образовываться другие газы, некоторые из которых препятствуют росту грибов. Очень важно подобрать оптимальное количество воды, обеспечить достаточное количество вентиляции в пластиковый или другой контейнер для выращивания грибов. Нужно определить путем проб, сколько требуется воды для субстрата, какие нужно проделывать отверстия для максимального роста и урожая грибов. Рекомендуются субстраты с содержанием двух или более видов остатков растений. В смеси обычно поступает некоторое количество воздуха, но они с трудом поддаются консервированию.

Когда субстрат высушен, нужно позволить ему медленно охлаждаться в очищенном от лишнего (или закрытом сверху) месте. Охлаждать его нужно до 25 °C, а потому на это потребуется, по меньшей мере, 16 и обычно не более 20 часов.

Именно в период охлаждения происходит рост большинства благотворных микроорганизмов. В конечном итоге субстрат должен источать сладко-кислый запах. Как только субстрат охладился до 25 °C, следует перемешать мицелий и упаковать его в пластиковые или другие контейнеры. Все: воздух, помещение, рабочая одежда, а также сами рабочие, должны быть чистыми. На рабочих должны быть резиновые перчатки.

Оба вышеперечисленных метода погружения субстрата в горячую воду хороши для субстрата из соломы и других видов, которые будут иметь хорошую атмосферу после высушивания. Однако, не применимы субстраты из макулатуры, хлопка/хлопчатника, льна/парусины, опилок, или иные субстраты, которые с трудом упаковываются в сжатом воздушном пространстве. Для субстратов, которые упаковываются в сжатом виде, требуются смесители/мешалки для перемешивания субстрата во время пастеризации.

Средние производители грибов и некоторые виды субстратов

Мешалки/смесители позволяют даже нагревать и контролировать нужное количество воды в субстрате. Так как невозможно правильно пастеризовать субстрат в простом контейнере путем применения пара, такие машины/смесители и повышенная степень осторожности в управлении температурой делают даже паровую пастеризацию возможной.

Смеситель/мешалка может использоваться для пастеризации путем добавления горячей воды в нее. Затем добавляется субстрат, или, наоборот, путем добавления горячей воды в субстрат. Так как в простых контейнерах необходимо использовать излишки воды, то в смесителе вам требуется лишь количество воды, необходимое для увлажнения субстрата. Возможность контролировать количество воды открывает несколько преимуществ. Во-первых, это единственный путь, когда мы можем использовать субстраты, которые естественным путем не впитывают излишки воды. Во-вторых, это значит, что нет сточных вод. Излишки воды, отведенные от субстратов, крайне неблагоприятны, и их правильно ликвидировать довольно трудно. Тем не менее, грибам необходимо огромное количество воды, поэтому добавляйте столько воды, сколько может удержать субстрат. При этом не закрывайте вентиляционные отверстия^[45]. Наверняка трудно оценивать вентиляционные отверстия, лишь взглянув на некоторые субстраты; единственный путь выяснить это

— провести исследование. Для того чтобы узнать процент содержания воды в пастеризованном субстрате, нужно взвесить сухой субстрат и измерить количество воды. Когда будет определено оптимальное количество воды, таким же оно и должно быть постоянно. Если же ингредиенты, используемые в субстрате, меняются, тогда, вероятно, должно измениться и оптимальное содержание воды в нем.

Если при пастеризации берется большее количество воды, чем требуется для оптимального роста, сухой субстрат может лишь вызвать маленькое понижение температуры. Однако при использовании достаточного количества воды для оптимального роста, температура увлажненного субстрата может быть гораздо меньше/ниже температуры добавляемой воды. Есть опасность, что если температура добавляемой воды более 60 °C, положительные/благоприятные микроорганизмы погибнут. Возможно, появится необходимость уравнять/компенсировать пониженную температуру. Вероятно, лучшим способом добавления тепла будет поместить нагревательную рубашку на дно смесителя/мешалки. Температура в ней может быть даже более 60 °C, пока субстрат сухой. Во время процедуры нагревания сухого субстрата, его нужно постоянно помешивать. До тех пор пока у микроорганизмов не появится достаточное количество воды для роста, они способны переносить большую жару^[46]. Но когда добавляется вода, температура пакета не должна превышать 60 °C и не следует прекращать процесс помешивания/перемешивания. После того, как вода добавлена, субстрат должен находиться там в течение 30–60 минут при температуре 55–60 °C.

Так же как и при всех методах, пастеризованный субстрат должен медленно охлаждаться/остывать в течение 16–20 часов. Охлаждение осуществляется лишь путем отключения всех источников нагревания, после того, как будет отведен излишек воды. Субстрат следует оставить в машине для пастеризации или переместить его в чистый контейнер. Если его все-таки переместить, тогда возможно будет пастеризовать следующую порцию. Охлаждение зависит от ряда условий: количества субстрата, окружающей температуры (температуры помещения), любой изоляции/обособления, любого движения субстрата во время охлаждения, и других причин.

Хорошо, если процесс охлаждения будет происходить в смесителе/мешалке. Если охлаждение слишком медленное, или если субстрат начинает саморазогреваться, смеситель поможет его охладить. Когда субстрат охлажден и готов к упаковке в контейнеры для выращивания (мешки), и т. д., смеситель может также использоваться для посадки грибницы/ мицелия в субстрат.

На Рис. 9^[47] показана конечная часть двухвинтового смесителя с винтовым конвейером.

На Рис. 10^[48] блок-схема двухвинтового смесителя и приспособлений, которые отводят излишки воды. Смеситель, показанный на Рис. 9 заменил аналогичный, но меньших размеров. Оба этих аппарата довольно успешно применяются при паровой пастеризации.

На Рис. 11^[49] показаны блок-схемы частей двух одинарных смесителей/мешалок. Одна, справа, используется для пастеризации, затем винтовой конвейер двигает субстрат к смесителю слева, где он охлаждается. Как только субстрат охлажден, в машину слева добавляется грибница/мицелий, и тогда другой винтовой конвейер делает из зараженного мицелием субстрата «гигантские колбаски». На Рис. 12^[50] показано внутреннее устройство машины-мешалки для пастеризации (справа на Рис. 11).

Рис. 11. Конечные блоки двух одновинтовых смесителей, используемые для пастеризации, охлаждения, засеивания и наполнения «гигантских колбасок» — контейнеров для выращивания. (Россия)

На Рис. 13 показан процесс заполнения/ наполнения «гигантских колбасок», контейнеров зараженным мицелием субстратом. На дне миксера/смесителя для пастеризации находится нагревательная рубашка, а предмет/коробка вдалеке слева — Высокоэффективный фильтр для охлаждения воздуха, который вдувается в мешалку/смеситель слева, когда требуется дополнительное охлаждение. Использование этого оборудования позволит полностью завершить процесс по подготовке субстрата без минимального участия людей и контакта с нефильтрованным воздухом. Нельзя быть уверенными, что вредные и болезнетворные микроорганизмы полностью уничтожены, но это оборудование снижает риск их появления.

