Загадки наследственности

 Мы любим только то, чему названья нет.
 Что, как полунамек, загадочностью мучит:
 Отлеты журавлей, в природе ряд примет
 Того, что прозревать неведомое учит.

В. Клюев

История сохранила для нас немало курьезных случаев, так или иначе связанных с величайшими научными открытиями.

Вспомним хотя бы известные со школьных лет анекдотические ситуации, которые "помогли" Архимеду и Ньютону сформулировать важнейшие физические законы. (В скобках заметим, что такая "подсказка" может вызвать творческое озарение лишь у исключительно одаренных, талантливых людей.) Вот и английский физик Роберт Гук (1635-1703) мог бы, видимо, в шутку сказать, что мировую известность ему принесла пробка от винной бутылки. А произошло это так. Увлекаясь оптикой, ученый сконструировал микроскоп, увеличивающий в 100 раз, и рассматривал под ним разные предметы, в том числе и срез бутылочной пробки. Гук увидел сухие стенки одиночных сомкнутых одна с другой камер, напоминавших ему клетки подземелий для заключенных под мрачными бастионами средневековых замков. Может быть, поэтому увиденные структуры он и назвал клетками. Впервые Гук указал и на клеточное строение растений.

С появлением более совершенных микроскопов естествоиспытатели взялись за исследование тканей растений и животных и обнаружили, что клеточное строение присуще самым различным формам живого. Позднее узнали о существовании вирусов - организмов, не имеющих клеточного строения.

В наши дни многочисленные исследования биологов посвящены изучению мельчайших целостных структур - клетке и вирусам. Ученые подозревают, что, образно говоря, именно здесь лежит золотой ключик, открывающей дверь к решению сложнейших биологических загадок.

По мере совершенствования конструкции микроскопа биологи обнаруживали все новые и новые клеточные образования. Была установлена исключительная роль размещенных в ядре клетки хромосом как носителей наследственности. Немецкий зоолог Август Вейсман (1834-1914) разработал гипотезу наследственности, в которой справедливо утверждал, что хромосомы содержат наследственные задатки.

Ныне известно, что ядро клетки заполнено прозрачным ядерным соком - кариолимфой, в которой находятся ядрышки и хроматин - вещество, из которого состоят хромосомы. Хроматин включает дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белки-гистоны, а также незначительное количество рибонуклеиновой кислоты (РНК). В неделящейся клетке хроматин представлен диффузной нежной сеткой - хроматиновой сетью, в делящейся - хромосомами (или хроматидами).

Строение клетки: 1 - оболочка; 2 - митохондрии; 3 - эндоплазматический ретикулум; 4 - ценросомы; 5 - аппарат Гольджи; 6 - цитоплазма; 7 - лизосомы; 8 - оболочка ядра; 9 - ядро; 10 - ядрышко

Хромосомы, как выяснилось, и содержат гены, контролирующие наследственность.

У простейших животных и растений ядро не всегда выражено как четко ограниченное тело. У многих жгутиковых и инфузорий ядро представлено гранулами хроматина, рассеянного в цитоплазме - содержимом клетки. У бактерий долгое время не удавалось установить никаких ядерных структур, и лишь при помощи электронного микроскопа были обнаружены нуклеотидные (ядро по латыни - нуклеус) тельца с характерными признаками ядра. Нуклеопротеиды - главные компоненты ядра - выявлены у вирусов.

Одна из самых характерных черт живого организма - способность к самовоспроизведению, то есть созданию существ, подобных себе. Этой способностью, помимо человека, животных и растений, наделены и одноклеточные простейшие существа.

Посмотрим на амёбу. Неторопливо и с достоинством передвигаясь по дну водоема, она неспешно обволакивает ("заглатывает") мелких водных животных и различные органические остатки. Часть пищи необходима амёбе как источник энергии для движения, другая - для увеличения объема протоплазмы. Когда протоплазма достигнет определенного размера, амёба делится надвое. Две новые амёбы идентичны во всем, одинаковы у них и состав и число генов. Эти "равноправные" организмы образовались благодаря процессу клеточного деления, названному митозом.

