ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ О. Э. Костерин ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ Курс лекций для психологов Новосибирск 2007 УДК 573+576+577 ББК ЕОя73-1 К721 Костерин О. Э. Общая биология: Курс лекций для психологов. Учебное пособие. – 2-е изд., испр. и доп. / Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т., 2011. ??? c. ISBN 978-5-94356-616-5 Курс лекций, читаемых на факультете психологии Новосибирского государственного университета призван сформировать целостное понимание феномена жизни на разных уровнях его организации и в его историческом развитии. Подробно рассмотрены: понятие жизни; химическая основа жизни, включая молекулярные основы хранения и реализации наследственной информации и энергетического обмена; структурно-функциональная организация клетки; основы генетики и теории эволюции. Для облегчения понимания и запоминания широко применяются различные аналогии. Сохранен живой стиль лекционного изложения и структурное разделение на лекции. Издание состоит из 17 глав (лекций): лекция 1 посвящена определению жизни, лекции 2–6 – биохимическим аспектам, лекции 7–11 – биологии клетки, лекции 12–14 – основам генетики, лекции 15–17 – основам теории эволюции. Издание предназначено для студентов 1-го курса факультета психологии НГУ для повторения материалов лекций и подготовки к экзамену. Может быть рекомендовано студентам других факультетов, а также любым заинтересованным читателям, которые хотели бы составить представление о сущности и «механизме» жизни, т. е. о ее материальной и информационной основе, структурной организации и эволюции. Ответственный редактор д-р биол. наук, проф. Ж. И. Резникова Рецензент д-р биол. наук, проф. Л. В. Высоцкая Издание подготовлено в рамках выполнения инновационно-образовательной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классического университета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование». © Новосибирский государственный университет, 2011 ISBN ................... © Костерин О. Э., 2011 E-mail автора: [email protected] ПРЕДИСЛОВИЕ Как следует из названия, в настоящем пособии предпринята попытка решить заведомо невыполнимую задачу – посредством ограниченного по объему текста сделать содержание обширной естественной науки понятным и знакомым студентам, решившим посвятить себя науке гуманитарной, сформировать понимание феномена жизни и по возможности заинтересовать этим феноменом изначально индифферентного слушателя. Психология изучает человека, а человек – это в том числе и биологический объект. Поэтому биология и психология являются равноправными частями Сократовой программы «Познай самого себя». Наша задача определяет и форму подачи. Текст разбит на лекции (в том объеме, в котором они читаются) и максимально приближен к интерактивной устной речи. Значительное место занимают рассуждения, что обычно характерно в большей степени для гуманитарных курсов, чем для естественных. При написании соблюдался приоритет смысла над терминологией. С целью облегчить понимание принципов возникновения, устройства и функционирования живых организмов широко применяются различные аналогии: экономические, механические, компьютерные и бытовые. Общие свойства живых организмов рассмотрены достаточно глубоко, для того чтобы продемонстрировать одновременно сложность и красоту их организации. Также специально не рассматриваются вопросы, связанные с принципами устройства и функционирования многоклеточных организмов, поскольку студенты факультета психологии ознакомятся с ними в курсах «Анатомия человека» и «Физиология нервной системы». Знания, полученные при рассмотрении каждого уровня организации жизни, привлекаются при рассмотрении остальных уровней в целях ознакомления с жизнью как с целостным феноменом. Базовые знания по биологии даются еще в общеобразовательной школе, причем в достаточно большом объеме. Однако школьные знания представляют собой только знания, т. е. набор понятий и сведений, необходимых для того, чтобы не оказаться полным профаном в современном обществе. Курсы общей биологии для студентов небиологических факультетов тоже строятся так, как если бы шло обучение биологов: материал последовательно излагается до определенной глубины, но всегда как имеющий самодовлеющую ценность. Это помогает прочному усвоению знаний, но не способствует выработке целостного биологического мировоззрения и не дает возможности пробудить интереса к биологическим феноменам у студента, изначально на биологию не ориентированного. Мы ставим перед собой более трудную задачу – не научить биологии, а объяснить ее, попытаться сформировать у студентов целостное понимание такого феномена, как жизнь на нашей планете: в чем она состоит, как устроена, функционирует и изменяется. Такая задача необычайно сложна, но есть надежда, что в ходе ее реализации нами достигнут ряд локальных успехов и некоторые биологические явления поданы в такой форме, в которой их невозможно не запомнить и не понять. По большому счету биологические знания необходимы всем людям как важная составляющая знания о них самих и как минимум для преодоления многочисленных бытовых предрассудков, касающихся биологических и медицинских вопросов. В настоящее время наша страна демонстрирует определенные симптомы рецидива мракобесия. Религиозные и разнообразные оккультные течения стремятся дискредитировать научное мировоззрение, причем наиболее распространенным приемом здесь является грубая профанация науки. Основным фронтом борьбы оказалась биология и в особенности эволюционное учение. Некоторыми реакционными деятелями подвергаются сомнению не только