Рис. 13. Наполнение «гигантских колбасок» — контейнеров для выращивания субстратом, который был засеян в охладительном смесителе (смеситель справа на Рис. 11).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пастеризация — самая решающая ступень в процессе выращивания грибов. Тот, кто их выращивает, должен уделять особое внимание времени и температуре. Температура ни одного из субстратов не должна быть менее 55 °C в течение 30 или более минут во время пастеризации. Она также ни в коем случае не должна превышать 60 °C, когда субстрат влажный. Для отвода излишка воды с субстрата может использоваться самое простое оборудование. Для тех, кто выращивает более 250 кг (1/4 тонны) грибов ежемесячно, наиболее выгодным и быстро окупаемым окажется приобретение смесителя/мешалки. Оборудование, способное пастеризовать субстрат, а также охлаждать, засевать грибницей и наполнять им контейнер, стоит дороже, но зато оно обеспечивает более надежную защиту от болезнетворных микроорганизмов и паразитов, а также экономит огромные затраты человеческого труда.

Глава 3

Разведение грибов «вешенка»

Людей, планирующих разводить грибы можно разделить на группы по некоторым факторам, перечисленным ниже:

1. Квалификация/опыт — человек работал на фабрике по выращиванию грибов

2. Отходы, которые человек видит

3. Отходы на собственной ферме или другого бизнеса

4. Владеет зданием или имеет возможность купить по низкой цене

К настоящему моменту мы предполагаем, что вы понимаете процесс и готовы начать выращивание грибов. Для этого вам необходимо выбрать материал, который вы будете использовать в качестве субстрата, и изучить все этапы выращивания, начиная с подготовки субстрата и заканчивая сбором урожая и уборкой после сбора урожая.

ВЫБОР СУБСТРАТА

Прежде чем начать выращивание, нам необходимо определить, на чем мы будем выращивать. В настоящее время с успехом используются следующие виды отходов:

1. компост для шампиньонов

2. бревна древесины твердых сортов

3. щепки и опилки древесины твердых сортов

4. зерновая шелуха

5. сухие отходы от сельхоз. культур после сбора урожая

6. бумага

7. хлопковые отходы

8. рисовая солома

9. пшеничная солома

10. кукурузные стебли и стержни початков

11. другие виды соломы

12. отходы стран-потребителей кофе^[51]

13. отходы стран-производителей кофе

Бревна древесины твердых сортов являются естественным субстратом, но вероятно в данном списке самым бедным по составу является компост для шампиньонов. Все, на чем росли какие либо микроорганизмы, является неподходящим (угрожающим) субстратом для грибов вешенок. Другие нежелательные материалы — это клевер, люцерна, бобовые, все, что содержит простой сахар или любые «грибные добавки». Принимая во внимание опыт и публикации по выращиванию грибов, можно перечислить следующие желательные для субстрата качества:

1. чистый — хранился сухим, и ничто не росло на нем ранее

2. содержит лигнин и целлюлозу

3. хорошо удерживает много воды

4. удерживает воздух

Мы упомянули о чистоте стартового материала, но необходимо подчеркнуть важность сказанного. Все растущее на субстрате будет уменьшать количество питания, предназначенное грибам. Некоторые организмы могут вырабатывать ядовитые остатки. Другие могут представлять собой болезнетворные организмы, не полностью убитые в процессе пастеризации. Намного труднее вывести организмы, которые уже укоренились, чем те, которые присутствуют в небольших количествах.

Большинство растительных отходов содержат лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозу. Гемицеллюлозу можно назвать «улавливающей все», что содержит пектин и, например, я так же включаю крахмал. Большое количество гемицеллюлозы и некоторых других материалов в растительных отходах является нежелательным, но небольшие количества могут стать полезными, если правильно организовать работу. Бумага и хлопковые отходы из нашего списка возможных субстратов могут состоять из 100 % целлюлозы, но в смесях это может быть преимуществом.

Нам необходимо, чтобы наш субстрат удерживал воду, это будет вода в грибах, но какое-то количество воды так же испариться, и какое то количество выделится в процессе метаболизма. Субстрат должен хорошо удерживать воду, так как нам нужен воздух, и если вода не задерживается и вытекает, она будет закупоривать воздушные пространства и препятствовать росту.

ГРИБНИЦА

Грибница — это второй важный ингредиент. Мудро покупать грибницу самого лучшего качества из доступных вариантов. Даже если стоимость намного выше, это, вероятно, оправдает потраченные деньги. Крупные производители грибницы имеют очень свежий посевной материал, тщательно стерилизуют и контролируют процесс на каждом его этапе. Более мелкий производитель может по незнанию ввести вирусы или продать старую грибницу.

Необходимо внимательно ознакомиться с процедурами по грибнице, предоставленными производителем. Обычно компании-производители грибницы описывают лучшие условия и температуру для выращивания.

ПОДГОТОВКА СУБСТРАТА

Некоторые виды субстрата требуют предварительной подготовки. Солому необходимо порубить. Бумагу порезать. Кукурузные стебли и стержни початков поломать, Рис. 16^[52]. Лучшим оборудованием для такой работы может служить молотковая дробилка с насадкой. Насадки для молотковой дробилки представляют собой тяжелые стальные пластины с отверстиями. При помощи такой дробилки можно так же обрабатывать небольшие куски древесины, ветки деревьев и т. д. существуют несколько причин, по которым необходимо измельчать начальный материал. Наиболее важная причина состоит в том, что измельчение позволяет увеличить поверхность для прорастания мицелия, другая — сделать субстрат более компактным и легким в использовании.

Следующее, что необходимо сделать, это увлажнение и пастеризация. Для этого существуют два основных метода. Первый — так называемый метод горячей воды. В соответствии с этим методом, вода нагревается в большом контейнере до температуры 55–60 °C. НЕ БОЛЕЕ 60 °C! Затем в воду добавляют материал для субстрата. В идеале вода должна только покрывать субстрат. Оставить это на 30–60 минут.

НЕ БОЛЕЕ 60 МИНУТ! По истечении времени нужно слить воду и поставить субстрат в такое место, где он будет медленно остывать. Через 16–20 часов он должен остыть до температуры 25 °C. По истечении этих 16–20 часов и при температуре 22–25 °C субстрат будет засеян.

Метод горячей воды может быть использован для сырого субстрата, но в этом случае требуется больше внимания, и теряются некоторые преимущества. Если субстрат сырой, то вода должна быть ближе к 60 °C, чем к 55 °C. Необходимо внимательно следить за температурой при добавлении субстрата и не позволять температуре опускаться ниже 55 °C. При использовании сухого материала все, что намокает при температуре воды 55–60 °C, становиться пастеризованным. Если материал уже был сырым, то мы не можем быть полностью уверенными, что он равномерно прогрелся. По этой причине его необходимо выдержать до полных 60 минут. Еще одно преимущество метода горячей воды состоит в том, что в этом случае материал легко увлажняется. Жар^[53] растворяет естественный растительный воск, который мешает проникновению воды.

