Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК: читать начало книги онлайн

Потребовалось еще 20 лет, чтобы подкрепить доказательствами сделанную Геккелем констатацию факта. Это удалось сделать благодаря прогрессу в оптике и гистологии – изучении тканей под микроскопом. Прославленное увеличительное стекло Броуна развилось в составные микроскопы, которые мы знаем сегодня, с отдельными линзами в объективе (непосредственно над образцом) и окуляре. В результате получалось гораздо более четкое и яркое изображение, так что микроскоп можно было направить на живые клетки или очень тонкие полоски ткани, которые пропитывали парафином, чтобы сохранить внутреннюю структуру. Полоски были тонкими (стопка из 200 единиц достигала бы всего миллиметра в высоту) и прозрачными, что позволяло подкрашивать элементы клетки синтетическими красителями. Эти гистологические красители преобразили монохромный облик микроскопии. Они вступали в реакции с отдельными компонентами, такими как белки, жиры или нуклеиновые кислоты, и расцвечивали их красками, которые могли бы украсить палитру художника. К первым красителям относились метиловый зеленый, эозин (насыщенно-розовый, названный в честь древнегреческой богини утренней зари) и толуидиновый синий, который обозначает ядро богатым ультрамариновым оттенком. Фридрих Мишер мог бы стать первопроходцем в этой новой области – гистохимии. В 1874 году он обнаружил, что прозрачный раствор нуклеина приобретает красивый голубо-зеленый цвет при добавлении метилового зеленого; но он не испытывал никакого желания «присоединиться к гильдии красильщиков»[43] и оставил это наблюдение, чтобы его заново открыл кто-нибудь другой.

К счастью, другие ученые были более заинтересованы новыми красителями и их способностью выявлять детали устройства клетки, которые ранее были невидимы. И вскоре из зерновидных внутренностей ядра Роберта Броуна начали появляться странные фигуры – красивые, но сбивающие с толку.

В состоянии покоя, которое занимает свыше 99,99 % жизненного цикла большинства клеточных типов, ядро мало чем выдает себя под микроскопом. Оно сидит в клетке тихо и бесстрастно, словно игрок в покер; а затем ни с того ни с сего вовлекается в такую запутанную бурную деятельность, что даже самые зоркие микроскописты не могли договориться о том, что произошло. Ядро растворяется, оставляя на своем месте своеобразные меняющие форму элементы. Затем клетка удлиняется и два ядра появляются с противоположных концов. Наконец, вся система разрывается в середине, в результате чего появляются две дочерние клетки, у каждой из которых имеется целенькое ядро, которое выглядит точно так же, как первоначальное.

Деление клетки лежит в основе жизни, здоровья и восстановления организмов. Ткани и органы растут и расширяются, потому что клетки, из которых они состоят, размножаются путем деления надвое. Некоторые типы клеток, такие как определенные нервные клетки (нейроны) мозга, живут свои долгие жизни, не зная переживаний деления, но у большинства клеток более честолюбивые замыслы. Клетки кожи и внутренней оболочки кишечника[44] подвергаются сильному износу, поэтому им приходится чаще регенерировать самих себя, чтобы сохранять эти поверхности в целости. Даже для этих интенсивно обновляющихся тканей деление клетки – редкое событие; например, оно занимает лишь последний час из трехдневного периода жизни клетки эпителия толстой кишки. Клетки делятся более часто в эмбрионе и при восстановлении тканей после повреждения – ярким примером может служить новая лапка, которая вырастает у личинки тритона после неудачной встречи с биологом-экспериментатором.

Благодаря своей благоприятствующей анатомии некоторые виды чрезвычайно поспособствовали изучению деления клетки. Если посмотреть невооруженным глазом, лошадиная острица выглядит как 5-дюймовая невероятно подвижная макаронина; под микроскопом это ответ на мольбу биолога – гермафродит с просвечивающими гонадами, где на одном образце можно проследить развитие икры и спермы. Личинки амфибий, таких как тритоны и саламандры, наделены большими удобными для микроскопистов клетками кожи, жабр и мочевого пузыря. А слюнные железы мух содержат необыкновенно большие хромосомы с таким изысканным рисунком, что мутации можно буквально увидеть.

