Текст книги "Сказочная генетика"

7. Волшебное удвоение

В некотором королевстве, за семью морями, за высокими горами, а где именно – отсюда не видать, жил-был богатый купец, и было у него два сына.

Сыновья выросли завистливыми друг к другу: «А почему брату больше каши досталось?» «А почему у брата одежда красивее, чем у меня?» «А почему ему то?» «А почему мне это?» В своём завещании купец пожелал, чтобы после его смерти наследство разделили между сыновьями строго-престрого поровну, до последнего грошика, до последнего яблочка…

Пришло время, и купец умер. Раздел наследства провели согласно его воле, строго поровну, но осталась одна лошадь. Как её поделить? Умные люди легко бы договорились между собой. Как вариант, один брат взял бы лошадь себе и отдал бы другому половину её стоимости, но завистливые люди умными не бывают. Каждый из братьев хотел забрать лошадь себе. Пока они спорили друг с другом, лошадь убежала, потому что ей надоели бесконечные крики да вопли. Думаете, после этого братья успокоились? Нет, каждый стал требовать у другого: «Заплати мне за лошадь, ведь она убежала по твоей вине!» Так, наверное, до сих пор и спорят…

* * *

Клетки живых организмов размножаются простым делением. Была одна клетка – и вот разделилась на две. В свою очередь получившиеся две тоже делятся надвое. И так без конца… Деление клеток происходит не только пока организм растёт, но и после окончания периода роста, поскольку всё время в течение жизни необходима замена отмирающих клеток новыми. Учёные подсчитали, что каждые семь лет клетки нашего организма полностью обновляются.

Смотрите, что получается. Клетка делится надвое, образуя две дочерние клетки. Каждая из них должна получить от клетки-матери полный комплект наследственной информации. Непременно должна, ведь без полного комплекта существовать невозможно. Но материнская клетка одна, а дочерних клеток – две. Не получится ли, как с братьями из сказки?

Нет, не получится, поскольку молекулы ДНК обладают способностью к самовоспроизведению, способностью удваиваться. По-научному этот процесс называется реплика́цией.

Чистое волшебство, не так ли? На самом деле никакого волшебства нет. А есть особые белковые молекулы, которые ползут по длинной-длинной молекуле ДНК и собирают её копию. Но молекулы ДНК непростые, каждая состоит из двух цепочек, завёрнутых в спираль и связанных друг с другом множеством связей. В процессе копирования связи между цепочками разрушаются, но копирующие ферменты сразу же создают каждой из половинок парную цепочку. Получается, что новая молекула ДНК содержит одну материнскую цепочку-спираль и одну свою собственную.

Смысл репликации заключается не только в удваивании материнской молекулы ДНК, но и в ТОЧНОМ КОПИРОВАНИИ её.

Дочерние клетки должны получиться абсолютными копиями материнской.

8. Волшебный аппарат для волшебного удвоения

В тридевятом царстве, в тридесятом государстве, за синими морями, за высокими горами жила-была жадная-прежадная старуха.

Однажды пошла она к колодцу за водой и вытащила в ведре… щуку. Да не простую щуку, а волшебную!

– Отпусти меня, бабушка, – попросила щука. – А я за это любое твоё желание исполню!

– Хочу сундук волшебный! – не раздумывая, сказала старуха. – Чтобы всё, что туда положу, удваивалось.

Щука шлёпнула о воду хвостом – и появился перед старухой большой сундук, крепкий, железом окованный да цветами сказочными расписанный. Но жадная старуха не отпустила щуку в благодарность за такой подарок, а сунула её в волшебный сундук, решив, что две волшебные щуки лучше, чем одна. Рассердилась щука на такое коварство, ударила хвостом, и волшебный сундук исчез, а старуха превратилась в лягушку. Сидит, квакает, о поведении своём думает.

* * *

Для исследований учёным требуется много молекул ДНК. Как проходят исследования? Молекулы нарезают на кусочки, с которыми и проводят научные эксперименты. Для того чтобы получить необходимый результат, порой требуются сотни копий одной и той же молекулы ДНК. А откуда их взять? Хорошо, если материала много. А если нет? А если в распоряжении учёных есть всего одна молекула ДНК, чудом сохранившаяся в кости ископаемого животного? Или две-три молекулы из микроскопической капельки слюны, оставленной преступником на месте преступления? Как тут быть?

Знаете, чем отличаются учёные от других людей? Они не отступают перед проблемами, которые кажутся неразрешимыми, и это дело его чести. Чтобы в исследуемых молекулах ДНК не было недостатка, учёные придумали прибор под названием амплифика́тор. С его помощью можно заготовить сколько угодно копий нужных молекул ДНК.

