Танец хромосом

"- "Э!" - говорю я Петру Ивановичу...

- Нет, Петр Иванович, это я сказал "Э!".

- Сначала вы сказали, а потом и я сказал..."

Вы, конечно, помните этот спор между Петром Ивановичем Бобчииским и Петром Ивановичем Добчинским из бессмертной комедии Гоголя. Но нередко такую комедию разыгрывают ученые или историки науки, занимаясь бесплодными спорами о том, кто первый сказал "Э!". Иногда в этом бывает трудно разобраться, да и, по-моему, ни к чему.

Трудно сказать и о том, кто первым сказал "Э!" в учении о роли хромосом в наследственности. А правильнее считать, что никто не произнес первым решающего междометия, что многие ученые сказали каждый свое "Э!", из которых к концу прошлого века сложилась, как мозаика из отдельных ярких камешков, цельная и ясная картина.

Во времена Менделя живая клетка все еще представлялась в виде пузырька или ячейки, состоявшей из трех частей: оболочки, протоплазмы и ядра. Но спустя примерно десятилетие после выхода в свет его знаменитой статьи, учение о клетке стало подниматься на следующую ступень. Благодаря усовершенствованиям микроскопической техники, ученые смогли перейти от исследования строения клетки к клеточному ядру. И раз долгожданные возможности появились, нет ничего удивительного, что изучением клеточного ядра занялись многие ученые и многие из них независимо друг от друга стали приходить к одним и тем же заключениям.

Долго пришлось бы бродить нам по извилистым тропинкам истории науки, прежде чем мы добрались бы до сути. Лучше сразу проникнем в клеточное ядро, вооруженные всем арсеналом современных методов и средств, и посмотрим, что в нем происходит. То, что я вам покажу в клетке, далеко не последнее слово науки. Я буду показывать то, что было открыто и изучено еще в последней четверти прошлого века трудами Штрасбургера и Чистякова, Флемминга и Навашина, Гертвига, Перемежко, Вальдеера, Бючли и ряда других.

В детстве я зачитывался растрепанной книжкой еще дореволюционного издания - "Доктор Мухолапский". Автора, конечно, я не запомнил. А сейчас одна из любимых книг моих детей - повесть Яна Ларри "Необыкновенные приключения Карика и Вали". В обеих книгах речь идет о том, как человек уменьшился до размеров двух сантиметров и что он увидел в удивительном мире насекомых и трав. А я давно мечтаю, чтобы найти время и написать повесть, герой которой уменьшается до размеров в несколько тысячных миллиметра и попадает внутрь клетки. Думаю, что это могло бы быть не менее интересно. В этой книге много места было бы уделено и ядру клетки. Некоторые страницы представляются мне примерно так.

...Как он проник через двойную стену, внутри которой было что-то густое и явно маслянистое, навсегда осталось загадкой для Бориса. Но каким-то совершенно непонятным образом он оказался внутри замкнутой сферы, об устройстве и назначении которой перед этим размышлял. Вначале он обрадовался, но когда огляделся по сторонам, то сердце его невольно сжалось.

Он по-прежнему находился в густой жидкости, похожей на ту, что осталась по другую сторону стенки. Но вместо "островков и камешков" все пространство заполняли какие-то удивительные образования, похожие то ли на заросли лиан, то ли на скопище змей. Они медленно колыхались вокруг, только где-то вверху, почти на другой стороне сферы переливалось всеми цветами радуги округлое тело. Борису казалось, что оно связано с одной из "змей".

"Змеи" медленно и как будто беспорядочно двигались. Когда Борис присмотрелся, то увидел, что каждая из них двойная - вроде каната. И, так же как в канате, обе половинки были обвиты друг вокруг друга, и каждая состояла из более тонких нитей. Время от времени то одно, то другое место "змеи" набухало и приближалось к стенке. Там она освобождалась от груза, который отправлялся наружу.

Но вот началось что-то новое. Теперь какие-то куски стали двигаться по направлению к "змее". Борис попытался рассмотреть их форму, но это ему не удалось. То ли мешало дрожание окружающей жидкости, то ли просто устали глаза. (На самом деле потому, что и в науке этот вопрос еще выясняется.) "Куски" присоединялись к "змеям". Видимо, каждый из них искал свое место. Некоторые сразу останавливались, другие толкались то в одну, то в другую точку, пока не успокаивались.

Заглядевшись, Борис забыл об осторожности и, рассматривая одни нити, запутался в других. Попытался выбраться, но вместо этого запутался еще больше. Силы совсем было оставили Бориса, и ему уже грозила неминуемая гибель, как вдруг "змеи" сами начали постепенно освобождать его.

Борис снова смог оглядеться. Стало вроде бы посвободнее. Хотя теперь каждая "змея" состояла не из двух, а из четырех продольных частей, свободное пространство все увеличивалось. Вскоре причина этого разъяснилась сама собой: "змеи" сокращались! И одновременно все более и более сильно закручивались в спираль (деталей которой наш герой тоже не смог рассмотреть по той же причине). Одновременно происходили и другие события. Стена, казавшаяся такой неприступной, становилась все более тонкой и дряблой и даже как будто местами вообще исчезла. Начало бледнеть и уменьшаться радужное тело вверху. Зато с двух сторон возникли звезды, которых до сих пор не было.

Не успел Борис обдумать происходящее, как и стенка и округлое тело совсем исчезли (читатель, вероятно, догадался, что речь идет о ядерной оболочке и ядрышке; что же касается "всех цветов радуги", то они на совести автора). "Змеи" же, в которых наш герой наконец-то распознал хромосомы, стали совсем короткими. От звезд к хромосомам протянулись нити, образовав веретенообразную структуру. Все хромосомы расположились в одной плоскости, и от всех протянулись по одной нити к каждой из звезд.