Первые попытки объяснить деление клетки делались на живых клетках (точнее, на медленно умирающих), без использования гистологических красителей. К середине 1870-х годов различные исследователи сообщили о том, что короткие стержнеобразные структуры – которые Эдуард ван Бенеден назвал bâtonnets[45], или «маленькие палочки», – появлялись в потревоженной цитоплазме на месте, где последний раз видели ядро. Но загадки, из чего состояли «маленькие палочки», откуда они появились и что они делали, оставались неразгаданными до тех пор, пока один человек не сел за микроскоп и не посвятил 40 лет тому, чтобы разобраться, что происходило на самом деле.

Вальтер Флемминг был одним из немногих по-настоящему симпатичных людей в истории изучения ДНК. Он был любим своими студентами[46] за «сердечность и благожелательность», а бедняками города, ставшего ему родным, за то, что отдавал им четверть зарплаты и учил их детей бесплатно.

Когда 33-летний Флемминг занял пост профессора анатомии в Кильском университете в феврале 1876 года, он возвращался к своим корням в северной Германии. После счастливого детства, проведенного в Заксенберге, изучение медицины заставило его вести кочевой образ жизни, переезжая из Геттингена в Росток через Тюбинген (он на пару лет разминулся там с Фридрихом Мишером) и Берлин. Получив докторскую степень в 1868 году, он работал в Праге, где бескомпромиссные националистически настроенные чешские студенты превратили его жизнь в настоящий ад – так что он удалился в захудалый университет имени Кристиана Альбрехта в Киле[47], один из самых маленьких в Германии.

Благодаря большому торговому флоту Киль был процветающим городом, но в нем было немало признаков обеднения. Когда Флемминг приехал, Анатомический институт ютился в некогда величественном, но пришедшем в упадок особняке рядом с центром города. Флеммингу приходилось бороться с хронической нехваткой денег, помещений и трупов для вскрытия – не говоря уже о борьбе с администрацией университета, которая пыталась украсть его заработок. Но он совершил великие дела с таким малообещающим материалом и превратил свой институт в один из ведущих мировых центров по изучению жизненных процессов.

Флемминг посвятил оставшуюся часть своей карьеры тщательному анализу мелких деталей деления клетки. Ему способствовали хорошие микроскопы, терпение, достойное святого, способность поймать момент и «превосходные» клетки огненной саламандры. Эта нарядная черно-желтая амфибия, похожая на тритона, примечательна тем, что она ядовита[48] и что у нее большие прозрачные клетки, обрамляющие жабры и мочевой пузырь, в которых ее хромосомы (их всего шесть, а потому их легко отследить) видны в самом выгодном свете. Флемминг начал наблюдать за процессом в неокрашенных тканях и увидел «нити», которые появляются в том месте, где было ядро, когда его очертания растворились. Это соответствовало «маленьким палочкам», о которых уже сообщалось другими исследователями, но последующие детали было трудно различить.

Его огромный скачок вперед заключался в том, что он окрашивал разделяющиеся клетки разными гистологическими красителями. Он первым зафиксировал образцы смертоносным коктейлем из солей металлов и уксусной кислоты («раствор Флемминга», до сих пор используемый сегодня), который позволял надежно заблокировать клеточный механизм. Благодаря красителям предметное стекло микроскопа дало принципиально новый уровень понимания. Застывшие в момент смерти клетки и окрашенные в красный цвет сафранином или в темно-синий гематоксилином, нити теперь выступали поразительно четко. Затем Флемминг реконструировал весь процесс по «моментальным снимкам» нитей, сделанным на разных этапах процесса деления клетки. Чтобы убедиться, что результаты его наблюдений не являются уникальными для саламандр, он также проследил за делением клеток ирисов и морских ежей.

