После этих упражнений в арифметике вы теперь, надо полагать, с большим уважением отнесетесь к четырем буквам генетического алфавита: их выразительные способности действительно безграничны.
Из чего они сделаны?
Что же собой представляют четыре всемогущие буквы?
Соединения азота, углерода, водорода и кислорода.
Каждое из оснований в молекуле ДНК соединено с сахаром. Сахар не простой: в нем не шесть, как в обычных сахарах, а только пять атомов углерода. У сахара, который входит в состав ДНК, его называют дезоксирибоза, на один атом кислорода меньше, чем у рибозы — сахара РНК.
Сахарá связаны в длинные цепи фосфорной кислотой. Но это не все: две сахарно-фосфорные нити ДНК соединяются в одну спирально закрученную молекулу. Соединяются так, что азотистые основания двух нитей-антиподов, цепляясь попарно друг за друга, образуют как бы перекладины лестницы. Притом аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин с цитозином.
Молекула же РНК остается одинарной.
В этом странном удвоении ДНК заключен большой биологический смысл. Благодаря ему облегчается стереотипное копирование материнской ДНК дочерними при размножении клетки. Когда клетка делится пополам, все ее хромосомы и заключенные в них молекулы ДНК удваиваются. И каждая новая клетка получает полную копию с хромосом и с ДНК родительской клетки.
Но копирование необходимо не только при делении, а и в течение всей жизни клетки для синтеза белков. Ведь ДНК штампует РНК по образу своему и подобию, а РНК сообразно с этим подобием штампует белки из аминокислот.
Копирование происходит так: спираль ДНК раскручивается, связи между перекладинами (азотистыми основаниями) обрываются, и обе составлявшие ее цепочки расходятся, как половинки расстегнутой «молнии» на вороте свитера. Затем половинки начинают воссоздавать своих антиподов, присоединяя к каждому из азотистых оснований нужные вещества. И таким образом, каждая из разошедшихся спаренных нитей ДНК восстанавливает полную копию своего утерянного партнера.
В результате число нитей ДНК удваивается и дочерние клетки получают полный комплект наследственной информации, совершенно подобный материнскому.
Копирование при синтезе белков происходит так же. Только в этом случае разошедшиеся половинки ДНК восстанавливают рядом с собой не ординарную ДНК, а РНК. И не одну, а тысячи их. Ведь даже самые длинные РНК во много раз короче ДНК, поэтому вдоль одной ДНК синтезируются цепочкой друг за другом сразу много РНК. Скопировав со своей родоначальницы наследственную информацию, они уходят затем из ядра в протоплазму клетки, в рибосомы и там руководят синтезом белков.
После того как все ДНК произведут себе подобных двойников, клетка делится. В ход пускается тот великий микромеханизм, который распределяет наследственные задатки по потомкам. В движение его приводит энергия света, аккумулированная растениями. Значит, все явления наследственности в любом уголке животного и растительного царства не проявили бы себя, не будь в клетках митохондриев и хлорофилловых зерен в зеленых листьях. А стоит ли говорить, что без наследственности не было бы и жизни на Земле.
Глава IVГенетика
Диалектика у истоков жизни
Генетика — молодая наука. Она ровесница нашего века и настоящее его дитя. Без современных приборов и методов исследования генетика не могла быть рождена. Но и без нее немыслима полноценная деятельность человека XX века во многих сферах познания и производства: в биологии, медицине, сельском хозяйстве и даже в освоении космоса.
Генетика — наука о наследственности и изменчивости. Единство этих противоположных начал каждый может видеть всюду, где потомки приходят на смену предкам.
Наследственность — это свойство всего живого на Земле походить на своих предков. А изменчивостью биологи называют те отличия и уклонения от фамильного сходства, которые можно найти в любой семье.
Каждый из нас похож на папу или маму — тут действует наследственность. Но похожесть эта не полная. Всегда дети чем-то отличаются от родителей: и внешне и психически. Это и есть изменчивость.
Изменчивость и наследственность — два изначальных свойства жизни, без которых невозможны эволюция и развитие животного и растительного мира. Одно начало консервативное, другое революционное. В их борьбе и единстве находит свое выражение диалектика природы.
Чем больше разнообразных образцов жизни, тем шире поле деятельности у естественного отбора, тем успешнее идет эволюция, тем большего совершенства достигает природа. Изменчивость доставляет материал для эволюции. Наследственность закрепляет ее результаты. Изменчивость создает новые типы живых существ, а наследственность сохраняет их.
Генетики различают три основных вида изменчивости. Изменения, вызванные непосредственной средой обитания или тренировкой. Это так называемые благоприобретенные признаки, или модификации. Они всегда соответствуют требованиям среды, адекватны ей. Затем мутации, или скачкообразные, внезапные и часто неадекватные влиянию среды изменения, и комбинации — это изменения, вызванные новым, не таким, как у старшего поколения, распределением наследственных задатков, полученных от родителей.
