Глава 5 Процесс размножения и генетика

В предшествующих главах мы рассматривали вопросы, связанные с молекулярной основой обмена веществ в клетках — той непрекращающейся химической активности, которая служит одним из отличительных признаков жизни. Но у живых организмов есть еще одна способность к самовоспроизведению. В последующих главах мы постараемся показать, какой свет на этот удивительный процесс проливают последние достижения молекулярной биологии.

Размножение бывает двух типов: половое и бесполое. Бесполое размножение происходит всякий раз, когда клетки делятся. В качестве примера можно привести рост любого многоклеточного организма. Одноклеточные организмы, скажем, бактерии, довольно часто размножаются делением. Половое размножение происходит путем слияния двух клеток — по одной от каждого родительского организма. Как мы все знаем, это происходит при оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом. Конечно, эти два способа воспроизведения во многих отношениях отличаются друг от друга, но мы пока не касаемся различий. Рассмотрим оба способа с точки зрения передачи информации, как теперь принято. Дочерняя клетка должна получить от родительской клетки (или от двух клеток) информацию, которая позволит ей путем взаимодействия с окружающей средой вырасти в заранее предопределенный организм. Количество переданной информации должно быть невероятно велико: даже одна-единственная клетка отличается огромной сложностью и для построения самой себя требует максимально подробных и тщательно разработанных инструкций. Мало того, что информации должно быть много, — она еще должна быть исключительно специфичной, поскольку необходимо сохранение чистоты рода; попросту говоря, человек всегда должен порождать человека, бабочка — бабочку и т. д.

Проводя такую цепь рассуждений, мы сразу оказываемся перед целым рядом проблем: где в клетке хранится вся эта информация? Где напечатаны те инструкции, копии которых будут переданы последующим поколениям? В каком виде информация передается потомству и как она управляет построением новых клеток? Эти проблемы издавна не давали покоя мыслителям и ученым. Было предложено немало гипотез, ставивших своей целью объяснить ту удивительную цепь событий, которая приводит к появлению из одной оплодотворенной яйцеклетки такого высокоразвитого создания, каким является человек. Например, многие биологи прежних времен считали, что в каждом сперматозоиде заключен гомункулус — миниатюрная копия того человека, который из этого сперматозоида разовьется. В наши дни, когда биологи вооружены гораздо более совершенными приборами, в том числе современными микроскопами, умозрительные построения уступили место анализу реальных наблюдений, касающихся состава клеток и их поведения.

Наиболее заметной частью клетки является ядро — плотная центральная область, ограниченная от окружающей цитоплазмы. Чем больше биологи исследовали клетку, тем яснее для них становилась ключевая роль ядра, управляющего всей жизнью клетки. Уберите ядро из клетки (это можно сделать с помощью микроманипулятора), и прекращаются все внутриклеточные процессы. Если ядро не вернуть назад, клетка, в конце концов, погибает. У некоторых видов одноклеточных организмов удается даже заменить одно ядро другим, взятым у другого вида, и вскоре первая клетка приобретает признаки, характерные для второго организма. Итак, мы видим, что ядро существенно для поддержания клеточной активности и, кроме того, им определяются все признаки, характеризующие данную клетку. Мы можем рассматривать ядро как орган управления, содержащий всю информацию о клетке.

Прежде чем клетка разделится, ее ядро расщепляется на два дочерних ядра; делению ядра предшествует стадия, на которой оно распадается на ряд длинных, тонких, палочковидных структур различной формы и величины — так называемых хромосом. Хромосомы выстраиваются парами — по две хромосомы каждого сорта — и расходятся, после чего члены каждой пары движутся к противоположным концам клетки, где формируются два новых ядра, которые вскоре уже становятся частью двух дочерних клеток. Проходит какое-то время, и набор хромосом каждого дочернего ядра удваивается в процессе подготовки к следующему делению. В конечном счете каждая дочерняя клетка содержит полный набор хромосом, точно соответствующий набору хромосом родительской клетки.

