Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Клетки – это основные единицы жизни. Это отдельные живые объекты, окруженные мембранами из жироподобных липидов. Но, подобно тому как атомы содержат электроны и протоны, в клетках тоже имеются меньшие составляющие. Сегодня микроскопы стали очень мощными, и биологи с их помощью обнаруживают замысловатые и нередко очень красивые структуры в клетках. Самые крупные из них называются органеллами, каждая из которых имеет свою собственную мембранную оболочку. Среди них командным центром клетки служит ядро, так как в нем находятся генетические инструкции, записанные в хромосомах, а митохондрии – их в некоторых клетках бывают сотни – действуют как миниатюрные энергоустановки, обеспечивая клетку нужной для роста и выживания энергией. Другие разнообразные емкости и отсеки в клетках выполняют сложные функции логистики, постройки, разрушения или повторного использования частей клетки, а также транспортировки материалов в клетку, из клетки и перемещения внутри ее.

Впрочем, не все живые организмы построены из клеток, содержащих такие органеллы с мембранами по краям и сложные внутренние структуры. Наличие или отсутствие ядра делит жизнь на две главные ветви. Организмы с клетками, содержащими ядро, – такие как животные, растения и грибы – называются эукариотами. Организмы без ядра называются прокариотами, к ним относятся бактерии и археи. Археи по величине и структуре похожи на бактерии, но фактически они их дальние родственники. Их молекулярные механизмы ближе к таковым у представителей эукариотов, например, нас с вами, чем к механизмам бактерий.

Крайне важная часть клетки (эукариота или прокариота) – наружная мембрана. Толщиной всего лишь в пару молекул, эта наружная мембрана образует гибкую «стенку», или барьер, отделяющий каждую клетку от окружающей среды и определяющий то, что находится «внутри», и то, что «вовне». И в философском, и в практическом отношении данный барьер насущно важен. В конечном счете именно наличием барьера можно объяснить, почему жизненные формы могут успешно сопротивляться общему стремлению Вселенной к беспорядку и хаосу. В пределах своих изолирующих мембран клетки могут устанавливать и совершенствовать необходимый порядок, создавая беспорядок в локальном окружении извне. При таком раскладе клетка не преступает второй закон термодинамики.

Все клетки могут обнаруживать изменения в собственном внутреннем состоянии и в состоянии окружающего мира – и отвечать на них. Поэтому, будучи отделенными от среды, в которой живут, они тесно сообщаются со своим окружением. Кроме того, они все время активны и поддерживают внутренние условия, которые позволяют выживать и благоденствовать. Это у них общее с наглядно видимыми живыми организмами вроде бабочки, на которую я взирал ребенком, и, коли на то пошло, с нами.

На деле у клеток много общих характеристик с животными, растениями и грибами. Они растут, воспроизводятся, поддерживают свое существование и при всем том выказывают целеустремленность: настоятельный долг продолжать существование, оставаться живыми, воспроизводиться во что бы то ни стало. Все клетки, начиная от бактерии, обнаруженной Левенгуком у себя на зубах, до нейронов, которые дают вам возможность чтения этих слов, делят эти свойства со всеми живыми существами. Если мы поймем, как функционируют клетки, то приблизимся к пониманию того, как устроена жизнь.

Основа существования клетки – гены, к которым мы сейчас перейдем. Они кодируют инструкции, которые каждая клетка использует для построения своих структур и организации их работы, и они должны передаваться каждому следующему поколению при воспроизводстве клеток и организмов.

2

Ген

Испытание временем

У меня две дочери и четыре внука. Все они удивительно своеобразны. К примеру, одна из дочерей, Сара, – продюсер на телевидении, а вторая, Эмили, – профессор физики. Но есть и особые черты, общие у них, их детей, у меня и моей жены Энн. Семейное сходство может быть выраженным или еле заметным: рост, цвет глаз, изгиб рта или носа, даже особые манеры или выражения лица. Есть и много различий, но, без сомнения, преемственность поколений в нашем случае присутствует.