существующие объяснения феномена эволюции, но и сам этот феномен. Неудивительно, что вопросам биологической эволюции в данном курсе уделяется особое внимание. Эволюционные вопросы преднамеренно разбираются в конце курса, в то же время с самого его начала любое биологическое явление рассматривается в историческом контексте – каким образом и «для чего» оно возникло. При этом жизнь на Земле предстает как целостный процесс, разворачивавшийся с самого ее возникновения. Знакомство с принципами устройства и функционирования живых систем, о которых в последние десятилетия наука узнала очень много, указывает на эволюцию как на само собой разумеющееся и даже банальное явление, не требующее специальных доказательств. Биология представляет собой одну из немногих естественно-научных дисциплин, вплотную соприкасающихся с некоторыми гуманитарными дисциплинами, такими как социология и психология. Курс общей биологии оказывается важным для ознакомления «гуманитарных студентов» с принципами построения естественных наук и с естественно-научной культурой, тем самым способствуя выработке целостного мировоззрения, учитывающего достижения современных естественных наук. Мы надеемся, что курс «Общая биология» даст основы понимания живого существа как материальной основы психики, определяющей рамки возможного и невозможного для биологических систем, в том числе и для такого свойственного некоторым из них феномена, как психика. Помимо решения общих мировоззренческих задач, знания, получаемые из курса «Общая биология», необходимы будущим психологам для усвоения таких предусмотренных федеральным образовательным стандартом для специальности «Психология, преподаватель психологии» учебных курсов, как «Анатомия» и «Физиология нервной системы», и таких введенных в НГУ инновационных курсов, как «Поведенческая экология» и «Этология человека» и инновационных спецкурсов «Когнитивная этология» и «Экология, этология, эволюция». Пособие предназначено для студентов 1-го курса факультета психологии НГУ, а именно для повторения материала лекций и подготовки к экзамену. Однако оно может быть использовано в качестве краткого учебника по общей биологии студентам любой специальности, в частности 1-го курса факультета естественных наук (ФЕН) НГУ, а также любыми интересующимся биологией лицами. Автор выражает свою искреннюю благодарность профессорам Л. В. Высоцкой, сумевшей убедить его заняться таким незнакомым и трудным делом, как преподавание, Ж. И. Резниковой, предложившей ему оформить курс в виде учебного пособия, и им обеим – за неблагодарный труд по редактированию данного пособия. Он также признателен Т. Д. Колесниковой за плодотворное обсуждение материала и текста по ходу их освоения и написания. Автор должен с глубочайшей благодарностью подчеркнуть, что значительную часть фигурирующих в пособии идей и примеров он позаимствовал из бесед со своим учителем В. А. Бердниковым за 20 лет работы под его руководством, однако принимает на себя всю ответственность за их формулировку и уместность. Как следствие широты материала, охватываемого пособием, в его первом издании обнаружился ряд фактических ошибок, включая вопиющие. В данном, втором издании они исправлены. Автор будет весьма признателен тем, кто укажет ему и на другие ошибки и неточности, неизбежно оставшиеся в тексте. Автор высшей степени признателен Л. В. Высоцкой за любезное разрешение использовать иллюстрации из их учебника (См.: Общая биология / Л. В. Высоцкая, Г. М. Дымшиц, Е. М. Низовцев, М. Г. Сергеев, Д. Ч. Степанова, М. Л. Филиппенко, В. К. Шумный. М.: Науч. мир, 2001). Ряд иллюстраций заимствован автором из открытых ресурсов Интернета, что не запрещено для использования в образовательных целях. В пособии немало иллюстраций, однако ограниченный объем и некоторые другие ресурсы не позволили включить многие из них. Несколько больше их можно найти в онлайн-версии курса, размещенной на сайте факультета психологии НГУ http://fp.nsu.ru. Лекция 1. ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ Надеемся, ни у кого не возникнет недоумения по поводу того, зачем будущим психологам нужен курс общей биологии. Что такое психика, личность, сознание, интеллект, душа – все это непростые философские вопросы, разбираться в которых нужно, но уж точно не в рамках биологии. Зачастую они переводились в наивную плоскость – «из чего эти вещи состоят». С другой стороны, по поводу каждой из этих вещей рано или поздно находился мыслитель, который утверждал и даже весьма убедительно доказывал, что ее не существует вовсе. Автор данного пособия сталкивался с учеными, отказывающими психологии в праве на существование с точки зрения методологии науки и предлагающими полностью заменить ее социологией. Для нас важно и совершенно ясно одно – все эти феномены для своего существования требуют наличия живого человека и нерасторжимо с ним связаны. Объект вашей специальности – психика – не существует отдельно от своей биологической основы – человека как минимум, или некоторого другого животного – как максимум, и зависит от нее в значительно большей степени, чем это может показаться. Наверное, эта зависимость всем хорошо известна. На психику часто влияют очень незначительные и простые воздействия. Повышение температуры тела всего на три градуса может вызвать бред. Небольшие дозы алкоголя в крови приводят к потере самоконтроля. Ничтожные дозы наркотика (а наркотики – это всего лишь слегка отличающиеся аналоги тех веществ, которыми клетки определенных отделов мозга передают сигналы друг другу) могут необратимо изменить психику. Длительная интоксикация при хроническом воспалении может