Свои первые несколько лет исследований он описал в трех больших статьях и монументальной книге[49] (1882 год), все они были прекрасно проиллюстрированы его собственными рисунками тщательно отрепетированного танца нитей. Сначала они выглядели как спутанный клубок на месте, где раньше было ядро, затем перестроились в лучистую звезду, которая затем превратилась в плоскую пластину в середине веретенообразной структуры, сформировавшейся от края до края клетки. В этот момент каждая нить продольно разорвалась посередине. Затем разделенные полунити разбились на две группы, которые отправились к противоположным концам веретена; каждая группа собралась в новый моток, вокруг которого сформировалось новое дочернее ядро.

Флемминг ошибочно полагал, что нити образуют единую цепочку, которая разделяется на отдельные куски для деления клетки, но практически все остальное он понял правильно. Он назвал интенсивно окрашивающийся материал нитей хроматином, от греческого «цвет». Этот термин был подхвачен в 1888 году Вильгельмом Вальдейером, который переименовал нити Флемминга в «хромосомы» («окрашенные тельца»)[50]. Полунити, которые порождают хромосомы дочерних клеток, впоследствии назвали хроматидами. Представление Флемминга о нитях сохранилось до сегодняшнего дня. Он назвал процесс митозом (от греческого «нить»), который стал современным термином. Его почти поэтические наименования «клубок» и «звезда» были заменены более прозаическими терминами, но сам процесс митоза в целом соответствует описанному им (Рис. 3.3).

Острый глаз Флемминга подметил и другие важные детали. Он описал «центриоль»[51], такую маленькую, что она может показаться просто игрой света. Центриоль обычно тихо сидит рядом с ядром. Потом, когда ядро начинает таять, она становится поразительно активным маленьким тельцем. Центриоль сама разделяется на две половинки, которые мигрируют к противоположным концам клетки, за каждой из них тянется хвост, как за крошечной кометой. Два хвоста соединяются в середине, образуя веретено, к которому прикрепляются хромосомы для последних па своего танца.

Рис. 3.3. Деление клетки (митоз) с указанием этапов процесса.

Он продолжил изучать образование икринок и сперматозоидов у саламандр и морских ежей и обнаружил, что деление клетки не заканчивается так, как в других тканях. Эти зародышевые клетки проходят стадии митоза точно так же, как клетки жабр и мочевого пузыря – но две дочерние клетки потом еще раз подвергаются делению, так что получается четыре клетки, каждая из которых содержит только половину нормального количества хромосом (т. е. три у саламандр). Это наблюдение, сделанное в 1883 году, подтвердило результаты ван Бенедена о том, что сперма и икра лошадиной острицы содержит половину от числа хромосом, имеющихся в клетках других тканей.

Флемминг идеально описал этот процесс[52], но никак не назвал его. Это сделали Дж. Б. Фармер и Дж. Э. Ш. Мур, назвавшие процесс «мейоз»[53] в статье, опубликованной в 1905 году. Окончательное редукционное деление – важный этап в подготовке яйцеклеток и сперматозоидов к слиянию, в результате которого получается оплодотворенная яйцеклетка, содержащая полный набор хромосом, при этом от каждого из родителей поступает половина генетического материала.

Другие исследователи быстро взяли за основу работу Флемминга, выявляя хромосомы различных животных и растений при помощи гистологических красителей. Сухой остаток: количество хромосом в животных и растительных клетках значительно варьируется от вида к виду, но является постоянным для всех клеток одного вида (за исключением половинного набора у половых клеток).

Не поддается объяснению, от чего зависит количество хромосом какого-либо вида[54], отсутствует связь с его биологической сложностью. У любимых Флеммингом саламандр 6 хромосом, у мушек-дрозофил – 8, у людей – 46 (точное количество ученые не могли согласовать до конца 1950-х годов). Любителям викторин, возможно, будет интересно, что у мелколепестника и черного муравья-бульдога всего две хромосомы; что млекопитающее с самым большим числом хромосом (92) – крабоядная крыса Питтье; и что к видам с наибольшим числом хромосом относятся бабочка-голубянка (лат. Agrodiaetus) (268) и ужовник (целых 1260).

