В анафазе делится скрепляющая хромосомы центромера, и нити веретена оттаскивают хромосомы к «полюсам» делящейся клетки, вследствие чего эти хромосомы, собравшиеся уже у двух разных «полюсов», принадлежат уже не распадающейся материнской клетке, а формирующимся обеим дочерним клеткам.
В телофазе становящиеся дочерними хромосомы теряют спиральную форму, необходимую для удвоения, разрушаются нити веретена деления, вокруг скопившихся на «полюсах» хромосом формируются новые ядра, оба этих ядра окружаются оболочками, возникают новые ядрышки в обоих ядрах.
После этого прошедшая все фазы деления ядра и образования дочерних ядер клетка вступает в период цитокинеза – окончательного разделения материнской клетки на две дочерние, сосуществующие пока ещё в одном теле преобразованной материнской клетки две ядерные мобилизационные структуры начинают «разламывать» единую цитоплазму, образуя свои собственные территории. На месте прежней «экваториальной зоны», где были выстроены хромосомы, возникает тонкая борозда, затем перетяжка, и, наконец, выросты мембраны смыкаются, образуя новые оболочки и границу, отделяющую дочерние клетки друг от друга. После этого они расходятся пространственно и начинают новую жизнь, повторяя в общем и целом жизненный цикл материнской клетки.
Порядок и последовательность осуществления клеточного цикла регулируется в ядре синтезом специальных белков. Некоторые особенности механизма такого регулирования прояснили Л. Хартуэлл (США), Т. Хант и П. Нурс (Великобритания), которым за это открытие была присуждена Нобелевская премия по биологии 2001 года. Структурные особенности механизма регулирования пока не выявлены. Определены лишь химические стимулы процесса деления клеток. Такими стимулами к запуску размножения клеток являются специальные ферменты – киназы, вырабатываемые постоянно при достижении клеткой зрелости и окончании периода роста. Но для приведения этих ферментов в активное состояние необходим другой белок – циклин, являющийся своеобразным сигналом, передающим сообщение о правильности порядка, необходимого для начала деления.
В зависимости от условий, в которых функционируют клетки, они могут переставать делиться, возобновлять деление или погибать, отмирать. Половые клетки делятся посредством мейоза, утрачивая парное число хромосом и приобретая их одинарный набор. Их назначение – оплодотворение, т. е. слияние мужских и женских половых клеток, сперматозоидов и яйцеклеток, в результате которого образуется оплодотворённая яйцеклетка, именуемая зиготой. Головка сперматозоида разрушает оболочку яйцеклетки специальными ферментами и проникает внутрь. Его клеточная оболочка тоже разрушается ферментами яйцеклетки, а ядро высвобождается и погружается в цитоплазму яйцеклетки. После этого мужские и женские ядра набухают и сливаются, образуя единое ядро с парным набором хромосом. Далее образовавшаяся таким образом зигота начинает делиться, образуя многоклеточный организм.
После опорожнения мужских половых органов в женские миллиарды содержащихся в семенной жидкости сперматозоидов устремляются в поисках годных к оплодотворению яйцеклеток. Но выжить и совместить свою генетическую программу с женской удаётся в лучшем случае только одному. Все остальные составляют лишь кратковременную белковую подпитку женского организма. Тем не менее, сперматозоид по отношению к яйцеклетке выполняет роль мобилизационной структуры, инициирующей оплодотворение. Затем, в процессе совмещения генетических программ мобилизационную роль предстоит сыграть доминантным структурам, которые могут исходить и из женских генов, а рецессивные признаки, подавляемые доминантными, могут сыграть роль мобилизационного фактора в последующих поколениях. В постоянной конкуренции за жизнь сохраняются и воспроизводятся порядки, образуемые более активными и жизнеспособными мобилизационными структурами. Они и осуществляют экспансию своего генетического материала в смене поколений. Другим способом экспансии во внешний мир клеточных структур в процессе их размножения является рост организма.
Половое размножение вносит в порядок взаимодействия клеточных структур и в порядок взаимоотношений женских и мужских организмов фактор взаимной мобилизации. Выступая инициаторами размножения, мужские половые клетки мобилизуют женские на оплодотворение, но женские половые клетки мобилизуют мужские на сохранение и передачу хранящейся в них наследственной информации. Восстановление парности хромосом позволяет воспроизвести в новой комбинации тот наследственный материал и те особенности информационных систем, которые ведут своё происхождение от предков, выдержавших испытание естественным отбором. Половое размножение позволяет обновлять наследственный материал привнесением мобилизационных инноваций со стороны противоположного пола, «разбавлять» действие вредных мутаций, понижающих мобилизационный потенциал генетических структур, т. е., как выражаются генетики, переводить мутации в гетерозиготное состояние, в котором они, подвергаясь мобилизующему действию генетики противоположного пола, могут утратить доминантное положение в формировании наследственного признака, и остаются в рецессивной, скрытой форме, не снижающей жизнеспособности потомства.