Сущность митоза сводится к правильному распределению между дочерними ядрами хроматид (продольных половин хромосом), возникших в результате их удвоения и передачи генов от одного клеточного поколения к другому. Оба дочерних ядра, возникающих в результате митоза, идентичны.

Митоз состоит в основном из двух процессов - продольного расщепления хромосом и образования так называемого веретена - аппарата, обеспечивающего правильное распределение хромосом по обоим ядрам. Ядра клетки в митозе проходят несколько фаз: профазу (просматриваются под микроскопом тонкие двойной структуры нити, состоящие из двух параллельных хроматид, связанных центромерой - своего рода "узлом"), прометафазу (появляется "веретено", ядерная оболочка растворяется), метафазу (хромосомы перебираются на "экватор", если рассматривать клетку как глобус), анафазу (центромеры делятся, и половинки хромосом, а вернее уже дочерние хромосомы, расходятся к "полюсам") и телофазу (возникает ядерная оболочка, хромосомы становятся невидимыми).

На стадиях метафазы и анафазы митоза можно увидеть формирование хромосом; этим пользуются биологи, чтобы их не только сосчитать, но и учесть форму и величину. По ним ученые, подобно криминалистам, ведущим поиск преступников по отпечаткам пальцев, не только определяют принадлежность хромосом к конкретному виду растений или животных, но и угадывают появление "чужеродных" хромосом от других видов (случайные скрещивания), устанавливают у животных некоторые болезни. "Облик" хромосом и, как правило (но не без исключений), их число вполне устойчивые признаки видов.

Совокупность всех хромосом в клетке называют набором хромосом данного вида и обозначают символом 2n. Удвоение означает, что число хромосом двойное - диплоидное, одинарное - гаплоидное - находится в генеративных (половых) клетках женских (яйцеклетках) и мужских (пыльце, спермиях). Клетки с диплоидным набором (то есть все, кроме половых) называются соматическими.

Дочерний организм получает от материнского и отцовского по одной хромосоме каждого "сорта", а в целом - полный парный сортимент хромосом, не отличающийся, если нет нарушений в процессе слияния гамет (оплодотворения), от родительских.

Число хромосом в соматических клетках в зависимости от вида имеет самые различные значения. Так, в клетке малярийного плазмодия весь набор состоит из двух хромосом, а у вида простейшего морского животного радиолярии их 1600.

Процесс деления ядра, в результате которого число хромосом, свойственное клетке, уменьшается вдвое, называют мейозом. В мейозе ядро делится дважды (первое и второе мейотические деления), а хромосомы - лишь раз.

Для мейоза характерны процессы соединения гомологичных (структурно идентичных) хромосом в пары (конъюгация) и обмена генами или блоками генов между хроматидами конъюгирующих хромосом (кроссинговер). При мейозе происходит обмен генами родителей, "упакованными" в хромосомы (рекомбинация), в результате которого в хромосомы потомков закладываются новые комбинации генов.

Необходимость мейоза и уменьшения числа хромосом вдвое при образовании гамет обусловлена особенностью оплодотворения: в сливающихся гаметах хромосомы суммируются. Если бы не было мейоза, то в каждом поколении число хромосом удваивалось бы, а это не может продолжаться до бесконечности. В результате мейоза пыльцевые зерна и яйцеклетки растений (равно как сперматозоиды и яйцеклетки животных) получают по половине соматического набора хромосом и притом только по одному представителю от каждой пары. В соматических клетках человека, например, 46 хромосом, а в яйцеклетках и сперматозоидах только по 23. В результате оплодотворения - слияния мужских и женских гамет в зародыше нового организма - хромосомы отца и матери суммируются. Вот в чем заключается секрет, о сущности которого не догадывались (хотя принцип двоичности и выдвигали) ни Лукреций Кар ("ибо зависят всегда от двоякого семени дети..."), ни Грегор Мендель (вспомним его двоичную шифровку растений: АА, Аа, аа). Исследование мейоза открыло еще одну тайну эволюционной изменчивости - обмен генами в процессе кроссинговера (обмена участками хромосом).