Сходство родителей с их потомством – отличительная черта всех живых организмов. Об этом давным-давно писали Аристотель и другие мыслители Античности, но основные принципы биологического наследования оставались неразрешимой загадкой. С течением времени выдвигались различные объяснения, некоторые из них сегодня выглядят довольно экстравагантно. Например, Аристотель предположил, что единственное влияние матерей на детей в утробе подобно воздействию определенного вида почвы на развитие растения из семени. Другие считали, что все объясняется «смешением кровей», то есть дети наследуют усредненную смесь характерных черт своих родителей.

Лишь открытие гена смогло проложить путь к более реалистичному пониманию принципов наследственности. Помимо того что гены предоставляют возможность разобраться в сложном сочетании сходных и уникальных характеристик членов семей, они служат главным источником информации, на основе которой жизнь формирует клетки, поддер живает их жизнедеятельность и воспроизведение и – в более широком смысле – образовывает из клеток организмы.

Грегор Мендель, аббат монастыря в Брно[1] (ныне – Чешская Республика), был первым, кто приоткрыл завесу тайны наследственности. Но он не занимался изучением часто непонятных наследуемых признаков в семьях человека, а вместо этого дотошно экспериментировал с горохом, придя к выводам, в итоге вылившимся в открытие того, что сегодня мы называем генами.

Мендель не был первопроходцем, ставившим научные эксперименты в поисках ответа на вопросы о наследовании, и даже не был первым, кто использовал для этой цели растения. И до него селекционеры описывали, как определенные свойства растений парадоксальным образом передавались через поколения. Потомство скрещивания двух разных родительских растений иногда выглядит как смесь этой пары. Например, скрещивание растения с пурпурными цветками и растения с белыми могло порождать растение с цветками розовой окраски. Однако всегда оказывалось, что в определенном поколении преобладают те или иные характеристики. Скажем, потомство пурпурного и белого цветков всегда будет пурпурного цвета. Первопроходцы накопили множество интригующих ключей к разгадке, но никому не удалось достичь удовлетворительного разъяснения того, каким образом в растениях происходит генетическое наследование, не говоря уж о том, как оно фактически действует во всей живой природе, в том числе и в нас – людях. И как раз это начал выявлять Мендель в опытах с горохом.

В 1981 г. в разгар холодной войны я отправился в паломничество в монастырь августинцев в Брно, чтобы увидеть места, где трудился Мендель. Это случилось задолго до того, как монастырь превратился в нынешнюю туристическую достопримечательность. Сад оказался на удивление большим и в те времена запущенным. Я мог без труда представить себе ряды за рядами посеянного Менделем гороха. Он изучал естественные науки в Венском университете, но диплома преподавателя не получил. Однако он не растерял всех знаний физики, полученных во время учебы. Мендель четко понимал, что ему необходимо большое количество данных: важные закономерности скорее смогут быть выявлены в больших выборках. В некоторых его опытах использовалось 10 000 горошин. Никто из его предшественников-селекционеров не прибегал к столь скрупулезному и широкомасштабному исследованию.

Чтобы упростить эксперимент, Мендель сосредоточился только на характеристиках с четко выраженными отличиями. В течение нескольких лет он тщательно записывал результаты проводимых скрещиваний и обнаружил закономерности, обойденные вниманием других ученых. Самым важным было то, что он увидел явные арифметические соотношения растений гороха, у которых имелись или отсутствовали определенные признаки типа окраски цветков или формы семян. Одной из самых главных находок Менделя было выражение таких соотношений в виде математических рядов. Это породило гипотезу о том, что пыльца из мужской особи и семяпочки в женских цветках гороха содержат «элементы», как он их назвал, которые связаны с разными признаками родительских растений. Соединение этих элементов путем оплодотворения влияет на набор характеристик следующего поколения растений. Но Мендель не знал, что собой представляют эти элементы или как они могут функционировать.

По любопытному совпадению другой знаменитый биолог, Чарльз Дарвин, примерно в то же время изучал результаты скрещивания другого растения – львиного зева. Он наблюдал схожие соотношения, но не пытался дать этому факту объяснение. Как бы то ни было, работу Менделя почти полностью проигнорировали его современники, и лишь через поколение она попала в поле зрения исследователей, когда на рубеже XVIII и XIX вв. независимо друг от друга биологи повторили результаты Менделя, продвинулись дальше и стали давать более четко сформулированные предсказания относительно того, как может работать наследственность. Это привело к учению менделизма, названного в честь монаха-первооткрывателя, и рождению генетики. С этого момента мир перевернулся.

