У истоков человечества
Шрифт:
Каждый человек, как известно, вырастает из одной зародышевой клетки, которая путем постепенного деления в конце концов превращается в сложный биологический организм. Большим достижением генетиков было открытие митоза, т. е. механизма деления клеток.
Наблюдения за ядром живой клетки в процессе деления выявили сложные преобразования его строения. Вначале в клетке возникают два центра и между ними нить — веретено деления. Ядро становится зернистым, теряет свои границы и как бы растворяется. Его место занимают движущиеся, точно танцующие, палочковидные тельца, названные впоследствии хромосомами за их способность интенсивно окрашиваться на срезах клеток (от греческих слов «хрома» — окраска и «сома» — тело). В какой-то момент все хромосомы одновременно, будто по команде, выстраиваются в ряд по «экватору» клетки. Затем каждая «палочка»
Теперь широко известно, что хромосомы всех организмов — растений, животных и человека — представляют собой хранилище наследственной информации. Стал понятным и глубокий смысл расщепления хромосом в процессе деления клетки: этот механизм необходим для равномерного распределения важнейшей жизненной информации между двумя дочерними клетками. Выяснилось, что совсем не случайно хромосомы делятся продольно: по их длине в определенной последовательности расположены гены — структуры, определяющие, чем клетке быть. Станет ли оплодотворенное яйцо лягушкой или цыпленком? На этот вопрос отвечают гены. И они же определяют, какие клетки развивающегося яйца станут перьями цыпленка, какие — его ногами, а какие — кокетливым красным гребешком.
Внешний вид хромосом (1 — амебы; 2 — зеленой водоросли; 3 — гриба; 4 — липы; 5,6 — мухи; 7 — рыбы; 8 — бабочки; 9 — саранчи; 10 — жука; 11 — лягушки; 12 — человека)
В начале 50-х годов ученым удалось выяснить, что гены образованы молекулами ДНК. Этот биологический полимер состоит из цепочек нуклеотидов. Из поколения в поколение передается записанная его молекулами программа синтеза белков, и чем сложнее эта программа, тем длиннее нить ДНК. Сейчас весьма убедительно доказано, что для каждого вида организмов характерно определенное количество ДНК на каждую клетку: оно увеличивается от вирусов к позвоночным. При этом за появление каждого конкретного признака ответствен определенный участок ДНК — ген или несколько генов. Чтобы представить, сколь велико количество информации, записанной в ДНК клетки человека, достаточно назвать сумму нуклеотидов в ней — примерно 3 млрд. Причем вся колоссальная информация умещается на спирали ДНК длиной 2—4 м — именно такова длина нити ДНК в одном ядре. Чтобы уместиться в ничтожно малый объем ядра, ДНК многократно скручивается, складывается.
Каким же образом реализуется информация, содержащаяся в ДНК? Как читается записанная в ней программа жизни?
Деятельность клетки — это многочисленные химические реакции; каждая из них протекает под действием своего фермента (биологического катализатора белковой природы). Известно, что белки синтезируются в цитоплазме клетки. Значит, сюда и должна попасть информация об их строении. Процесс доставки осуществляется с помощью молекул особой информационной, или матричной, рибонуклеиновой кислоты — мРНК. Информация с какого-либо участка ДНК переписывается в молекулу мРНК, которая затем направляется в цитоплазму клетки, где и образуется молекула нужного белка по плану строения, принесенному мРНК.
«Структура белка в закодированном виде представлена в соответствующем гене, где отдельная аминокислота кодируется тройкой азотистых оснований. Эти отрезки гена... получили название кодонов... Из сочетания кодонов и 20 аминокислот строится все неимоверное разнообразие белков, нужных для осуществления явлений жизни на всем ее поле от вирусов до человека» (Дубинин, 1975).
Синтез белка происходит в основном в период между делениями клетки, называемый (весьма неудачно) периодом покоя: молекула ДНК относительно выпрямлена, рыхло расположена в ядре и наиболее удобна для «чтения». Под электронным микроскопом она напоминает нитку бус. В конце периода покоя начинается удвоение молекул ДНК, и тем самым подается команда к делению клетки. Характер расположения молекул ДНК в ядре резко изменяется: ДНК спрессовывается, упаковывается в компактные хромосомы. На первый взгляд может показаться, что главный механизм наследственности чрезвычайно устойчив благодаря тому, что каждая вновь образованная клетка получает от клетки-родителя полный набор генов. Они будут управлять ростом и развитием «новорожденной», они же обеспечивают в нужный момент воспроизводство новой клетки с таким же набором генов. Однако это не всегда так. Наблюдения показывают, что генный аппарат клеток подвержен мутациям (изменениям) и спонтанным (самопроизвольным), и индуцированным (вызванным искусственно). Правда, частота спонтанных мутаций у организмов всех видов относительно невелика. Другое дело — индуцированные: они возникают гораздо чаще под воздействием факторов, называемых мутагенными. Это могут быть патогенные вирусы, некоторые химические соединения и, главное, ультрафиолетовое, рентгеновское и ионизирующее излучения — радиация.