Второй метод — так называемый метод пропаривания. Субстрат необходимо намочить за несколько дней до пастеризации. В течение этого времени инородные организмы могут начать прорастание, поэтому время должно быть ограничено. Затем субстрат помещают в большой контейнер, возможно, использовать в этих целях комнату, и подают пар со дна. В данном методе желательно перемешивание субстрата и контроль за тем, чтобы весь субстрат нагрелся до температуры 55–60 °C. В течение следующих четырех часов пар должен продолжать поступать и держаться на температуре 55–60 °C. НЕ БОЛЕЕ 60 °C НА ПРОТЯЖЕНИИ ВСЕГО ВРЕМЕНИ И В ЛЮБОЙ ТОЧКЕ! По истечению четырех часов субстрат оставляют остывать от 16 до 20 часов до температуры 25 °C.

В методе горячей воды, тепло для нагрева воды может подаваться любым доступным способом. В методе пропаривания необходим пар.

Я подчеркивал, что температура не должна превышать 60°. Это может показаться странным, но опыт показывает, что более высокая температура будет способствовать развитию Триходермы, которая погубит посев. Кроме того, 55 °C на протяжении 30 минут убивают все вредные организмы в субстрате. Даже при условии, что мы очень внимательны, мы не можем проследить, что пар равномерно нагреет субстрат за такой короткий период времени, поэтому потребуется четыре часа. Мы относим триходерму к оппортунистическим^[54] организмам. Существуют и другие подобные организмы, но триходерма — наиболее опасна. Так же необходимо объяснить лимит в 60 минут в методе горячей воды. Вода при этой температуре содержит немного воздуха, и по истечении 60 минут в субстрате начинают расти анаэробные организмы, опасные для грибов.

ЗАСЕИВАНИЕ

После остывания субстрата до 25 °C можно начинать засевание. На этом этапе требуется соблюдение санитарных условий. Все в комнате должно быть чистым. Все сотрудники, находящиеся в комнате, должны быть в чистой одежде и с чистыми руками. Желательно наличие повязки на голове, хирургической маски и резиновых перчаток. Возможно, для комфорта рабочих потребуется вентиляция, воздух должен поступать через фильтр, лучше использовать высокоэффективный сухой воздушный фильтр (НЕРА filter). Полезно использование бактерицидной лампы в течение ночи перед засеванием.

Субстрат перемешивают с грибницей и помещают в контейнеры для выращивания. Точное соотношение грибницы и субстрата зависит определенным образом от типа субстрата, но грибница должна составлять от 1 до 5 % веса сухого субстрата.

Количество единовременно засеянной грибницы должно зависеть от того, как быстро она может быть помещена в контейнеры для выращивания. Желательно, чтобы субстрат был открытым в комнате как можно меньше времени, и чтобы контейнеры были запечатаны как можно быстрее.

КОНТЕЙНЕРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ

Следующие виды контейнеров^[55]используются для выращивания грибов вешенок:

1. открытые (соломенные) тюки Рис. 18.

Рис. 18. «Вешенка» — рост

2. «поддоны» различных видов (Рис. 19).

Рис. 19. Поддон. Петля опытного образца слишком прекрасная ^[56] для второго.

3. полиэтиленовые пакеты (Рис. 20).

Рис. 20.Полиэтиленовая сумка^[57].

_{А. На полках. В. Вешание С. Нелегальный^[58]. D. Прозрачный.}

4. полиэтиленовые «рукава» (Рис. 21).

Рис. 21. Полиэтиленовые «рукава»

_{А. Основание сухой^[59] в отверстиях. В. «вешенка» готовы. С. Горизонтальная стойка. D. Хорошее производство.}

Получается, что контейнеры под номерами 3 и 4 соответствуют требованию А), черный полиэтилен соответствует требованию Б). Требование В) зависит от того, какой субстрат и в каком количестве используется. В этом случае полиэтилен должен быть толщиной минимум 0,05 мм. Для соответствия требованию Г) (избежание самонагревания), контейнер не должен быть более 20 см в диаметре, независимо от того располагается ли он горизонтально или вертикально. Даже соблюдая лимит в 20 см, необходимо поместить разрастающуюся грибницу в прохладное место с хорошей циркуляцией воздуха, таким образом, лимит в 15 см может быть даже более практичным.

Наиболее сложным в определении и достижении является требование Д). Довольно успешным является метод, в котором субстрат пакуют в полиэтиленовые «рукава» и составляют на полках (развешивают на каркасах). Длинный поддон шириной 15–20 см с краями из проволочной сетки — одна из идей, которая используется и может быть модифицирована. Если сетка достаточно грубая и покрыта черным полиэтиленом изнутри, все 5 требований от А до Д могут быть соблюдены.

Другая идея состоит в том, чтобы пустить пластиковую трубку в центре субстрата. Трубка имеет множество отверстий для выхода тепла и углекислого газа, и доступа кислорода. Такое устройство может иметь 30–40 см в диаметре. Если трубка выступает по краям контейнера, то за нее можно горизонтально подвесить контейнер, для обертывания субстрата в данном случае используются полиэтиленовые «рукава».

РАЗРАСТАНИЕ ГРИБНИЦЫ

Разрастание грибницы — это период, когда мицелий растет и покрывает весь субстрат. Во время этого периода углекислый газ является полезным, кислород тоже необходим. Это так же период, во время которого из субстрата могут стекать излишки воды. Нельзя допускать, чтобы вода аккумулировалась в контейнере, поэтому необходимо небольшое отверстие для дренажа. После того, как мицелий начинает расти, необходимо большее отверстие для доступа кислорода. Лучше всего расположить такое отверстие на верху.

Как отмечалось ранее, температур» должна быть достаточно низкой, для избежания самонагревания. Это температура между 15 и 20 °C, но все зависит от субстрата и размера самого маленького контейнера. Необходимо наличие соответствующей вентиляции для поддержания постоянной температуры. Доступ и свет необходимы только для контроля роста и температуры. Единственным источником света в комнате может быть принесенный свет на батарейках (фонарь).

ПРОИЗВОДСТВО

Когда замечают хороший рост мицелия в субстрате, делают прорезы крест-накрест по 2,5 см для того, чтобы грибы росли наружу. Флуоресцентные лампы и вентиляция включены на полную мощность. Лучше всего расположить контейнеры на высоте 10 см и более над полом. Если потребление электроэнергии ограничено, и вентиляционная система не работает, углекислый газ будет собираться над полом, и первое время не будет наносить большой вред. Расположение контейнеров на некоторой высоте от пола так же будет препятствовать проникновению в них некоторых более крупных вредителей.