Очевидно, что деление половых клеток на основе мейоза является лишь видоизменением деления соматических клеток посредством митоза. При митозе клетки, обладающие парными хромосомами, делятся надвое, размножаются самоудвоением. При мейозе клетки утрачивают парность хромосом, остаются с их одинарным набором и возвращают себе эту пару при соединении два в одном, после чего вновь делятся по схеме «одна на две».
Половое размножение предполагает постоянную «подкачку» нового генетического материала, создание всё новых мобилизационных инноваций в генетических структурах. Отсутствие таких инноваций при рождении потомства от близкородственных родовых линий приводит к вырождению, а вырождающиеся существа, как и неудачные мутанты, в конечном счёте, уничтожаются отбором. Половые клетки (гаметы) теряют половину своих хромосом, чтобы обрести новую половину и новый экспериментальный порядок в конкуренции за выживание.
Именно клетки представляют собой наименьшие, элементарные частицы жизни, минимальные упорядоченности, которые обеспечивают мобилизацию на жизнь, исходные мобилизационные структуры жизни. Функциональными особенностями, позволяющими осуществлять отдельные механизмы жизнеобеспечения, обладают многие компоненты клеток, их органеллы или даже отдельные биоорганические молекулы. Например, отдельные от клеток рибосомы, помещённые в специально созданные условия, могут продолжать синтезировать белки, вне клеток «работают» многие ферменты, могут происходить процессы синтеза нуклеиновых кислот. Но всё это – не живые процессы, а лишь механические и химические реакции, которые могут продолжаться вне клетки, но становятся участниками жизненного процесса лишь внутри неё, в едином порядке, поддерживаемом клеткой как системой.
Как и всё живое, клетки подвержены старению, разрушению и смерти. Уже деление клеток предполагает смерть материнской клетки при рождении двух дочерних.
Но наряду с этим обстоятельством, опровергающим рассуждения о бессмертии некоторых клеток, любые клетки подвержены разнообразным повреждениям с летальным исходом, отмиранию и умиранию вне естественного жизненного цикла, завершающегося делением.
Гибель живого порядка клетки проявляется в двух формах, получивших название некроза (от греч. «некрозис» – омертвление) и апоптоза (от греч. корня, означающего «распадение» или «отпадение»).
Некроз возникает при необратимом повреждении клетки, вызываемом различными физическими или химическими процессами (например, радиоактивным облучением). При этом происходит повреждение и нарушение проницаемости клеточных мембран, дестабилизация гомеостаза, набухание и прекращение нормального функционирования митохондрий, резкое снижение энергообеспечения. Вследствие этого прекращается синтез различных макромолекул, аппарат Гольджи распадается на мелкие пузырьки, а лизосомы, наоборот, резко активизируются и вырабатываемые ими ферменты вытекают за их пределы и начинают растворять уже не питательные вещества для поддержания жизнедеятельности клетки, а сами внутриклеточные структуры, способствуя их удалению из многоклеточного организма. Некротическая реакция однотипна для самых различных клеточных структур.
При апоптозе наблюдается отмирание клеток без их физического или химического повреждения вследствие прекращения выполнения ими полезных функций внутри организма. Вымирание целых групп клеток происходит под действием естественного отбора вследствие резкого изменения условий окружающей их клеточной среды. Апоптоз, в отличие от некроза, приводит не к растворению отмирающих клеток ферментами их собственных лизосом, а к их распаду на отдельные части и фрагменты. Эти «куски» тут же пожираются макрофагами, предназначенными для уничтожения инородных тел, или даже соседними здоровыми клетками, растворяясь уже в их лизосомах.
Мобилизация одних клеточных структур приводит к деградации и гибели других, что позволяет сохранять порядок развития целостного организма. Наличие этого механизма является свидетельством борьбы за существование, биологической работы и естественного отбора внутри клеточного состава многоклеточных организмов.
24.2. Развитие теории генов. Биологическая работа генетических структур
В 40-е годы XX века в генетике происходит поворот от «мушиных» экспериментов к исследованию химической природы генов и молекулярных механизмов взаимодействия генетических структур. Применение методов химии, физики, математики, кибернетики привело к выдающимся открытиям, способствовало продвижению научного познания в ранее потаённые глубины строения и функционирования генетических структур.
В 1941 г. Д. Бидл и Э. Тейтем на основе исследования химического состава генетического аппарата бактерий пришли к выводу, что каждый ген контролирует синтез какого-либо одного фермента. Это позволило сформулировать знаменитое положение: «один ген – один фермент».