Размер и форма хромосом также заметно варьируются. Самая маленькая хромосома человека, 21-я, составляет примерно пятую часть длины самой большой, первой хромосомы. Большинство хромосом похожи на нити или червей и состоят из двух спаренных хроматид, соединенных вместе у «центромеры», так что получается две пары неравных концов. У некоторых видов хромосомы необычной формы, например массивные пушистые хромосомы «типа ламповых щеток»[55] у амфибий (впервые описаны Флеммингом у икринок аксолотля) и угловатые, напоминающие шпильки, у острицы.

При большом увеличении на окрашенных хромосомах видны чередующиеся яркие и бледные полосы. Это не случайные граффити, нарисованные природой. Конкретный краситель создает на каждой хромосоме определенный рисунок исчерченности, который настолько надежен, что с его помощью можно определить расположение нормальных генов и мутаций. Некоторые мутации выглядят как участок, выпадающий из нормальной последовательности, или дополнительный кусок, вставленный между двумя обычно прилегающими друг к другу полосами.

На некоторые очевидные вопросы о хромосомах ответы были найдены относительно быстро. Образуются ли они каким-то образом из зерновидной материи внутри ядра при подготовке к великому событию деления клетки? Или они находились внутри все это время, скрытые, словно полезные ископаемые, чтобы стать видимыми только тогда, когда растворяется остальная часть ядра? Последнее утверждение оказалось справедливым, поскольку концы напоминающих шпильки хромосом острицы можно было разглядеть как выпуклости на оболочке ядра, когда оно заново формируется после деления клетки.

Следующий вопрос: из чего сделаны хромосомы? Кое-какие зацепки появились быстро, но не были поняты в течение нескольких лет. В 1872 году, всего через пару лет после публикации первой работы Мишера, эстонский ботаник Эдмунд Руссов обнаружил, что хромосомы в клетках пыльцы растворяются в щелочи[56] – но не обратил внимания, что он наткнулся на тот же феномен, который первым заставил Мишера обратить внимание на необычность вещества, которое он назвал нуклеином.

Почти через 10 лет Эдуард Захариас продолжил один из экспериментов Мишера, попробовав растворить хромосомы при помощи пепсина[57] – фермента, расщепляющего белки. Ему это не удалось, подобно тому, как ядра оставались целыми в экстракте гноя у Мишера. Захариас сам не увидел связи, но ее увидел Флемминг. Он написал в 1882 году, что «возможно, хроматин – то же самое, что нуклеин»[58]. Это было первым намеком на то, что открытое Мишером вещество ядра могло быть одной из основных составляющих хромосом.

Самая большая загадка – какова функция хромосом – все еще оставалась неразгаданной к тому времени, как век подошел к концу, а Флеммингу остались последние два года активной жизни. Некоторые ученые были заинтересованы предположением, что хромосомы переносят наследуемые характеристики; но голоса высмеивающих эту идею звучали громче.

Такой приятный человек, как Вальтер Флемминг, заслуживал лучшего[59] в пришедшей к нему слишком рано старости. Когда ему было за 40, у него развилось прогрессирующее неврологическое заболевание с мышечной слабостью и изнурительными приступами боли. Ему пришлось поставить крест на ежегодных вылазках на свободу, когда он ловил бабочек на высокогорных альпийских лугах по окончании учебного года. Об упадке его сил можно судить по темпам роста его коллекции бабочек: пополняясь все медленнее, она достигла внушительного числа 4290 экспонатов, а затем больше не увеличивалась. Наколов на булавку свою последнюю бабочку летом 1901 года, Флемминг сломал бедренную кость при падении и слег в постель до конца жизни.