Теперь хромосомы можно было хорошо рассмотреть. Они различались величиной и формой. Каждая имела перетяжку, к которой присоединялась нить веретена. У одних посередине, у других - ближе к одному из концов. У некоторых были дополнительные перетяжки. Присмотревшись, Борис заметил, что у каждой из хромосом есть двойник, в точности копирующий все ее детали.

Борис стал вспоминать, что когда-то прочел в попавшейся ему книжке по биологии. Клетка всегда содержит парное число хромосом - один из членов пары достался когда-то от отца, другой - от матери. И пожалел, что плохо знает биологию. Ведь то, что он сейчас увидел, недоступно прямому наблюдению. То, что показалось ему похожим на змей, представляет собой тончайшие нити, невидимые в обычные микроскопы, а для наблюдения в электронный микроскоп они, наоборот, слишком велики. Только когда хромосомы начинают спирализоваться, сокращаясь и утолщаясь при этом, их легко наблюдать.

Но вот события начали разворачиваться дальше. Каждая из хромосом, лежавших в экваториальной пластинке, расщепилась вдоль. И каждая половинка состояла из двух нитей, как исходные хромосомы. А нити веретена стали сокращаться, растаскивая новые хромосомы в противоположные стороны. Вот уже образовалось две кучки, каждая из которых напоминала исходное ядро до образования экваториальной пластинки. А затем все пошло, как в кино, если ленту заставить двигаться в обратном направлении: хромосомы стали деспирализоваться, образовались ядрышки и ядерная оболочка. Осталось только клетке разделиться надвое. Процесс клеточного деления закончился...

Именно так происходит процесс клеточного деления в большинстве нормальных клеток. Поражает точнейший механизм распределения новых хромосом по клеткам: каждая из них получает в точности такой же набор хромосом, какой был и в исходной клетке. Исключения составляют специализированные клетки, которым в дальнейшем не предстоит делиться. Они для нас пока интереса не представляют. Другое исключение, которым мы сейчас займемся, - деление половых клеток.

Половые клетки происходят из клеток, процесс деления которых ничем не отличается от того, что вы наблюдали вместе с героем ненаписанной повести. Но самое последнее или одно из последних делений клеток зародышевого пути происходит необычно. Цитологи различают в нем много отдельных стадий, каждая из которых носит специальное название, но мы ограничимся сутью. А она состоит в следующем. Как уже сказано, нормальные клетки содержат двойной набор хромосом (один член пары от отца, другой - от матери). В начальной стадии, тогда, когда хромосомы удваиваются, члены каждой пары встречаются. (Как они "узнают" друг друга - загадка, но именно это и происходит.) Они тесно соприкасаются друг с другом, причем соприкасаются точно гомологичными местами (механизм этого явления тоже неизвестен!). Контакт между партнерами в то время, когда образуются новые хромосомы, очень тесный, настолько тесный, что, когда они расходятся, зачастую оказывается, что они обменялись кусками. У новой хромосомы "голова" от одной, а "хвост" от другой из старых хромосом.

Когда я пишу эти строки, я думаю о том, что среди моих читателей, возможно, будут и физики. Клеточное деление, особенно деление половых клеток, - вот непочатый край интереснейшей работы. Существуют какие-то силы очень специфического взаимодействия между хромосомами и их частями. Какова их природа? Пока это неизвестно.

Танец хромосом

Описанная подготовка занимает много времени. А вслед за этим происходит одно за другим два клеточных деления. Без всякого промежутка, так что хромосомы при этом разделиться не успевают. В результате на два клеточных деления приходится лишь одно деление хромосом. Таким образом, у каждой из четырех образовавшихся клеток вдвое меньше хромосом, чем в обычных клетках организма. В обычных клетках по две хромосомы каждого сорта (так называемый диплоидный набор), а у зрелых половых клеток - только по одной каждого сорта (гаплоидный набор). Это имеет исключительно важное значение. Если бы не было удивительного явления редукции числа хромосом при созревании половых клеток, то не было бы и жизни на нашей планете, во всяком случае, высших форм жизни. Почему - это нам скоро станет ясно.

Перед тем как покинуть на время мир клеток, нужно еще рассмотреть, что происходит при оплодотворении.

Два века тому назад Иосиф Кельрейтер окончательно доказал, что для образования зародыша у растений необходимо участие пыльцы. Лет на 20 позже итальянский ученый Ладзаро Спалланцани доказал то же для животных. Он выяснил, что для образования зародыша необходимо участие семенных нитей - сперматозоидов. Но к чему сводится их роль, что при этом происходит, оставалось неизвестным. Обычно думали, что сперматозоид лишь активирует яйцо, заставляя делиться. Истину выяснили в конце прошлого века.

Происходит следующее. Сперматозоид проникает внутрь яйцеклетки. Его оболочка, шейка, хвост при этом теряются, а ядро остается. Получается двуядерная клетка: одно - собственное ядро яйцеклетки, а другое - ядро спермия. Вы помните, конечно, что оба ядра несут не нормальный, двойной, а одинарный набор хромосом. А затем ядра сливаются. Что при этом происходит, нетрудно сообразить: образуется нормальное ядро с нормальным двойным набором хромосом. Получившаяся клетка (ее называют зигота - нам это слово уже попадалось), многократно делясь, образует зародыш, который постепенно развивается в организм.

Сказанное - основные факты цитогенетики, науки, без которой невозможно себе представить существование современной генетики.