Постепенно выяснилось, что именно хромосомы несут в себе ту информацию, которая переходит от клетки к клетке, от поколения к поколению. Этот вывод основывается на множестве разнообразных экспериментов, выполненных на всех возможных видах организмов. Например, в течение последнего полувека многочисленные исследования были проведены на крохотном насекомом — плодовой мушке дрозофиле (Drosophila melanogaster). По целому ряду причин этот вид стал излюбленным объектом генетических исследований. Дрозофил легко выращивать, они быстро достигают половой зрелости, что позволяет за сравнительно короткое время изучить большое число поколений. Клетки дрозофилы содержат небольшое число хромосом (вообще говоря, число хромосом у разных видов организмов неодинаково: у дрозофилы их 4 пары, у человека 23 пары), причем в некоторых клетках дрозофилы хромосомы настолько велики, что их можно подробно изучить с помощью микроскопа. Хромосомы дрозофилы обнаруживают характерное чередование светлых и темных поперечных полос. Генетикам удалось установить соответствие между признаками организма и определенными участками хромосомы; было показано, что изменение специфического характера чередования полос всегда сопровождается изменением определенных внешних признаков дрозофилы. Соответствие между отдельными участками хромосом и признаками организма, или, как говорят генетики, соответствие между генотипом и фенотипом обычно изображается в виде так называемых хромосомных карт.

Мы приходим, таким образом, к мысли, что элемент наследственной информации, ответственный за данный признак взрослого организма, располагается в определенном участке определенной хромосомы. Такой элемент информации называется геном; если угодно, мы можем рассматривать хромосому просто как цепочку генов. Как же ген контролирует появление соответствующего признака? Мы знаем, что свойства клетки определяются природой ферментов и других белков, входящих в ее состав. Поэтому нам уже не покажется удивительным, что всем известным фактам лучше других соответствует гипотеза, согласно которой гены выполняют свои функции, контролируя синтез ферментов и других белков. Если по какой-то причине изменится ген, то должен измениться и белок, синтезом которого он управляет. Это знаменитая гипотеза «один ген — один фермент». Она утверждает, что каждый ген управляет синтезом одного определенного фермента, а контроль генотипа над фенотипом осуществляется через контроль структуры ферментов со стороны отдельных генов.

До сих пор, обсуждая генетические проблемы, мы говорили о структурах, которые видны в микроскоп. Для молекулярной биологии это не годится — мы ведь стремимся к тому, чтобы понять поведение живых организмов на молекулярном уровне. Поэтому теперь мы должны задать себе такой вопрос: а что же представляет собой ген на молекулярном уровне?

Если гены действительно составлены из молекул, то можно предсказать, какими свойствами должны обладать эти молекулы. Во-первых, они должны обладать способностью к самовоспроизведению, причем необычайно точному. Впрочем, точность эта не должна быть абсолютной, поскольку мы считаем, что изменчивость растений и животных, лежащая в основе происхождения новых видов, объясняется как раз случайными ошибками в самовоспроизведении гена — так называемыми мутациями. Во-вторых, интересующие нас молекулы должны играть роль хранителей информации. В-третьих, они должны обладать способностью использовать эту информацию для прямого или косвенного управления синтезом ферментов. Иными словами, здесь должно быть что-то вроде телеграфной ленты, которая поступает в телетайп и превращается в письменное сообщение. Итак, у молекул, которые мы ищем, оказывается много вполне четких примет.

Поскольку гены являются частью хромосом, то для начала не мешало бы разузнать, что известно насчет химического состава хромосом. Как показали химики, хромосомы состоят главным образом из белков и нуклеиновых кислот. Очевидно, среди этих соединений и следует искать кандидатов на роль способных к самовоспроизведению хранителей информации. Химию белков мы уже обсуждали, а вот о нуклеиновых кислотах речи пока что не было. Давайте теперь и им посвятим немного времени.

Прежде всего, нуклеиновые кислоты, подобно белкам, имеют очень большие молекулы, часто они намного больше молекул белков. Во-вторых, молекулы нуклеиновых кислот, как и молекулы белков, имеют вид длинных цепей. Но на этом сходство кончается, поскольку в цепях нуклеиновых кислот роль элементарных звеньев выполняют не аминокислоты, а так называемые нуклеотиды, совсем на аминокислоты не похожие. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: из молекулы сахара, фосфатной группы и еще одной довольно сложной группы, которую химики называют азотистым основанием. Эти основания бывают двух сортов — пуриновые и пиримидиновые. Существует несколько видов нуклеиновых кислот, нам же нужна та, которая входит в состав хромосом. Ее полное химическое наименование звучит несколько громоздко — дезоксирибонуклеиновая кислота. Поэтому гораздо легче привилось сокращенное название ДНК. Фосфатная и сахарная группы, чередуясь, образуют главную цепь, от которой в разные стороны отходят пуриновые или пиримидиновые основания. Пуриновые основания могут быть двух сортов — либо аденин, либо гуанин; точно так же имеется два сорта пиримидиновых оснований — цитозин и тимин. Запоминать эти названия совсем не обязательно. Нужно только знать, что всего существует четыре сорта оснований, которые можно обозначить просто начальными буквами их названий — А (аденин), Г (гуанин), Ц (цитозин) и Т (тимин). Относительно структуры оснований заметим только, что пурины (А и Г) больше по размеру — их молекулы содержат две кольцевые группы атомов, пиримидины (Ц и Т) меньше и содержат только по одному кольцу.