Если вы сейчас вообразили волшебный сундук из сказки, то вы почти правы. Закладываем в амплификатор молекулы ДНК, которые нужно скопировать, добавляем материал, из которого будут собираться копии, а также «молекулы-сборщики», выставляем нужную температуру и идём пить чай и смотреть мультики. Всё дальнейшее произойдёт без нашего участия. Спустя определённое время возвращаемся к нашему «волшебному сундуку» – амплификатору – и выгружаем из него нужное количество молекул ДНК.

Когда учёные-генетики говорят: «Эх, нам хотя бы одну молекулу ДНК!» – они не лукавят. Для любого исследования, пускай и самого сложного, достаточно одной-единственной молекулы ДНК, а копий с неё можно получить сколько угодно.

9. Как кот стал китом, а мышка мошкой

В некотором королевстве, за семью морями, за высокими горами, а где именно – отсюда не видать, жил-был юный волшебник, который не любил учиться, а любил бездельничать.

Встречаются люди, как ни странно, которым бездельничать приятнее всего на свете, и этот волшебник как раз был из их числа. Пока он учился в Академии Волшебства, всё было более-менее в порядке, ведь ученики ещё не вполне волшебники, с них невелик спрос. Но после вручения диплома изволь уж соответствовать высокому званию. Но у нашего лентяя-недоучки всё шло наперекосяк: задумает сотворить кота, а получается кит; замыслит мышку, а выходит мошка; вместо чашки чайку на стол приземляется наглая чайка, и так далее. Не волшебство, а сплошное расстройство. Про этого лоботряса даже песню сложили, «Волшебник-недоучка» называется.

* * *

Волшебнику-недоучке можно только посочувствовать. И так и хочется заявить сгоряча, что в строго упорядоченном мире генетики ничего подобного – задумал одно, а вышло совсем другое – произойти не может!

Но это не так. Может! Ещё как может и регулярно происходит! Если бы с генами не происходило никаких незапланированных сюрпризов, то не было бы такого природного многообразия, которое мы с вами наблюдаем.

А что было бы?

Было бы бесконечное однообразное повторение самой первой клетки, с которой началась жизнь на нашей планете. Всё окружающее нас природное многообразие является следствием «ошибок» при копировании генов или считывании информации с них. Такие ошибки важны, они меняют гены.

К наиболее наглядным примерам такой изменчивости приводят ошибки при репликации, то есть при самокопировании молекул ДНК. Вполне может случиться так, что вместо нужного вещества, допустим, аденина, в синтезируемую цепочку будет вставлен гуанин, тогда получится новый белок, а значит, новый признак вместо старого.

Если новый признак окажется полезным для выживания, он постепенно закрепится и «победит». К примеру, если красное оперение птички, обитающей в преимущественно зелёной листве, постепенно сменится на зелёное, менее заметное для хищников, то обладатель такого нового признака получит возможность прожить дольше, а значит, оставить больше потомства. Логично, что такой полезный признак начнёт распространяться в природном сообществе.

Так же постепенно, в результате множества генетических «ошибок», появился человек, разумное существо, считающееся венцом творения. В общем, от ошибок тоже может быть польза, всё зависит от обстоятельств. Что не отменяет истины, друзья мои, что учиться нужно хорошо и старательно, потому что недоучкам очень тяжело жить: ничего у них толком не получается, все над ними смеются, да и самим себе они не слишком нравятся.

10. Без помощников обойтись нельзя

В некотором королевстве, за семью морями, за семью долами, а где именно – отсюда не видать, жил-был король, которому однажды надоели слуги и придворные.

Никакого от них толку, только просьбами докучают, да жалованье им плати. Подсчитал король, что если прогонит он всех придворных прочь, то сможет экономить каждый месяц по три мешка золотых монет. Три мешка золотых монет в месяц – это вам не шутки, а огромные деньжищи. За год можно сэкономить тридцать шесть мешков монет, а за десять лет – триста шестьдесят!

Разогнал король всех слуг и придворных и стал жить да радоваться. Только радовался он недолго. Приготовленная поварами еда быстро закончилась, а новую приготовить он не умел. Да и не из чего, ведь на рынок тоже некому стало ходить. Королевский дворец очень скоро пришёл в упадок – кругом пыль, грязь, паутина, а порядок навести некому. Призадумался король и решил: ну её, такую экономию, от которой жизнь становится не мила! Вернул он всех во дворец и снова зажил в своё удовольствие. Всё тебе приготовят, обо всём позаботятся, обо всём подумают, а ты знай себе сиди на троне и пускай в потолок мыльные пузыри.

