Тайный язык жизни. Диалог с ученым о генах, геномах и наследственности: читать начало книги онлайн

Количество делений, которое отделяет каждого из нас от исходной яйцеклетки, не очень большое (рис. 4). Помните легенду о шахматисте, который играл с правителем древнего государства и предложил ему в случае выигрыша дать сущий пустяк: на первую клетку доски положить одно зерно, на вторую – два, на третью – четыре и так далее? Оказалось, что количество зерна, которое правителю пришлось бы отдать за проигранную партию, превышало возможности государства. Ситуация с человеческим телом похожая. В принципе, для того чтобы получить более 10 триллионов клеток, достаточно 45 циклов деления исходной яйцеклетки и всех ее потомков. В реальности ситуация сложнее, потому что разные клетки нашего тела делятся с разной скоростью, и многие клетки умирают, не оставляя потомков. Поэтому некоторые клетки тела взрослого человека, например клетки крови, отстоят от оплодотворенной яйцеклетки на гораздо большое количество делений, чем другие: они постоянно умирают, и их нужно восполнять в течение всей жизни за счет деления стволовых кроветворных клеток, находящихся в костном мозге.

Почему клетки разные

Дочерние клетки, как правило, похожи или даже идентичны материнской клетке. Нас не удивляет, что при делении клетки чумной палочки Yersinia pestis возникают клетки именно чумной палочки, а не, например, кишечной палочки Escherichia coli. Мы также ожидаем, что при делении клетки муравьеда образуются клетки муравьеда, а наше собственное тело состоит именно из человеческих клеток. Тем самым мы интуитивно признаем, что дочерние клетки наследуют свойства материнских клеток.

Когда мы говорим, что дочерние клетки похожи на родительские, мы немножко кривим душой. В случае одноклеточных организмов, таких как бактерии, действительно с очень большой точностью можно сказать, что потомки (и предки) конкретной клетки неотличимы друг от друга. Но в случае многоклеточных организмов ситуация, очевидно, не такая: несмотря на то что все клетки нашего тела являются потомками одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки, клетки разных тканей разительно отличаются друг от друга. Достаточно посмотреть в микроскоп, чтобы убедиться, что клетка кожи, которая называется фибробластом, клетка печени, которая называется гепатоцитом, или клетка нервной ткани, которая называется нейроном, выглядят совсем по-разному (рис. 5) и выполняют в нашем теле разные функции: кожа должна делать одно, печень – другое, а мозг – третье.

Рис. 5. Разнообразные клетки человеческого организма происходят из одной оплодотворенной яйцеклетки

Тем не менее, несмотря на то что клетки нашего тела очень разные с точки зрения внешнего вида и функций, которые они выполняют, информация, которая в них содержится, та же, что и в исходной яйцеклетке. Доказывается это опытами по клонированию многоклеточных организмов. Из клетки тела взрослого организма можно получить новый организм, который будет копией – клоном – того организма, из тела которого была взята исходная клетка. Первым успешным результатом такого опыта стало рождение овечки Долли (рис. 6). Затем подобное научились делать и с другими животными: кошками, собаками, лошадьми и т. д. Раз клонирование возможно, значит, информация, которая содержится в клетке взрослого организма, достаточна для того, чтобы воссоздать целый организм, состоящий из разнообразных клеток, которые образуют разные органы и ткани. Чтобы объяснить это удивительное наблюдение, нам потребуется перейти с уровня клеток на уровень молекул и понять, что такое генетическая информация и как она передается от материнских клеток дочерним.

Рис. 6. Принцип клонирования млекопитающего животного на примере первого успешного эксперимента – овечки Долли. Долли является клоном овцы-донора тканевых клеток

ДНК – носитель генетической информации

Про генетическую информацию удобно думать в терминах текста. Наша цивилизация основана на текстах: мы записываем их на разнообразных носителях и передаем друг другу. Мы способны использовать информацию, воспринимать ее в качестве инструкций и менять свое поведение согласно полученным инструкциям. Информация может и не использоваться, а просто храниться где-то в том или ином виде. Она также может копироваться, искажаться и теряться. В принципе, история человечества – это история производства, передачи, искажения и потери информации, своего рода долгая игра в испорченный телефон.

Что является материальным носителем информации, которая передается от материнской клетки дочерним? На чем она записана, как передается в череде клеточных поколений и каким образом определяет свойства клеток? Гипотезу о том, что от клетки к клетке передается нечто нематериальное, например некоторая общая идея о том, что данная клетка и все ее предки и потомки принадлежат к гордому сообществу синегнойных палочек, мы рассматривать не будем. Вместо этого предположим, что материальным носителем генетической информации является какое-то вещество, находящееся в каждой клетке. Каждая клетка должна получить это вещество от материнской клетки (предыдущего поколения), а затем передать его дочерним клеткам (следующему поколению) в неизменном или почти неизменном виде.

* * *

Поскольку клеточное деление всегда бинарно, мы можем с уверенностью утверждать, что, каким бы ни было вещество наследственной информации, оно должно каким-то образом удвоиться в материнской клетке, а затем поровну распределиться между двумя дочерними клетками. Мы также ожидаем, что наследственная информация, которую мы договорились рассматривать как текст, должна быть довольно обширной, ведь клетки очень сложно устроены, и было бы странно, если бы всё разнообразие функций даже самой простенькой бактерии можно было описать в двух словах. Любые тексты, большие и маленькие, составляются из стандартного набора повторяющихся знаков, например букв, иероглифов и т. д. Поэтому мы можем ожидать, что материальный носитель наследственной информации, независимо от его химической природы, должен быть какой-то полимерной молекулой, составленной из более простых частей. Эти части должны быть соединены друг с другом так, чтобы их порядок мог бы служить текстом-инструкцией. Вслед за Дарвином мы принимаем возможность происхождения одних видов животных из других за счет изменчивости и отбора. В противном случае нам следовало бы принять, что все существующие и существовавшие виды были созданы в готовом виде каким-то высшим существом. Получается, что генетические тексты, которые определяют свойства клеток, должны быть способны изменяться во времени, а точнее – при передаче из одного поколения в другое, и эти изменения должны быть наследуемыми.