Его последняя большая работа, о центриоли, была опубликована в 1891 году. После этого он продолжал переписываться со своими учеными-коллегами и твердо отстаивать свои выводы вопреки всем посягательствам. Как и подобает благородному человеку, всем несогласным он отвечал вежливым, хорошо обоснованным изложением доказательств. Проведя почти пять мучительных лет прикованным к постели со сломанным бедром, Вальтер Флемминг умер от воспаления легких в начале августа 1906 года в возрасте 62 лет.

Глава 4

Командировка в сад[60]

22-летнему молодому человеку предстояло настоящее приключение[61]: поручение сочетало в себе пропаганду и шпионаж, поездку через всю Германию с северо-востока Франции до сердца Австрийской империи, а затем в родные места – на юг в Вену. К. В. Айхлинг, родившийся в Германии и окончивший Венский университет, был коммивояжером, работавшим у Луи Рёмплера из Нанси, специализированного поставщика ботанических новинок. У Рёмплера было внушительное число почитателей по всей центральной Европе, а великолепная герань «Мадам Рёмплер» («огромные соцветия карминно-красных цветов») недавно произвела фурор[62] в далекой Филадельфии. Вооруженному новым каталогом Айхлингу было поручено распространять сведения, наращивать продажу и возвращаться с разведданными. По совету работодателя он отпустил бороду и усы, для пущей важности.

[43] Miescher F., Arbeiten, letter 1897; i:107–8.

[44] Spalding K., Bhardwaj R. D., Bucholtz B. A. Retrospective birth dating of cells in humans. Cell 2005; 122:133–43.

[45] Van Beneden.

[46] Dröscher A. Flemming, Walther. eLS. Chichester: John Wiley & Sons, March 2015, p. 1–4. Doi: 10.1002/9780470015902.a0002790.

[47] Paweletz N. Walther Flemming: pioneer of mitosis research. Nature Rev Mol Cell Biol 2001; 2:72–5.

[48] Некоторые родственники огненной саламандры еще более опасны; см. De Lisle H. Poisoning from the rough-skinned newt. Herpetology 2010; 13:7–12. Некий человек проиграл спор о том, что проглатывание одного тритона не может быть смертельным. Не пробуйте это дома.

[49] Flemming 1882. См. также Flemming W. Beiträge zur Kentniss der Zelle und ihre Lebensscheinungen, Theil II. Arch für Mikroskop Anatomie 1880; 18:159–259; в английском переводе: Flemming W. Contributions to the knowledge of the cell and its vital processes. J Cell Biol 1965; 25:1–69.

[50] Waldeyer W. Über Karyokinese und ihre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgängen. Arch Mikrosk Anat 1888; 32:1–122.

[51] Flemming W. Attraktionsphären und Zentralkörper in Gewebs– und Wanderzellen. Anat Anz 1891; 6:78–86.

[52] Flemming 1887.

[53] Farmer J. B., Moore J. E. S. On the meiotic phase (reduction divisions) in animals and plants. Quart J Microscop Sci 1905; 48: 489–557. См. также Hamoir 1992.

[54] research.omiscgroup.org/ index.php.list_of_organisms_by_chromosome_count.

[55] Callan H. G. Lampbrush chromosomes as seen in historical perspective. In Hennig W., ed. Structure and Function of Eukaryotic Chromosomes. Berlin: Springer Verlag, 1987.

[56] Russow E., цитируется по Portugal & Cohen, p. 37.

[57] Zacharias E. Über die chemische Beschaffenheit des Zellkerns. Bot Zeitung 1881; 39:169–176.

[58] Portugal & Cohen, с. 39–40.

[59] Dröscher, Flemming (выше), p. 3–4; Dr Ariane Dröscher, personal communication, 2017.

[60] Пространная информация об источниках, в том числе о переводах основных статей и писем Менделя, доступна в режиме онлайн в разделе MendelWeb Bibliography на сайте www.mendelweb.org/MWbib.html.

[61] Eichling.

[62] Saul J. Descriptive catalogue of new, rare and beautiful plants for Spring 1871. Philadelphia: Horticultural Book & Job Print, 1871.