* * *

Королям без помощников приходится туго, вот и молекулам ДНК без них тоже не обойтись. Только представьте себе огромную молекулу, хранящую информацию о нескольких сотнях, если не тысячах, белков. Работать с такой громоздкой информацией не слишком удобно, особенно если каких-то белков нужно много. В общем, должен кто-то по хозяйству помогать.

Главными помощницами молекул ДНК, высокомудрых хранительниц наследственной информации, являются относительно небольшие молекулы рибонуклеи́новых кислот или, сокращенно, РНК. (ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота, а РНК – рибонуклеиновая, и название у неё попроще, и статус не настолько высокий.) Молекулы РНК имеют схожее строение с молекулами ДНК, только вместо тимина в молекулах РНК содержится другое аналогичное вещество – ураци́л.

Скопировав определённые участки молекул ДНК, молекулы РНК служат дополнительными матрицами для сборки белковых молекул. Молекулы РНК образуются по уже знакомому нам с вами принципу репликации, только копируется не вся цепочка ДНК, а её часть.

Молекулы РНК выступают также в роли инструментов, разрезающих или, напротив, сшивающих фрагменты молекул ДНК, занимаются транспортировкой необходимых веществ к месту сборки молекул ДНК или РНК. Молекулы РНК могут блокировать какой-нибудь ген, делая считывание информации с него невозможным. Кроме того, у особых микроорганизмов, называемых вирусами (мы познакомимся с ними в своё время), молекулы РНК выступают в роли хранителей наследственной информации.

Итак, подытожим: несмотря на то, что молекулы ДНК играют главенствующую роль в хранении и передаче наследственной информации, без своих маленьких помощниц – молекул РНК – они обойтись не могут. Королям нужны слуги, без них короли пропадут.

11. Порядок прежде всего!

В тридевятом царстве, в тридесятом государстве, за синими морями, за высокими горами жил-был один кондитер, которому надоело самому печь торты и пирожные.

«Денег у меня предостаточно, – подумал он. – Пожалуй, открою-ка я кондитерскую фабрику, наберу пекарей, и пусть они стараются, а я буду отдыхать, на пуховых перинах лежать, в потолок глядеть, лимонады фруктовые пить».

Сказано – сделано. Открыл кондитер фабрику и ушёл на покой. Но без присмотра работники творили всё, что им вздумается. То пирожные у них подгорят, то съедят весь крем подчистую, то в горячую карамель горчицы добавят. Пришлось всё-таки кондитеру встать с пуховых перин и топать на работу. А в помощники оставить себе только тех, кто и в его отсутствие ведёт себя добросовестно. Потому что порядок – прежде всего! Без него никак не обойтись.

* * *

Считывание наследственной информации с молекул ДНК и изготовление их копий – весьма сложные процессы. Кто же ими руководит? Ну конечно же, гены, причём в строгом соответствии со своими полномочиями.

Да, среди генов существует иерархия. Одни гены просто делятся информацией, которую хранят. Такие гены называют функциона́льными: они только выполняют свою прямую функцию и больше ничего. Функциональные гены можно сравнить с рядовыми рабочими на заводе.

Организм – сложная система, и условия его существования тоже сложные. Иногда нужно ускорить производство тех или иных белков, а иногда и притормозить. Работой функциональных генов руководят структу́рные гены, названные так за способность создавать организационную структуру, превращая деятельность функциональных генов в слаженный процесс.

Подобно многообразию рабочих профессий (слесарь, токарь, машинист), у функциональных генов тоже есть свои специализации. Одни запускают считывание информации с матрицы, другие его останавливают, третьи передают приказы, отданные структурными генами. У маленьких генов взаимодействие выстроено подобно нашей, «большой» жизни.

Представьте, вам нужно остановить чересчур расшалившегося приятеля. Что вы сделаете? Вероятно, обхватите его руками и попытаетесь удержать. Примерно так же одни гены останавливают работу других: прикрепляются к ним в определённом месте, после чего ген становится неактивным. Когда от гена-командира прибудет гонец с приказом продолжать работу, блокирующий ген разжимает свои объятья и функциональный ген возобновляет работу.