После того как отверстия прорезаны, и особенно когда начинают формироваться грибы, потребуется больше воды. Если в контейнере имеются большие отверстия, можно добавлять воду через них, но так же поливать можно и там, где отверстия предназначены для формирования грибов. Для этой процедуры лучше использовать распылители, так как они позволяют распылять воду в небольших количествах и снижают вероятность проникновения болезней. Что касается разбрызгивателей, они не позволяют добавлять воду в достаточных количествах.

Признаком поспевания гриба является хорошо сформированная гимениальная пластинка в то время, когда край гриба еще загнут вниз. Когда край выравнивается, освобождаются споры, гриб теряет вес. Освобожденные споры являются источником опасности, как для посева, так и для рабочих. Грибы не будут иметь хороший вид, и не будут долго храниться. Грибы, собранные чуть раньше времени, оставят больше питательных средств для следующей поросли, будут хорошо выглядеть максимальное кол-во времени и не приведут к проблемам со здоровьем рабочих и вашего посева. Чуть более длительное ожидание может позволить получить чуть больший урожай с этой поросли, но никак не с последующих. Если вы ждете еще один день, можно прогнозировать уменьшение веса урожая и возникновения множества проблем.

Необходимо обеспечить всех работающих на территории выращивания масками, резиновыми перчатками и сапогами, которые прошли обработку раствором поваренной соли или гипохлорита (отбеливатель для белья). Одежда и руки должны быть чистыми для предотвращения переноса болезней и паразитов.

Собирая урожай, необходимо выдергивать грибы из субстрата. Если их срезают, то срезанные поверхности, которые остаются в субстрате являются идеальным местом для развития триходермы (зеленой плесени). Необходимо очистить грибы перед отправкой на рынок.

Практика показывает, что вторая поросль (примерно через 10 дней после первого урожая) будет самой крупной. Не исключено, что и первая и третья поросль может быть самой крупной. В общем, желательно ликвидировать оставшийся субстрат после третей поросли, но иногда его сохраняют и для четвертой.

Хотя грибы будут продолжать появляться после третей поросли, и обычно даже после четвертой будет прорастать достаточное их количество, существуют некоторые причины, по которым рекомендуется закончить процесс. Во-первых, каждый день дает болезням и паразитам больше и больше времени для проникновения и укрепления. После того как они укрепились их труднее вывести и уберечь от них следующий посев.

Для следующего посева необходимо свободное пространство.

Стоимость уборки урожая зависит в основном от площади, поэтому уборка урожая на новом субстрате будет дешевле на каждый килограмм.

ОБРАБОТКА ПОСЛЕ СБОРА УРОЖАЯ

После того, как собрали урожай с последней поросли, необходимо произвести уборку комнаты для выращивания. Традиционный метод представляет собой обработку комнаты паром при температуре 60 °C в течение четырех часов. После чего выносят и вывозят все использованные материалы. В данном случае превышение нормы температуры и времени будет просто неэкономным, а в очень редких случаях может привести к некоторым проблемам.

Вывоз использованных материалов предполагает их удаление на расстояние нескольких километров от территории разведения грибов. В процессе выращивания грибов вешенок, при условии соблюдения всех оптимальных условий, на заключительном этапе остается очень маленькая часть начального субстрата. Заключительная обработка должна уничтожать все болезни и паразитов, впрочем, размещение отходов на достаточном расстоянии от территории выращивания грибов обеспечит устранение болезней и паразитов с производственной территории.

ПОДГОТОВКА К СЛЕДУЮЩЕМУ ПОСЕВУ

После вывоза всех остаточных материалов, необходимо тщательно очистить комнату. Необходимо тщательно промыть раствором гипохлорита все поверхности и предметы в комнате. Раствор должен содержать 0,525 % гипохлорита натрия или 10 % отбеливателя для белья. Дерево и некоторые другие материалы могут скрывать в порах болезни и вредителей. Наиболее легкий и безопасный способ обработки помещений с такими поверхностями — пропаривание в течение б и более часов. Можно использовать формальдегид, метил бромид и некоторые другие фумиганты, но они представляют опасность для здоровья, поэтому те, кто будут с ними работать должны быть хорошо обучены. Гипохлорит так же может вызвать ожог, поэтому его так же необходимо использовать очень осторожно. При его использовании в помещении должна работать вентиляционная система, пары гипохлорита могут повредить легкие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Каждый этап выращивания грибов требует предельного внимания. Производство по максимуму возможно при наличии хорошего оборудования и соблюдении стандартных процедур. Для достижения высокого уровня производства особенно необходимо соблюдать предельное внимание на этапах пастеризации, засевания и обработки после сбора урожая. Тем не менее, если выбран плохой субстрат или грибница, производство так же будет низким, независимо от соблюдения всех условий. Достаток воды так же очень важен.

От метода при сборе урожая зависит количество и качество грибов, а так же здоровье рабочих. Грибы необходимо собрать, прежде чем они выпустят споры.

Если это сделано вовремя, грибы будут больше весить и дольше храниться, а споры не перенесут вирусы на другие грибы, и рабочие не приобретут респираторных проблем (астма, сенная лихорадка) от спор в воздухе, которым они дышат.

Глава 4

Упаковка и хранение

Основная причина выращивания грибов — продать их и получить прибыль. Если мы считаем, что первый этап в выращивании — это подготовка помещения, то последний, очевидно, сбор урожая. Но сбор урожая можно так же рассматривать как первый шаг в подготовке к продаже. Тогда процесс подготовки к продаже выглядит следующим образом:

1. Сбор грибов

2. Охлаждение (3–5 °C)

3. Очистка

4. Упаковка

5. Продажа

При сборе урожая грибы нужно выдергивать. Нельзя их срезать. Очень важно, чтобы при сборе край шляпки гриба был загнут вниз. Когда края становятся ровными, в воздух выпускаются споры, что влечет за собой следующие две крупные проблемы. Споры в воздухе представляют опасность для рабочих, их попадание в дыхательные пути может стать причиной таких опасных заболеваний, как сенная лихорадка или астма. Так же споры представляют значительный вес продукта, который теряется. Очень часто при сборе грибов допускаются ошибки. Даже если вы считаете, что собираете весь урожай вовремя, то есть до освобождения спор, необходимо надевать марлевую повязку. Еще одна причина раннего сбора состоит в том, что после того, как выпущены споры, у гриба более нет биологической цели, и он, таким образом, начинает быстро угасать и очень скоро выглядит старым.

Охлаждение позволяет дольше хранить грибы, а так же сохранить их привлекательный вид. Лучший способ охладить грибы — поместить их в камеру и создать вакуум. Такой способ используется для листовых овощей. Конечно, требуется дорогостоящее оборудование, но этот метод позволяет остудить быстрее, чем какой либо другой. Охлаждение — результат испарения воды. Быстрый способ охлаждения позволяет дольше сохранить продукт привлекательным для покупателей. Другие способы охлаждения — механическая рефрижерация или использование контейнера со льдом. Но необходимо помнить, что после сбора грибы нельзя обрабатывать при помощи воды, включая растаявший лед и т. д.