Менделизм предполагает, что проявление наследуемых признаков зависит от наличия физических частиц, существующих в парном виде. Эти «частицы» были названы Менделем элементами, мы же теперь именуем их генами. Менделизм мало что мог сказать об их сути, но весьма четко описывал механизм наследования. И что самое существенное, постепенно выяснилось, что эти выводы относятся не только к гороху, но и ко всем видам, размножающимся половым путем, от дрожжей до человека, и ко всем организмам между ними. Каждый из ваших генов существует в виде пары; вы унаследовали по одному гену от каждого вашего биологического родителя. Они были переданы через сперматозоид и яйцеклетку, слившиеся в момент зачатия.

Наука в последней трети XIX в. не стояла на месте, хотя открытия Менделя оставались без внимания. В частности, ученым наконец удалось получить более четкое представление о клетках, участвующих в процессе деления. Когда была установлена связь между этими наблюдениями и унаследованными частицами, предлагавшимися теорией Менделя, в центре внимания оказалась та роль, которую играл ген.

Одной из начальных подсказок стало открытие микроскопических структур в клетках, похожих внешне на тонкие нити. Первым их обнаружил в 1870-е гг. немецкий военный врач, ставший клеточным биологом, по имени Вальтер Флемминг. С помощью лучших современных на тот период микроскопов он смог описать интригующее поведение данных микроскопических нитей. Флемминг увидел, что, когда клетка была готова к делению, нити расщеплялись пополам в продольном направлении и становились короче и толще. Затем, когда клетка делилась надвое, нити отделялись друг от друга, и одна половина оказывалась в каждой из вновь сформированных дочерних клеток.

То, что увидел, но не понял в то время Флемминг, было материальным воплощением генов, предполагаемых менделизмом передающихся по наследству частиц. То, что Флемминг назвал нитями, мы сегодня называем хромосомами. Хромосомы – это физические структуры, которые есть во всех клетках, содержащих гены.

Примерно в то же время еще одна крайне важная подсказка в отношении генов и хромосом возникла из совсем необычного источника: оплодотворенных яиц нематод, или паразитических круглых червей. В ходе тщательного исследования самых ранних стадий развития нематод бельгийский биолог Эдуард ван Бенеден увидел через микроскоп, что первая клетка вновь образованного зародыша содержит ровно четыре хромосомы – по две от женской и мужской половой клетки.

Это точно совпало с предсказаниями менделевской теории – две группы парных генов, сошедшихся в момент оплодотворения. С того времени результаты ван Бенедена были подтверждены множество раз. Одна половина хромосом находится в мужской половой клетке, а вторая в яйцеклетке, и полный набор генетического материала формируется, когда они сливаются, чтобы получить оплодотворенную яйцеклетку. Сегодня мы знаем, что принципы полового размножения нематод верны также и для всех эукариотических организмов, в том числе и для нас, человеческих существ.

Число хромосом широко варьируется: в каждой клетке растения гороха их 14, у нас 46, а в клетках бабочки Polyommatus atlantica более 400. Ван Бенедену повезло, что у нематод их всего четыре. Было бы больше, сосчитать было бы труднее. Благодаря пристальному изучению сравнительно простого случая круглых червей ван Бенедену удалось краешком глаза увидеть универсальную истину о генетическом наследовании. Однозначно интерпретируемый эксперимент с простой биологической системой способен привести к догадке о том, как в целом организована жизнь. Именно по этой причине большую часть своей жизни исследователя я посвятил простым в строении и легким в изучении клеткам дрожжей, а не более сложно устроенным человеческим клеткам.

Совместный анализ открытий Флемминга и ван Бенедена позволил сделать вывод о том, что хромосомы передают гены между поколениями как делящихся клеток, так и организмов в целом. Не считая немногих особых исключений типа красных кровяных клеток, по мере созревания утрачивающих все свое ядро и, следовательно, все свои гены, любая клетка вашего тела содержит копию всего вашего набора генов. Эти гены в совокупности играют важную роль, руководя процессом развития полностью сформированного тела из одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки. И на протяжении всего срока жизни каждого живого организма гены предоставляют клетке важную информацию, которая им нужна для роста и поддержания жизнедеятельности. Отсюда, таким образом, следует, что каждый раз, когда клетка делится, весь набор генов должен копироваться и поровну распределяться между двумя вновь образованными клетками. Поэтому деление клеток можно назвать основополагающим примером биологического воспроизводства.