Мутагенные факторы способны повреждать или даже разрушать некоторые участки молекул ДНК (генные мутации). Когда под воздействием мутагенных факторов разрывается цепочка молекул ДНК, возникают хромосомные мутации. Мутации опасны тем, что с поврежденных молекул ДНК снимаются новые, уже их дефектные копии, содержащие неверную, искаженную программу жизни. Организм может передать ее по наследству, и тогда возникают всевозможные уродства или наследственные заболевания, обусловленные как хромосомными, так и генными мутациями (например, болезнь Дауна и синдром Шерешевского—Тернера. Болезнь Дауна, характеризующаяся умственной отсталостью и бесплодием, вызывается наличием лишней, добавочной хромосомы. А синдром Шерешевского—Тернера, проявляющийся в замедлении роста и полового развития, обусловлен отсутствием одной хромосомы).
Нелишне напомнить, что каждая клетка нашего организма содержит 46 парных хромосом (диплоидный набор) и лишь половые клетки, и мужские и женские, имеют только по 23 непарные хромосомы (гаплоидный набор). При образовании половых клеток хромосомы не удваиваются, а делятся пополам, и происходит мейоз (уменьшение). При слиянии половых клеток образуется одноклеточный зародыш, ядро которого содержит 46 хромосом: одна половина из них получена от отца, а другая — от матери. Именно поэтому все мы чем-то похожи на своих родителей.
В настоящее время известно более 2000 наследственных болезней, синдромов и аномалий, проявляющихся в виде различных нарушений обмена веществ, физических уродств, психических расстройств. Одна из главных причин мутации — ионизирующее излучение, или радиация. Что же такое радиация?
Открытие радиоактивности и ее влияния также принадлежит нашему веку. В 1896 г. парижскому профессору химии А. Беккерелю на заседании Академии наук во время чтения письма немецкого ученого Рентгена об открытии им новых лучей пришла в голову мысль, что настоящая причина испускания рентгеновских лучей — свечение стекла трубки прибора.
Беккерель решил проверить свою мысль — выставить вещество с фотопленкой на солнце. Он рассуждал так: если под влиянием солнца вещество начнет светиться, то оно должно выделять рентгеновские лучи, которые отпечатаются на фотопластинке. Сама по себе мысль эта была ошибочной, но опыт Беккереля сыграл огромную роль в науке, и только потому, что для первого образца ученый взял урановую «лепешку» (из двойной сернокислой смеси урана и калия).
Выдержав ее на солнечном свету, он проявил пленку и обнаружил на ней отпечаток «лепешки». Беккерель решил, что его идея верна. Несколько раз он повторял свой опыт, а однажды решил между фотопластинкой и «лепешкой» из смеси урана и калия положить медный крестик, чтобы узнать, смогут ли таинственные лучи пройти через медь. Но когда он собрался все это вынести на солнечный свет, появились облака, и Беккерель с досадой сунул в стол приготовленную пластинку вместе с урановой «лепешкой» на ней и маленьким крестиком между ними. Через несколько дней он решил проявить все пластинки, в том числе и ту, которую он совсем мало держал на солнце. Каково же было его изумление, когда после проявления он увидел, что на пластинке изображение «лепешки» и крестика было еще четче, чем у тех пластинок, которые он долго держал на солнце. Значит, солнце и флюоресценция здесь ни при чем?
Беккерель повторял свой опыт и всякий раз на закрытой фотопластинке получал четкое изображение «лепешки», где бы ни оставлял ее — в темноте или на свету. Он стал проверять все другие вещества, но ни одно из них не оставляло следов на фотопластинке, кроме тех, которые содержали уран. А уран испускал невидимые лучи днем и ночью, независимо от того, был он освещен или находился в темноте. Лучей становилось больше только тогда, когда было больше урана, а если в породе примесь урана была меньшей, то меньше испускалось и лучей. Кроме того, оказалось, что невидимые лучи способны наэлектризовывать вокруг воздух. Лучи, открытые Беккерелем, произвели огромную сенсацию.