Всё происходящее в живых организмах управляется химическими процессами – вещества связываются друг с другом, распадаются или вступают в реакцию с образованием нового вещества. В клетках нашего организма постоянно кипит-бурлит работа. Мы отдыхаем, а наши клетки работают без отдыха – вырабатывают необходимые вещества, накапливают запасы, готовятся к делению… Настало время поближе познакомиться с клетками и понять, как они устроены. Об этом будет рассказано в следующей главе.

12. Знакомьтесь: это клетка

В некотором королевстве, за семью морями, за семью долами, а где именно – отсюда не видать, жил-был любознательный король.

Его интересовало буквально всё. Почему птицы летают? Почему трава зелёная? Что появилось первым – курица или яйцо? Сколько понадобилось бы времени пчеле, чтобы долететь до солнца? Как Солнце, Луна и звёзды держатся на небе?..

Обычно у королей бывает по одному придворному мудрецу, редко когда два, а при этом дворе проживало больше сотни мудрецов, постоянно занятых поиском ответов на королевские вопросы. Король постоянно требовал объяснять ему всё простыми словами. Если мудрец начинал мудрить, его тут же отправляли на королевскую кухню чистить картошку и драить котлы.

Однажды король спросил у Главного Мудреца:

– Из чего мы сделаны?

– Из маленьких клеток, которые можно увидеть только в микроскоп, Ваше Величество, – ответил мудрец и отправил одного из придворных за микроскопом.

Посмотрев в микроскоп, король скривился и сказал:

– Ничего не понятно! Какие-то пятна, какие-то точки… Ты мне лучше расскажи, как устроена клетка?

– Да будет известно Вашему Величеству, что структурно-функциональная единица строения живых организмов… – начал было мудрец.

– Отправлю картошку чистить! – пригрозил король, строго нахмурив брови.

– Клетку можно сравнить с государством, Ваше Величество, – затараторил испуганный мудрец. – Она окружена стеной, названной клеточной оболочкой. В центре клетки находится королевский замок, в котором живут правитель и его придворные. Вокруг замка расположены заводы и склады, в которых чего только нет!

– Молодец! – похвалил король. – Вот теперь всё понятно, без этих ваших микроскопов! Продолжай дальше в таком же духе…

* * *

Клетку действительно можно сравнить с государством, границей которого служит тонкая клеточная оболочка, по-научному называемая мембра́ной. В оболочке есть канальцы, через которые в клетку и из клетки поступают различные вещества. Эти канальцы можно сравнить с окошками, защищёнными крепкими ставнями. Ставни открываются только при необходимости, всё остальное время они закрыты и содержимое клетки полностью отделено от окружающего мира.

Внутри оболочки клетка заполнена вязкой жидкостью под названием цитопла́зма, что в переводе с греческого языка означает «содержимое клетки». В цитоплазме плавают клеточное ядро и клеточные органы. Сравнивая содержимое клетки с королевским замком, придворный мудрец имел в виду именно клеточное ядро. И в нём действительно «живут» правитель и знать, управляющие королевством-клеткой, – молекулы ДНК.

Хранители информации требуют бережного обращения. Подобно тому, как бережно и аккуратно расставлены книги на полках в библиотеках, каждая молекула ДНК бережно свёрнута и упакована в молекулы белков. Такая упакованная молекула называется хромосо́мой. Клеточное ядро можно сравнить со шкатулкой, в которую аккуратно уложены хромосомы. Как говорится, в тесноте да не в обиде. Важно, что упакованные молекулы ДНК не могут повредиться или перепутаться между собой. Роль шкатулки играет оболочка ядра, надёжно защищающая хромосомы и не позволяющая им разбежаться по всей цитоплазме.

О хромосомах подробнее мы поговорим позже, а пока рассмотрим, что ещё находится в клетке. Современную жизнь невозможно представить без заводов и фабрик, где производятся разные нужные вещи. В клетке тоже есть свои «заводы» – рибосо́мы, похожие на маленькие зернышки. В рибосомах производятся нужные клетке белки.

Что нужно заводам и фабрикам для работы в первую очередь? Энергия! Клеточные энергетические станции называются митохо́ндриями. Внешне митохондрии похожи на короткие толстые огурчики, но правильнее было бы сравнить их с подводными лодками, которые вырабатывают энергию, хранят её и доставляют в нужное место, туда, где в энергии возникла потребность.

Где на заводах хранятся сырьё, а потом и готовая продукция? На складе! В клетке функцию складских помещений выполняют вакуо́ли – ограниченные оболочкой пузырьки, заполненные газами или жидкостями.