Наследственность сохраняет не все из этих трех типов изменчивости. Благоприобретенные признаки не наследуются. Мутации наследуются всегда, так как представляют собой изменения самого наследственного вещества, или, как говорят, генотипа.
Фенотипом называют совокупность всех свойств и признаков организма, но только не его наследственный шифр, который есть генотип.
Неверно, хотя часто так и думают, что вещества, несущие наследственную информацию, руководят синтезом белков и развитием органов только при зарождении организма. Нет, жизнь и наследственность идут рука об руку от рождения и до смерти. Ведь генетический шифр содержится не только в ядрах половых клеток, но и в каждой клеточке тела.
В человеке 60 триллионов клеток. Каждые сутки большая часть из них умирает. Но прежде чем погибнуть, старые клетки производят на свет молодых своих заместителей. И производят их по тому плану, который запрограммирован в наследственности, скрытой в их ядрах.
А что будет, если в наследственном механизме какой-либо клетки нашего тела по той или иной причине откажет какая-то деталь? Случится какая-то неполадка?
Новые клетки, рожденные ею, станут мутантами — не такими, какими были, в них не все, как надо. Дефективные клетки перестанут соответствовать своему назначению, и в пораженной ткани разрастется… раковая опухоль, которая в конце концов погубит организм.
Без изменчивости и наследственности жизнь не достигла бы того совершенства и разнообразия, которое мы сейчас наблюдаем. Без изменчивости не было бы у организмов удивительной способности приспосабливаться к разным условиям. Не было бы у жизни большого выбора путей развития. А без наследственности утрачивались бы новые приобретения.
И белок, без которого нет жизни, и носители наследственности — нуклеиновые кислоты ДНК и РНК, — по-видимому, образовались на Земле в одно время. Некоторые ученые полагают даже, что вещество, способное нести наследственную информацию, — рибонуклеиновая кислота — появилось раньше белка и, уж во всяком случае, ненамного позже. Старый мучительный вопрос, что же произошло раньше: яйцо или курица, пока еще окончательно не решен.
Итак, с первых своих шагов жизнь обрела одно из основных свойств — наследственность.
Митоз и мейоз
Давно уже известны два типа деления клеток: деление митотическое и редукционное. Первое называют также митозом, а второе — мейозом. Первым способом, митозом, делятся все клетки, вторым — только половые.
Сначала — о митозе. Ему предшествует удвоение молекул, несущих наследственную информацию.
Молекулы ДНК, в которых заключен генетический шифр, располагаются в ядре клетки, в особых длинных нитях — хромосомах. У каждого вида животных и растений строго определенное число хромосом. Обычно их несколько десятков. У человека, например, 46[27]. А у одного из червей всего две. У некоторых раков по 200 хромосом. Но рекорд побили микроскопические радиолярии: у одной из них 1600 хромосом!
Когда молекулы ДНК удваиваются, удваиваются и хромосомы. Каждая строит по своему подобию двойника. Значит, какое-то время в наших клетках хромосом бывает вдвое больше, чем обычно.
Между двумя делениями, в так называемой интерфазе, хромосомы в обычный микроскоп не видны. Как будто их нет совсем. В электронный же видно, что они все-таки тут, никуда не делись, но так тонки, что без очень сильного увеличения не заметны. Говорят, что на этой фазе своей деятельности хромосомы имеют вид «ламповых щеток». И в самом деле, они немного похожи на ерши, которыми когда-то прочищали стекла керосиновых ламп.
За десять-двадцать часов относительного покоя между двумя делениями хромосомы должны успеть синтезировать своих двойников с полной копией всех содержащихся в них генов, всех молекул ДНК.
Как только двойники будут готовы, длинные хромосомные нити (и оригиналы и их копии) начинают сворачиваться в тугие спирали. А те скручиваются в спирали второго порядка. Смысл этого скручивания вполне понятен. До сих пор хромосомы лежали спутанным клубком и растянуть их по разным полюсам клетки, наверное, было бы не легко. Теперь же каждая хромосома — спираль, скрученная спиралью, — очень компактный и удобный для транспортирования «багаж».
Все ДНК человеческой клетки, вытянутые в одну нить, занимают в длину приблизительно около метра. А свернутая дважды спиралью эта нить умещается в 46 хромосомах, длина каждой из которых всего несколько микрон.
Итак, перед делением хромосомы сами себя упаковывают в компактные «вьюки». К этому моменту, который в клеточном делении именуется профазой, оболочка ядра растворяется, а уже известные нам центриоли, или центросомы, расходятся к противоположным полюсам клетки. Нити так называемого митотического аппарата, или веретена, соединяют между собой эти полюса и каждую хромосому с одним из полюсов.