Грибы вешенки более ломкие, чем шампиньоны (Agaricus). Грибы принято собирать в большие ящики, в отношении вешенок это не мудро. Шампиньоны (Agaricus) можно даже пересыпать из ящика в ящик. Но вешенки при таком обращении поломаются и потеряют вид.

СТЕБЛИ^[60] И ОБРАБОТКА

Так как грибы выдернули из субстрата, он может в небольших количествах остаться на грибах. Такие участки нужно обрезать. У большинства вешенок (Pleurotus) будет стебель. Стебли обычно плохо жуются^[61] и поэтому не привлекательны для покупателей. Поэтому, если стебли обрезаны, у вас будет лучший товар. Конечно, стебли добавляют вес, и если покупатели не осознают, что покупают лучший товар (если стебли обрезаны), то возможно будет мудрее стебли оставить. Стебли можно использовать в производстве других продуктов, но это требует дополнительного оборудования и рабочих. При наличии небольшого количества стеблей это не практично.

УПАКОВКА

Если понаблюдать за средним покупателем, то можно заметить, он обычно покупает продукты, которые, по его мнению, выглядят привлекательно. Это касается почти всех покупаемых товаров. Если вы не обрезаете стебли, нужно сделать так, чтобы они не портили внешний вид ваших грибов. При приготовлении различных блюд мы разбиваем яйца, но как много людей купили бы в магазине разбитые яйца? Грибы могут быть сломаны и повреждены, если их трогают и перебирают, но привлекательная упаковка поможет продать больше грибов, чем без упаковки.

Некоторые типы продаж не требуют привлекательной упаковки. Обычно продажа большого количества в рестораны идет без упаковки. Повара или другие работники ресторана обычно считают, что создавать привлекательный вид продукту — это их работа. Так же они не хотят открывать много мелких упаковок. Но, тем не менее, они не сильно отличаются от всех остальных людей, поэтому, наверное, будет легче продать им товар, если в первый раз они видят его в привлекательной упаковке.

Наиболее распространена практика упаковывать грибы в пластиковые или бумажные поддоны и обтягивать их полиэтиленовой пленкой. Пленка защищает их от рук покупателей и удерживает влажность. Грибы живы^[62], пока хорошо выглядят. Пленка так же не пропускаеткислород, необходимый для живых грибов, поэтому необходимо оставить в упаковке отверстие для поступления кислорода. Обтянутые пленкой поддоны использовались для упаковки шампиньонов (Agaricus) более 30 лет, а теперь их используют практически для всех видов грибов.

Комнаты, где происходит упаковка, должны быть чистыми и удобными для рабочих, но не требовать никаких сложных разработок.

ПЕРЕПРОИЗВОДСТВО

Иногда производитель грибов не может выполнить норму необходимую для удовлетворения спроса на грибы несколько месяцев, потом вдруг дела могут пойти неожиданно хорошо и урожай превосходит все ожидания. Так же бывает время, когда спрос на грибы внезапно снижается. Например, в некоторых местах в изобилии появляются дикие грибы и люди начинают собирать их, или покупают их у тех, кто собирает. В этих случаях существует вероятность, что грибы не будут проданы.

Не зависимо от того, по какой причине предложение превышает спрос, грибовод захочет сохранить имеющиеся излишки, чтобы продать их позже. Часто грибы консервируют, то есть запечатывают в стеклянный или металлический контейнер и стерилизуют при высокой температуре. Некоторые грибы, включая шампиньоны Agaricus, достаточно хорошо сохраняются в процессе такой обработки. Но вешенки после остужения в воде имеют неприятный вид. Вешенки, как большинство грибов, будут выглядеть хорошо, если их засушить. Может показаться странным, но шампиньоны Agaricus — один из грибов, не приобретающих приятный вид в процессе высыхания. Когда шампиньон Agaricus сушат, большая часть твердого вещества стекает с влагой.

Третий метод — замораживание. Ни один из сортов грибов не выглядит привлекательно в замороженном виде, но, тем не менее, цветная непрозрачная упаковка может сделать продукт более привлекательным.

ПРОЦЕСС СУШКИ

Разработано много методов сушки продуктов питания: солнце, духовые шкафы, вакуум и т. д. все они применимы к грибам. Самым высоким качеством обладает процесс заморозки грибов, затем помещения их в вакуум, где они остаются замороженными до полного высыхания. Этот процесс называется сушка сублимацией и является очень дорогостоящим как по затратам энергии, так и по необходимому оборудованию. Наиболее подходящей является туннельная сушка. В результате туннельной сушки получается продукт высокого качества. Сушилку можно сконструировать из обычных материалов, она потребляет намного меньше энергии, чем сушилки других видов.

В некоторых странах производитель грибов имеет возможность найти компанию, которая занимается засушкой других продуктов и заключить с ней договор.

КОНСТРУКЦИЯ ТОННЕЛЬНОЙ СУШИЛКИ

Туннельная сушилка состоит из вентилятора для циркуляции воздуха, нагревателя для поддержания температуры до примерно от 40 до 50 °C, мест для размещения продукта предназначенного для сушки и задвижки для контроля свежего воздуха и выхода влажного воздуха. Так же необходимы термометры, гидрометры и термостаты для контроля температуры и влажности. Рециркуляция воздуха не только экономит топливо для нагрева, но и позволяет продукту быстрее высыхать. Схемы двух сушилок различных размеров показаны на рисунках. Fig^[63]. 3–7, 3–8, 3–9. на первом рисунке показано поперечное сечение (Fig. 3–7), так же как и на скомбинированном виде. Fig. 3–8. Изучив рисунки, можно увидеть, что если вторая построена в зеркальном отражении первой, у них может быть общая стена, а доступ может быть в стенах напротив.

ВЫСУШЕННЫЙ ПРОДУКТ

Как и свежие, высушенные грибы должны иметь привлекательный для покупателей вид. Если они упакованы в прозрачные полиэтиленовые пакеты, они хорошо выглядят. Но нужно помнить, что высушенные грибы так же очень хрупкие, поэтому может быть выгоднее упаковать их как свежие — на поддоне, обернутые полиэтиленом.

Если грибы высушены при низкой температуре в туннельной сушилке, у них будет несильный запах. Некоторые люди будут недовольны этим запахом. Возможно, необходимо будет пересмотреть условия продажи таким клиентам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Производители грибов должны избегать потерь и продавать наилучший товар.

Необходимо собирать грибы в установленное время, обращаться с ними осторожно, упаковывать и сохранять все те, которые невозможно продать в свежем виде. Собирание влияет на количество и качество. При обработке может получиться небольшая разница в количестве, но она будет иметь большое влияние на качество. Упаковка так же очень сильно влияет на качество. Хранение может сильно влиять на количество и последующий доход.