Вам нужно знать, что не все живые клетки имеют клеточное ядро. Есть и такие, у которых ядра нет. Например, все бактерии, самые распространённые одноклеточные организмы, не имеют ядер. Почему? Да потому, что ядра им не нужны. Ядро – это «шкатулка» для хранения хромосом, а у бактерии всего одна молекула ДНК, которая свободно плавает в цитоплазме, свёрнутая для компактности в кольцо. Стоит ли заводить шкатулку для хранения одного-единственного колечка? Навряд ли.

А теперь давайте закрепим полученные знания. Возьмите лист бумаги и карандаши. Нарисуйте обычным карандашом в центре листа большой круг – это будет клетка. В центре клетки коричневым карандашом нарисуйте кружок поменьше и закрасьте его – это будет клеточное ядро. Возьмите синий карандаш и нарисуйте вокруг ядра два-три небольших продолговатых пузырька – это будут вакуоли. Настал черёд красного карандаша – им мы будем рисовать митохондрии. У нас должны получиться три коротких красных огурчика, которые нужно закрасить. Что осталось нарисовать? Рибосомы? Берём зелёный карандаш и рисуем по всей клетке мелкие зёрнышки, десяти или двенадцати будет вполне достаточно.

Всё! Портрет клетки готов!

Кто нарисовал, тот молодец!

13. Сорок шесть хранителей

В некотором царстве, в некотором государстве, а где именно – отсюда не видать, жил-был глупый генерал, который ничего в военном деле не понимал, потому что по профессии был поваром.

Однажды он испёк на день рождения царя огромный и невероятно вкусный пирог с двенадцатью начинками. Царю пирог настолько понравился, что он позвал повара и сказал ему:

– Молодец, порадовал меня и моих гостей! Проси за это любую награду, кроме моей короны! Чего ты хочешь?

– Хочу быть генералом, Ваше Величество! – гаркнул повар.

Царь засомневался – ну какой из повара генерал? Однако делать нечего. Как можно нарушить царское слово? Пришлось сделать повара генералом.

У поваров как заведено? Салатов может быть подано пять, супов – два, вторых блюд – три, десертов – шесть. Всё определяется наличием продуктов, фантазией мастера и наличием свободного места на столе. Став генералом, повар и в войске своём такие же правила завёл. В одном отряде у него было три солдата, в другом шесть, в третьем – тридцать три. Даже куры смеялись, а уж то, что им на смех делается, совсем никуда не годится.

* * *

В войске глупых сказочных генералов порядки могут быть какими угодно, но в стане хромосом порядок чёткий. Каждый биологический вид, а мы с вами тоже относимся к биологическому виду Человек разумный, имеет своё, строго определённое количество хромосом. У нас с вами их 46. Хромосомы разбиваются на пары, иначе и быть не может, ведь одну хромосому мы получаем от матери, а другую – от отца.

Пары хромосом выстроены по росту, как солдаты в строю – первая пара самая крупная, вторая поменьше, ну и так далее… Каждому признаку соответствуют два гена, находящиеся в разных хромосомах. Один из парных генов является главным, как вы уже знаете.

В каждой клетке нашего организма, в каждой-каждой клетке, содержится полный набор хромосом, состоящий из 46 хранителей наследственной информации. Может, клетке вся эта информация полностью и не нужна, но она есть, и каждая клетка берёт из этого хранилища то, что ей нужно.

У разных биологических видов разное количество хромосом (мы сейчас говорим о многоклеточных организмах, а не об одноклеточных). Меньше всего их у ядовитого муравья-прыгуна, обитающего в Австралии. Самки муравья-прыгуна имеют две хромосомы, а самцы – всего одну. А у красивых бабочек-голубянок 268 хромосом, почти в шесть раз больше, чем у нас с вами! Казалось бы, где человек и где бабочка… Но количество хромосом не зависит напрямую от размера организма. У синего кита, который считается самым крупным животным на нашей планете, «всего-навсего» 44 хромосомы, а у маленьких одноклеточных микроорганизмов со сложным именем Стеркиелла гистриомускориум (трудно выговорить без тренировки!) – 16 тысяч хромосом! Почему так сложилось – неизвестно, но когда-нибудь учёные непременно найдут ответ на этот вопрос.

Разница в количестве хромосом у разных биологических видов – это ещё не самое удивительное. Клетку можно увидеть только под микроскопом, а её ядро и вовсе можно разглядеть только с помощью очень мощного прибора. Но если вытянуть все наши молекулы ДНК в линию, её длина составит около двух метров. Представляете, насколько компактно упакованы молекулы ДНК в клеточном ядре? Природа умеет удивлять.