Для химиков изучение нуклеиновых кислот всегда было делом нелегким. Много трудностей связано с очисткой. Необычайно длинные молекулы нуклеиновых кислот разламываются на куски даже при простом перемешивании раствора. Если же принять во внимание, что одна молекула может содержать тысячи или даже миллионы атомов, то становится ясно, что точный химической анализ таких молекул представляет задачу невероятно сложную. Более или менее подходящие методы химического анализа нуклеиновых кислот появились совсем недавно, а прежние методы давали результаты, весьма далекие от истины. Так, например, когда я еще учился в школе, нам говорили, что четыре вида оснований встречаются в нуклеиновых кислотах в равных количествах, т. е. в отношении 1:1:1:1. Теперь же точно установлено, что это совершенно не так.

Определенно можно сказать, что в те далекие времена — а для молекулярной биологии тридцатые годы это вообще времена доисторические — ДНК казалась весьма неподходящим кандидатом на роль носителя биологической информации. Судя по первым анализам, это была довольно «тупая» молекула, в которой четыре основания, представленные в равных количествах, повторялись вдоль цепи в неизменной последовательности. Многие думали тогда, что ДНК служит всего-навсего подпоркой для хромосомного белка. Сам белок считался куда более подходящим претендентом на роль носителя информации: почти нигде не повторяющаяся последовательность из двадцати разных аминокислот великолепно могла бы хранить в себе соответствующим образом закодированную информацию.

И вдруг этим воззрениям, которых придерживались большинство биологов, наносится неожиданный удар. Именно так можно расценить результаты экспериментов, выполненных в середине сороковых годов [XX в.] и относящихся к странному явлению, названному трансформацией бактерий. Эти эксперименты показали, что наследственность многих микроорганизмов, в частности пневмококков (возбудителей пневмонии), может изменяться под действием ДНК. Проще говоря, сделали вот что: из определенного вида пневмококков, которую мы условно назовем штаммом А, вывели чистую нуклеиновую кислоту и стали смотреть, как она воздействует на клетки пневмококков другого штамма — штамма В. Итак, ДНК штамма А проникла в клетки бактерий штамма В — и тут произошло настоящее чудо! Оказалось, что потомство бактерий штамма В и все последующие поколения превратились в бактерии штамма А. Другими словами, наследственные признаки организма можно при желании изменить, вводя ему химически чистую ДНК другого организма, не содержащую — и это особенно важно — никаких примесей белка. Отсюда следует, что, по крайней мере, у бактерий именно ДНК ответственна за передачу наследственной информации. Все более поздние работы показали, что то же самое верно и для других организмов; носителем информации в живых клетках неизменно оказывается ДНК[239].

Этот замечательный эксперимент и другие аналогичные эксперименты сконцентрировали внимание исследователей на ДНК. Не последнюю роль они сыграли и в судьбе двух моих коллег, Джима Уотсона и Фрэнсиса Крика, тоже увлекшихся проблемой ДНК. Подобно тому, как солнечные лучи, если их сфокусировать, могут вызвать пожар, так и эта фокусировка интереса исследователей на ДНК также привела, фигурально выражаясь, к пожару, преобразившему всю биологию.

В этой главе мы рассказали о том, как биологи, в конце концов, пришли к открытию роли нуклеиновых кислот, которые в живых клетках служат хранителями информации, передаваемой из поколения в поколение, от родителей к потомству. Как только эта роль нуклеиновых кислот прояснилась, возникла насущная потребность в изучении структуры нуклеиновых кислот, которая, возможно, помогла бы понять, как нуклеиновые кислоты выполняют свои три важнейшие функции: самовоспроизведение, хранение информации и реализацию этой информации в процессе роста новых клеток.