От редакции

Данный материал был найден вот на этом сайте:

littpy'/wwvv ovstcmnishrooms.nct/Contcnt httnl. Там же было сказано:

«Копирование данного CD разрешено только в том случае, если в процессе копирования не вносятся изменения. Копии не подлежат продаже, но допускаются небольшие сборы для погашения затрат, связанных с распространением и производством копий». Ну, насчет небольших сборов мы как-то не прониклись, в вот пункт «в процессе копирования не вносятся изменения» мы постарались соблюсти и дали текст, так как он есть. Ну, или почти так как он есть — снабдив кое-где комментариями для лучшего понимания.

АКЦЕНТ

Муравьи-грибоводы

Учёные разобрались, как американские муравьи научились выращивать целые грибные плантации. Чтобы научиться помогать друг другу, муравьям и грибам понадобился общий враг и секретное оружие — бактерии. Те же бактерии для защиты от врагов через миллионы лет научился использовать человек.

То, что насекомые возникли за миллионы лет до человека, отнюдь не делает их менее совершенными. Социальной организации колоний пчёл или муравьев может позавидовать самая совершенная демократия. И эксплуатировать другие виды они могут не хуже человека, при этом от охоты и собирательства к «скотоводству» и сельскому хозяйству они перешли за миллионы лет до нас. Учёные разобрались, как муравьи сделали это.

Кроме человека и муравьев выращивать что-то для пропитания умеют ещё термиты и короеды, однако именно муравьи достигли в этом деле наибольшего совершенства. Эта их уникальная черта была подмечена ещё в конце позапрошлого века. И если для нас удивительно само по себе умение, то энтомологи-эволюционисты смогли выделить пять отдельных сельскохозяйственных систем и проследить эволюцию этих способностей.

Конечно, муравьи выращивают не злаки и не фруктовые деревья — им вполне достаточно грибов; кстати, это одна из последних культур, освоенных человеком.

Ученые полагают, что исходная форма сельского хозяйства возникла около 50 миллионов лет назад, когда «культурными» стали грибы семейства Leucocoprineae. За последние 30 миллионов лет из этой системы возникли ещё три, а еще несколько миллионов лет спустя одна из этих систем дала начало самой современной — культивированию грибов муравьями-листорезами, появившимися 8-12 миллионов лет назад и ставшими доминирующими травоядными в тропиках Нового Света.

Эти выводы ученые сделали после тщательного анализа поведения, особенностей биохимических процессов и генетических исследований, давших им возможность восстановить филогенетическое дерево и заполнить пробелы истории — предположить наличие общего предка.

Все семейство Attini состоит из 230 видов, которые преимущественно населяют тропики Нового Света. Все виды этого семейства облигатно, то есть полностью, зависят от выращиваемых грибов. Сложившийся мутуализм настолько силен, что новая муравьиная королева, когда организует новую колонию, обязательно переносит туда частицы гриба, достаточные для того, чтобы возделать новый сад.

Самые совершенные из всего семейства — муравьи-листорезы, или зонтичные. Если все остальные муравьи выращивают грибы так же, как человек растит свои вешенки и шампиньоны, то есть на органическом детрите, то листорезы разбивают целые сады, самостоятельно перерабатывая живые листья, цветы и траву, из которых и производят субстрат для своих подопечных.

При этом грибы, культивируемые зонтичными муравьями, не встречаются в природе самостоятельно — они не способны жить на другом субстрате, кроме специально созданного для них. Взамен они образуют вздутия гиф (растущих нитей гриба), богатые питательными веществами, которые собирают муравьи.

Остальные современные схемы «грибоводства» муравьев Attini отличаются видами культурных грибов и, как уже упоминалось, используемым субстратом. Авторы работы, Тед Шульц и Шон Брэди, даже вспомнили сравнение колонии муравьев с большим травоядным. Если учесть его биомассу, продолжительность жизни и количество поглощаемой травы, то сходству помешает лишь необычный внешний вид этого «синтетического животного».

Происхождение сельского хозяйства даже несколько более сложное, чем может показаться на первый взгляд.

К мутуалам относятся муравьи семейства Attine, их культурные грибы (Leucocoprineae и Pterulaceae) и бактерии рода Pseudonocardia

(Actinomycetes), живущие в пищеварительном тракте муравьев. Паразит — гриб рода Escovopsis (Ascomycetes) — известен только как «вредитель» в садах культурных грибов.

Синтезируемые бактериями-симбионтами антибиотики помогают частично справиться с вредителями, не поражая «культурные» грибы. Человечество «приручило» бактерий этого же рода для производства стрептомицина и неомицина только во второй половине прошлого века. Кстати, это ещё один пункт, по которому муравьи существенно обогнали человека.

Шульц и Брэди считают, что, как и у термитов (и в отличие от человека и жука-короеда), сельское хозяйство возникло у муравьев один раз — около 50 миллионов лет назад, а затем уже изменялось и приобретало новые формы, притом каждая новая форма тоже возникала однократно.

Более того, такая форма поведения вторична — ученые доказали, что 73 миллиона лет назад существовал предок, питавшийся не только за счет сельского хозяйства и давший начало всему многообразному семейству Attini. Так что муравьи на несколько миллионов лет обогнали человечество в эволюционной гонке. Правда, это им удалось не за счет преимущества в числе конечностей, а благодаря нужным встречам, устроенным самой природой.

ЮМОР

Что должен знать каждый таракан об оружии массового поражения (памятка)

ВВЕДЕНИЕ

Помните, как радовались все прогрессивные тараканы, когда в нашу жизнь вошел человек? Казалось, он навсегда решит все бытовые проблемы — всюду будет тепло, будет грязь, дешевая еда. Но, как выяснилось, человек может быть не только другом, но и смертельно опасным врагом, когда выходит из-под тараканьего контроля. И тогда в наш дом приходят болезни, разрушения, смерть.

Достаточно вспомнить хотя бы, сколько бед принесли тапки "Малыш" и "Толстяк", сброшенные с ног на головы мирных жителей Кухни и Ванной в 1945 году! Сегодня на Земле уже накоплено столько смертоносной обуви и отравы, что можно было бы сотни раз уничтожить все тараканчество!

Кратко рассмотрим основные виды оружия массового поражения (ОМП) и правила поведения тараканов в случае возникновения человека.

ТАПОК

Тапок (ботинок, сапог, сандаль, лапоть, костыль) — самый старый и самый распространенный вид ОМП. Поражающее действие тапка основано на избыточном давлении, возникающем в районе тапкового удара. Так, давление в эпицентре падения тапка настолько велико, что от таракана, подвергшегося тапковому удару, остается буквально мокрое место. Первым сигналом опасности при тапковой атаке является световое излучение сверху, появляющееся после характерного щелчка. Вслед за излучением раздается характерный звук "У, С-С-СВОЛОЧИ!!!", после чего в воздухе появляется тапок.

Таракан, первым заметивший излучение, должен подать команду "ВСПЫШКА СВЕРХУ!!!". По этой команде все тараканы обязаны прекратить любые работы по загаживанию кухни, немедленно покинуть объект и проследовать в укрытие!