Нормальный хромосомный набор человека (женщины). Хромосомы рассортированы и пронумерованы в соответствии с денверской классификацией (определенными правилами сортировки и нумерации хромосом). Справа внизу (в кружке) соответствующая этому набору метафазная пластинка с беспорядочным расположением хромосом

Но природа естествоиспытателя такова, что он никогда не успокаивается на достигнутом. Это подметил и Лев Толстой: "Ботаники нашли клеточку и в клеточках-то протоплазму, и в протоплазме еще что-то, и в той штучке еще что-то. Занятия эти, очевидно, долго не кончатся, потому что им, очевидно, и конца быть не может..." (из статьи "О назначении науки и искусства").

Биохимиков заинтересовал очередной сюрприз органического мира: почему клетки различных органов человека, животных (сердца, печени и селезенки), корня и стебля растений, неодинаковые по химическому составу, содержат в ядрах всегда одно и то же количество ДНК? А в половых клетках это количество меньше вдвое. Нет ли здесь связи: вдвое меньше хромосом - вдвое меньше ДНК?

Совершенно непонятными казались результаты одного из опытов английского бактериолога Ф. Гриффитса, изучавшего две разновидности пневмококка - типы I и III. Один из типов этих бактерий, вводимый в организм, вызывал воспаление легких у мышей, но терял вирулентность (болезнетворность) после нагревания в воде. Другой тип пневмококка был вовсе не вирулентным и не вызывал воспаления ни в живом, ни в мертвом состоянии. Когда же ученый вводил совместно живую невирулентную форму и убитую нагреванием в воде вирулентную, то вирулентная форма вновь "воскресала" к жизни и начинала действовать - мыши заболевали. В организме животных каким-то образом происходило превращение невирулентной формы в вирулентную.

Результаты этого опыта были опубликованы в 1928 году, но получили объяснение лишь в 1944 году с развитием молекулярной генетики. Трое американских исследователей (Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти) доказали, что способностью изменять наследственные свойства обладает только одно вещество в клетке - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Она-то при переходе (трансформации) от одной бактерии к другой и "воскрешала" вирулентность. Более того, исследователи убедились, что убитые нагреванием пневмококки "работают" не только в организме животного, но и в пробирке, если в нее поместить небольшое количество ДНК из микробов другого типа. Передача наследственных свойств дезоксирибонуклеиновой кислотой стала неопровержимым фактом.

В начале пятидесятых годов вопрос о роли генов и ДНК как факторов наследственности был решен положительно, окончательно и однозначно.

Химики-органики при помощи кислот и повышенной температуры расщепили полимерную молекулу ДНК на составные части и убедились, что она включает пятиуглеродный сахар, фосфорную кислоту (отсюда и кислотные свойства ДНК) и четыре разновидности азотистых оснований. Сахар в ДНК чередуется с фосфорной кислотой, к каждому сахару присоединено одно из азотистых оснований. Порядок чередования сахара и фосфора очень строг, основания же чередовались, похоже, в полном беспорядке. Триумвират сахара, фосфата и основания был назван нуклеотидом. Всего в ДНК оказалось четыре нуклеотида - по числу различающихся азотистых оснований. Из четырех оснований два пуриновые - аденин (сокращенно А), гуанин (Г) и два пиримидиновые - цитозин (Ц) и тимин (Т).

Среднее количество нуклеотидов в цепи ДНК около 10 тысяч. Средняя молекулярная масса ДНК-10 миллионов. Таким образом, молекула ДНК оказалась крупнейшей из молекул известных полимеров (у натурального каучука, например, молекулярная масса в среднем лишь 200 тысяч).