Другой огромной задачей, вставшей перед биологами, было выяснение того, что же на деле представляют собой гены и как они действуют. Первый большой прорыв случился в 1944 г., когда небольшая группа ученых в Нью-Йорке во главе с микробиологом Освальдом Эвери провела эксперимент, в ходе которого было установлено, из какого материала состоят гены. Эвери и его коллеги изучали бактерии, вызывающие пневмонию.

Им было известно, что безвредные штаммы этих бактерий, смешиваясь с остатками мертвых клеток вирулентного штамма, способны превращаться в опасные, вирулентные виды. Принципиально важно то, что данное изменение было наследуемым; став вирулентными, бактерии передавали это свойство всему своему потомству. Тогда Эвери сделал вывод, что ген или гены передавались в виде химического соединения из останков мертвых опасных бактерий к живым безвредным бактериям, навсегда изменяя их природу. Он понял, что, если ему удастся обнаружить часть мертвых бактерий, отвечающую за это генетическое преобразование, он в итоге сможет продемонстрировать всем и вся то, из чего состоят гены.

Оказалось, что это было вещество, называемое дезоксирибонуклеиновой кислотой, скорее всего известной вам в виде аббревиатуры ДНК, которое и обладало ключевым преобразующим свойством. К тому времени уже было известно, что хромосомы, переносящие гены в клетках, содержат ДНК, но большинство биологов считали, что ДНК – слишком простая и заурядная молекула, чтобы отвечать за столь сложный феномен, как наследственность. Они заблуждались.

Каждая из ваших хромосом имеет в своей основе одну цельную молекулу ДНК. Хромосомы могут быть чрезвычайно длинными и содержащими сотни, а то и тысячи генов друг за другом в цепочке. К примеру, человеческая хромосома номер 2 содержит цепочку из более 1300 генов, а если растянуть этот кусок ДНК, он протянется более чем на 8 сантиметров. Отсюда получаются удивительные статистические данные: 46 хромосом в ваших крохотных клетках вместе составят более 2 метров ДНК. В результате чудес упаковки все это размещается в клетке диаметром всего в несколько тысячных миллиметра. А еще восхитительней то, что, если каким-то образом соединить и потом растянуть все ДНК, свернутые в нескольких триллионах клеток вашего тела, в одну тонкую нить, длина ее составит порядка 20 миллиардов километров. Этого хватит, чтобы протянуть ее от Земли до Солнца и назад шестьдесят пять раз!

Эвери был довольно скромным человеком и не трубил во всеуслышание о своем открытии, при этом ряд биологов подверг критике его выводы. Однако он оказался прав: гены состоят из ДНК. Когда в конце концов правда улеглась в сознании, она ознаменовала собой рождение новой эпохи генетики и биологии в целом. Наконец гены были признаны химическими соединениями: устойчивыми объединениями атомов, подчиняющимися законам физики и химии.

Но на практике о явлении прекрасной новой эры возвестила в 1953 г. расшифровка структуры ДНК. Большинство важных открытий в биологии основываются на работе множества ученых, которые годами или десятилетиями продираются сквозь природу вещей, чтобы постепенно добраться до самой сути. Впрочем, порой впечатляющие озарения случаются гораздо быстрее. Так произошло со структурой ДНК. За считаные месяцы трое ученых из Лондона – Розалинд Франклин, Рэймонд Гослинг и Морис Уилкинс – провели критически важные эксперименты, и затем Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон в Кембридже дали интерпретацию полученных данных и расшифровали структуру ДНК. Более того, они быстро уяснили значение своих выводов для биологии.

Спустя годы я довольно близко познакомился с обоими, уже постаревшими Криком и Уотсоном. Они резко отличались друг от друга. Фрэнсис Крик обладал острым как бритва, логическим и проницательным умом. Он расчленял задачи на тончайшие слои так, что они буквально плавились под его взором.

[1] Мендель, монах августинского Старобрненского монастыря, занимался научными исследованиями только до избрания аббатом (настоятелем) в 1868 г. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. перев.