ЗАПОМНИТЕ! Обыкновенные обои ослабляют силу тапкового удара в 3–5 раз. Линолеум — в 10 раз. Плинтус деревянный — в 100 раз. Железная сковорода полностью защитит вас от тапкового удара, но не защитит от удара сковородой.

Сильный испуг удесятеряет силы. Известен случай, когда один внезапно напуганный таракан перевернул тарелку и укрылся под нею. (К сожалению, горячий борщ, находившийся в тарелке, оборвал жизнь безымянного героя.)

Если вы не успеваете покинуть объект, следует, поджав усы и лапки, притвориться едой противника ("изюм"). Примером подлинного мужества стал подвиг тараканов — героев братьев Прусаковых, которые в неравном бою сумели подбить 2 вражеских тапка. Обвязавшись спичками, они самоотверженно бросились под тапки и подожгли их.

ДИХЛОФОС

Дихлофос ("Baygon", "Raid", "Egoiste") — химическое ОМП. Основными поражающими факторами дихлофоса являются: Звуковая волна ("ПШИК"), НАПРАВЛЕННОЕ ДИХЛОФОСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (АЭРОЗОЛЬНАЯ ВОЛНА), ОСТАТОЧНЫЙ ЗАПАХ (ВЫСЕЛЯЮЩИЙ ГАЗ). Звуковая волна распространяется со скоростью звука по всей кухне, поражает незащищенные уши тараканов, сеет болезнетворные децибелы. НАПРАВЛЕННОЕ ДИХЛОФОСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ и ОСТАТОЧНЫЙ ЗАПАХ вызывают у тараканов головокружение и галлюцинации, временную нетрудоспособность. Как правило, у особей, регулярно подвергающихся воздействию дихлофоса, возникает психофизиологическая зависимость от него. Таким тараканам с каждым разом требуется все большая доза отравляющего вещества. Потомство таких тараканов, как правило, тоже становится токсикоманами ("садятся на баллон"). Для защиты от дихлофоса следует использовать складки противогаза, респиратора. Если под лапой не оказалось противогаза, можно воспользоваться влажной половой тряпкой или использованной туалетной бумагой.

Огромную роль играет правдивая и своевременная информация. Помните первомайскую демонстрацию на Кухне в 1986 году? Тысячи тараканов шли по полу, улыбались, не зная, что содержание выселяющего газа в воздухе превышает все допустимые нормы. А руководители уже все знали и, тем не менее, тоже улыбались демонстрантам, махали усами с хлебницы!..

ЧИСТОТА

ЧИСТОТА является самым подлым и грозным ОМП. Следите за тем, чтобы чистота не проникала в места вашего постоянного пребывания. Чистота наводится на жилище тараканов посредством веников, швабр, тряпок. Самым страшным носителем чистоты является так называемая "чудо-швабра" (по умойной силе превосходит веник в 100 раз, обычную швабру в 10 раз, тряпку половую мокрую — в 1 раз).

ЧТОБЫ УБЕРЕЧЬСЯ ОТ ЧИСТОТЫ, старайтесь не провоцировать человека — не допускайте небрежности в обращении с собственными фекалиями! Никогда не оставляйте их на полках, посуде, полотенцах. Для хранения фекалий вполне годятся гречневая крупа, чай, сухари. Если ЧЕЛОВЕК разжег духовку газовой плиты, в которой вы живете, надо помнить следующее:

1. Основной поражающий фактор духовки — повышенная температура, от которой остаются ожоги на морде, животе, чреслах.

2. Как известно, у таракана шесть лап. Двумя верхними прикройте морду. Двумя средними — живот и чресло. Убегайте на двух задних.

ЭВАКУАЦИЯ

План эвакуации надо повесить на видном месте (за плинтусом, возле помойного ведра, на задней стенке шкафа с продуктами), но не на глазах у человека!

При эвакуации следует использовать заранее разведанные вентиляционные ходы полного профиля. (Не загромождайте их!) В таких ходах можно идти не сгибаясь, в полный рост. По дороге нужно обозначать небольшими темными шариками места привалов, повороты, места отдыха и приема пищи.

Зоны, зараженные китайским карандашом, следует преодолевать, не прикасаясь к ним ногами (перепрыгивать, перекатываться на спине, перелетать на мухах, комарах). Ни в коем случае не пейте сырую воду из-под крана! Во-первых, она кишит бактериями, а во-вторых, вас может смыть в канализацию! Поэтому пить, мыться следует только в водоемах с кипяченой водой — в чайниках, кастрюлях, тарелках. При этом на берегу должны оставаться двое дежурных — санинструктор и спасатель. Помните, что сориентироваться в сложной ситуации, не поддаться панике вам поможет радио и телевидение. Забравшись в телевизор или радиоприемник, вы сможете укрыться от воздействия любого ОМП. Особям, подвергшимся воздействию ОМП, следует следовать в ближайший вычислительный центр. Там, в системном блоке компьютера, удобно устроившись у вентилятора, они смогут быстро поправить подорванное здоровье.

ИЗУЧИВ ЭТУ ПАМЯТКУ, ПЕРЕДАЙТЕ ЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ДРУГИМ ТАРАКАНАМ ИЗ УС В УСА!

* * *

_{НА ОБЛОЖКЕ}

_{«Мы сами являемся организмами и окружающие нас другие системы воспринимаем по аналогии с самими собой. Как ни естествен для нас такой подход, он не единственно возможный»}

_{Цитата из статьи «Заразные гены»}

notes

Примечания

1

Из той части, что Терра (т. е. Земля и, следовательно, ее обитатели, некоторые из которых в результате эволюции научились пользоваться компьютером).

2

И съедали их, — добавляют злые языки. Как бы то ни было, история последних тысячелетий показывает, что наш вид крайне агрессивен — его любимое занятие война и уничтожение всех и вся, в первую очередь представителей своего же вида.

3

Отвечает Александр Марков (мы тоже не знаем кто это).

4

Точнее говоря, в Америке нет близких человеку узконосых обезьян, широконосые обезьяны Южной Америки другая, далекая от человеческой, эволюционная линия.

5

На месте неандертальцев я бы обиделся, они в таких местах еще 30–10 тыс. лет назад обитали.

6

«Снежный человек» при этом сидел в кустах и грустно размышлял о том, что нет никакой личной жизни: «Когда же, наконец, этот Еськов со своим приятелем уберутся?». Кто-то кто, а он то, выросший в настоящих дебрях, умел прятаться и наблюдать куда лучше выросших в каменных дебрях больших городов. Иначе хрен бы дожил до наших дней.

7

Windows 98 по прежнему используется, особенно на не новых, низкоскоростных компьютерах, с не очень большими ресурсами. Ее можно порекомендовать для применения в условиях домашней лаборатории, там где требуется большое быстродействие, например для построения систем автоматизации эксперимента.