Предположение о том, что плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси ДНК, высказанное в 1938 году, было подтверждено в 1947 году исследованиями в Кембридже при помощи рентгеноструктурного анализа. Выяснилось также, что столбики нуклеотидов расположены один над другим, а основания упакованы внутри них подобно стопкам монет в кассетах.

В 1947 году генетика обогатилась еще одним немаловажным открытием: выяснилось, что азотистые основания в ДНК соединены друг с другом очень слабыми водородными связями. И тут же последовала еще одна весть. Э. Чаргафф из Колумбийского университета сообщил о любопытной закономерности: как бы ни отличались разные формы ДНК по чередованию оснований, количество аденина всегда равно количеству тимина (А=Т), а количество цитозина - количеству гуанина (Ц = Г), причем сумма аденина и цитозина равна сумме гимина и гуанина.

Для лучшего запоминания эту закономерность можно изобразить так:

Одно из замечательных открытий века - разгадка структуры ДНК - было сделано в 1953 году в Англии тремя совместно работавшими учеными: Френсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Маршаллом Уилкинзом. В 1962 году их работа была увенчана высшей научной наградой - Нобелевской премией.

Модель двунитчатой спиральной молекулы ДНК

Согласно предложенной ими модели, ДНК состоит из двух нитей, или "цепей", спирально закрученных вокруг общей, пусть и несуществующей оси. Обе цепи связаны своими основаниями. Основание одной цепи соединено водородными связями с основанием второй цепи, а все основания парами, как перекладины лестницы, расположены вдоль всей молекулы. Причем длинные пуриновые основания (А и Г) всегда соединены с короткими пиримидиновыми (Ц и Т) - иначе "перекладины лестницы" были бы неодинаковы. Основания ДНК строго комплементарны (содополняют друг друга) и объединены в "неразлучные пары" - аденин с тимином, а цитозин с гуанином (А-Т; Ц-Г). Эти парные основания получили известность под названием комплементарных, а нити ДНК - комплементарных нитей.

Чисто умозрительно Крик с Уотсоном предположили, что ДНК самоудваивается благодаря разрыву водородных связей, отходу друг от друга одноцепочных нитей и достраиванию каждой цепочкой своей новой половины из плавающих в клетке свободных нуклеотидов. К каждому открытому азотистому основанию в цепи ДНК присоединяется его пара: к аденину - тимин, к цитозину - гуанин. Таким путем две разделившиеся исходные нити превращаются в две новые молекулы ДНК, идентичные исходной. Происходит, как говорят генетики, репликация - самокопирование.

Гипотетическая картина репликации ДНК, подсказанная биохимиками Криком и Уотсоном, была подтверждена в 1957 году экспериментом американского ученого А. Корнберга. Им было установлено, что репликация - процесс ферментативного синтеза одной цепи ДНК на матрице другой цепи ДНК. При репликации двойная спираль ДНК постепенно раскручивается (расплетается) с одного конца и по мере освобождения ее цепей на каждой из них достраивается новая цепь.

Подтверждение пришло в 1958 году и от другого американского ученого М. Меселсона. В своей лаборатории Меселсон выращивал бактерии на среде с изотопным тяжелым азотом, а затем перемещал их на среду, содержащую обычный азот. Через определенные промежутки времени исследователь, центрифугируя бактерии, обнаруживал среди них организмы, имеющие в азотистых основаниях только тяжелый азот или обычный азот, и, самое главное, бактерии, обладающие наполовину тяжелым, наполовину обычным азотом.

Гипотеза Крика - Уотсона о механизме воспроизведения молекулы ДНК окончательно была утверждена в ранге теории.

Выяснение замечательной способности молекул ДНК к воспроизведению имело огромное значение для дальнейшего развития молекулярной генетики, так как позволило понять роль молекул ДНК в передаче наследственной информации.