8

Здесь и далее вместо выбора команды основного меню можно воспользоваться соответствующей командой контекстного меню (щелчок правой клавишей мыши по объекту).

9

Кроме объектов расположенных на дискете и сетевых дисках.

10

Сначала наводит беспорядок, потом наводит порядок и требует за это благодарности.

11

Примечание. При вставке объекта, в случае выбора формата данных, отличного от оригинального, объект утратит связь с породившим его приложением, и, следовательно, станет невозможно редактировать его непосредственно в документе.

12

Сервер — компьютер общего доступа, подключенный к сети на постоянной основе и обслуживаемый специальной «сетевой» операционной системой.

13

Редакция рекомендует не использовать IE, из-за наличия многочисленных проблем с безопасностью. Правительство США тоже согласно с этим мнением, и не рекомендовало использовать IE государственных учреждениях и бизнесе.

14

А лучше вообще отключить ОЕ и перейти на использование почтового клиента с хорошей защитой от спама, например, Thunderbird.

15

Увы, jpg файлы уже могут содержать вирусы, тогда как Word хорошо защищен от макровирусов и их удаление не составляет особого труда.

16

Корпорация Microsoft вложила некоторую сумму денег в поддержку прежде самостоятельной службы Hotmail, поэтому как результат этого сотрудничества в браузере Internet Explorer 4 есть специальный пункт в меню Справка для быстрого доступа к серверу Hotmail, — прим. автора

17

Ее уже нет.

18

Сейчас его сменил популярный браузер Firefox, да и IE4 уже давно история, но методология та же.

19

С тех пор появились поисковые сайты, позволяющие найти любую информацию, например, rambler.ru, google.ru.

20

Видно в том лесу еще и марихуана росла. Вообще говоря, энергия кванта света линейно зависит от частоты изучения, поэтому поток синего света переносит больше энергии, чем поток красного света. Более вероятно, что на зернах хлорофилла поглотится квант из коротковолновой (синей) части спектра, потому что он несет больше энергии, соответственно отражение таких квантов будет меньше и поэтому листва имеет зеленый оттенок. Многим грибам, например шампиньонам, свет вообще не нужен, грибы ведь не растения. Для вешенки он, скорее всего, является сигналом о направлении роста (где свет — там выход на поверхность для плодоношения, то есть для распространения спор). Вместе с тем свет вызывает образование пигментов, окрашивающих поверхность плодовых тел, но для чего грибам нужны эти пигменты, нужно спрашивать биохимиков.

21

Автор статьи явно тяготеет к экзотике. На самом деле самыми лучшими сооружениями для выращивания грибов являются любые подвалы и затененные теплицы.

22

Что, впрочем, не мешает использовать обычные лампы накаливания, их и используют.

23

Автор, похоже, слишком долго находился в «синем» лесу, но возможно он просто пытался сказать, что лампы дневного света (флуоресцентные), являются предпочтительными, поскольку спектр их излучения более близок к дневному и, следовательно, его коротковолновая часть не так обеднена по сравнению с излучением ламп накаливания. В хозяйственных магазинах многих стран продается несколько видов ламп дневного света, самый распространенный (и дешевый) вид примерно так и называется.

24

К счастью они об этом не знают и предпочитают «загорать на солнце». Вероятно, автор хотел сказать, что открытая (не затененная) солнцу теплица будет перегреваться, что очень нежелательно для грибов. К тому же на солнце начнут активно размножаться водоросли (там же влажно) и сорняки (посмотрите еще раз на соломенную теплицу).

25

Хмм…ммм, а зачем рабочим шлемы? Возможно, это отголосок того, что для выращивания шампиньонов часто используют старые шахты, туннели и пещеры.

26

Или нанять людей из общества слепых.

27

Представили? Речь идет о поддоне с тканью пропитанной антисептиком, чтобы вытирать обувь.

28

Как-то это не очень подходит для соломенной теплицы, но на высокотехнологичных грибных фермах так и делают, потому что всплеск плесени может полностью погубить урожай и привести ферму к финансовому краху. Это окупается. Смотрите ниже пару добавленных снимков из Китая.

29

Что-то сомнение берет.

30

Наверное, чем выше, тем лучше — и микроорганизмы гибнут, и стенки стеблей становятся более доступны для грибов — подразрушаются. А вот ниже, наверное, не стоит, многие микроорганизмы себя неплохо чувствуют при таких температурах. В некоторых технологиях соломенную резку заливают 80-ти градусным кипятком.

31

Вообще-то такая температура необходима для стерилизации, большинство микроорганизмов и спор гибнет, но кое-какие споры могут и выжить, процесс вероятностный. А вот такая температура достигается только при повышенном давлении в камере стерилизации.

32

Просто много за раз не простерилизуешь (большой автоклав нужно долго нагревать), а значит требуется что-то вроде конвейера.

33

Сейчас они узнают эту тайну.

34

То есть надо делать хорошо, а плохо — оно само получится.

35

Возможно, нет, но вроде речь идет о пастеризации.

36

Да с материей надо поосторожней.

37

Чтобы не сойти с ума, не будем комментировать этот абзац и два последующих. Скорее всего, это просто ужасный перевод. Можно только предположить, что термофильные бактерии, сохраняющиеся при пастеризации, помогают бороться с распространением низших грибов — плесеней, которые могут запросто подавить рост и плодоношение вешенки. Да это так, но стопроцентной гарантии нет, это все «балансировка на грани случайностей», однажды заражение плесенью может произойти, и придется дезинфицировать все помещение — от спор.

38

Навоза, наши экскременты не подойдут, хотя мы тоже вроде не растения.

39

Вряд ли что-то будет расти на яичной скорлупе, но возможно она подойдет для стабилизации кислотности, вместо мела.

40

Откуда он взялся и что это такое?

41

Да похоже, ни навоз ни солома животных не интересуют.

42

Да верим, верим.

43

Пустот.

44

Поразительная точность.

45

Можно догадаться, что воды должно быть только столько, чтобы субстрат (солома) был влажный, но вода не хлюпала в нем. Сожмите руками горсть влажной соломы, если вода потекла — многовато будет.

46

Температуру.

47

Отсутствовал.

48

Аналогично.

49

Вместо блок-схем, показан сам смеситель, а может и не смеситель, но что из России — это точно.

50

Повторяет снимок с Рис. 11, поэтому не показан.

51

Охренеть.

52

Это тоже самое, что и рис. 5.

53

Как это поэтично.

54

Да, с оппортунистами надо разбираться.

55

Еще удобны полиэтиленовые тазики, один снизу, другой сверху накрывает. В стенках несколько отверстий.

56

Чево?

57

Мешок.

58

Час от часу не легче. Может непрозрачный?

59

Чево?

60

Ножки.

61

Между прочим, в жареном виде очень вкусны.

62

Как это верно.

63

Все рисунки, обозначенные как Fig, отсутствовали, поэтому были удалены даже упоминания о них.