вызвать депрессивный невроз. Также длительные боль или страх могут привести к изменениям психики, по крайней мере временным. Общеизвестно, как меняется настроение и поведение женщины в связи с соотношением нескольких гормонов в ходе менструального цикла и при беременности. Следует заключить, что нормальная (да и не только) человеческая психика может существовать только в очень узком диапазоне значений огромного количества внешних и внутренних параметров – физических, химических и даже психических, который и обеспечивается нормальным функционированием человеческого тела как биологического объекта. Следует сделать оговорку по поводу приведенной выше формулировки: «Человек или другое животное». С точки зрения биолога, человек – животное, причем по большинству параметров не такое уж и уникальное. Сократ определял его как существо с плоскими ногтями и без перьев, ходящее на двух ногах. Зоология помещает человека (как род) в семейство гоминид надсемейства гоминоидов подотряда высших обезьян отряда приматов класса млекопитающих типа хордовых, а далее – в категории, не имеющие однозначно принятого ранга: вторичноротые, целомические, многоклеточные и, наконец, в царство животных и надцарство эукариот. Человеку указали на его место. Он совершенно не выделяется из ряда своих соседей по классификации – обезьян – по большинству признаков, часто очень тонких и сложных, таких как структура молекул, из которых он построен. Собственно, он никогда от обезьян не происходил, он и есть обезьяна, только немного странная. От остальных современных обезьян он отличается двуногим перемещением и соответствующими изменениями пропорций тела, некоторой редукцией волосяного покрова на теле (при гипертрофированном его развитии на голове), не очень благоприятными особенностями женского цикла, чудовищно большим, не имеющим аналогов в мире животных (разве что у североамериканской семнадцатилетней цикады), временем наступления половой зрелости (что с точки зрения выживания вида в природе - огромный недостаток) и чрезвычайно сложным поведением, которое включает такие уникальные феномены, как язык, сознание, материальную культуру (в том числе изготовление орудий именно в качестве орудий) и все прочее столь нам знакомое. Немаловажно, что язык и материальная культура как таковые генетически не закреплены, закреплена всего лишь способность иметь какой-либо язык и какую-либо культуру. По развитию мозга с анатомической точки зрения человек отличается от обезьян лишь количественно. По массе мозга и отношению его к общей массе тела он уступает дельфину, а по общей сложности организации – корове с ее чрезвычайно сложным желудочнокишечным трактом, включающим специальные ферментеры для симбиотических одноклеточных, которую можно считать наиболее высокоорганизованным живым существом. На современном этапе развития биологии стало уже приблизительно ясно, как именно устроены биологические объекты, как именно они развиваются и функционируют. Хотя их сложность чудовищна, но эта сложность количественная, а не принципиальная – десятки тысяч (у человека – не более 22 000) генов влияют друг на друга строго определенным образом, взаимодействуя по сложным цепочкам в непрерывном каскаде сигналов, и в этом своем взаимодействии формируют организм. Но почти все принципы уже ясны, дело только в унылой конкретике, а компьютеры (в отличие от человеческих мозгов) уже почти способны оперировать таким количеством параметров. Иначе говоря, за данными современной биологии проступают контуры видения живого существа как всего лишь машины – очень сложной, с тончайшими механизмами в виде крупных молекул, и при этом, что интересно, в инженерном смысле далеко не оптимальной. Тем не менее, все же машины, устройство которой в принципе можно понять и в отдаленной перспективе воспроизвести или изменить. Кстати, такой подход к человеку совершенно естествен для врачей, особенно старой закалки, что ничуть не делает их сколько-нибудь ущербными личностями, а скорее наоборот. И хотя ничего подобного машине пока вроде бы не вырисовывается в области изучения устройства человеческой психики, первая забота любого, кто печется о психике, – чтобы биологическая машина работала как надо. А для этого ее нужно знать, уважать и в то же время не обожествлять и не демонизировать, т. е. не относиться к ней как к чему-то мистическому и непознаваемому. Кстати, французский врач XVIII в. Жюльен-Офре де Ламетри назвал свои книги «Человек – машина» и «Животные – больше, чем машины», и был совершенно прав: чтобы познать и человека, и животное, нужно владеть двумя противоположными подходами – аналитическим (механистическим, упрощающим и разлагающим на части) и синтетическим (системным) при всей их кажущейся несовместимости. И первейшая аналогия, которая приходит на ум при ознакомлении с человеком как устройством, – компьютерная. То, чем вы намереваетесь профессионально заниматься, – это софт. Психика – программное обеспечение. Многие ее составляющие должны быть инсталлированы обществом – вспомним, что дети, воспитанные животными, имеют слабо развитую психику. Но много имеется и того, что зашито в «постоянное запоминающее устройство», т. е. заложено в генетическую программу развития организма. Еще больше в ней того, что для правильного функционирования нуждается в обоих этих компонентах – так сказать, в инсталляции производителем и в апгрейде по сети. Казалось бы, биология изучает «железо». Если подходить нему как пользователь (т. е. как все обычные люди), то «железо» достаточно содержать в порядке и эксплуатировать согласно инструкции, в предусмотренных в ней условиях, а знать ничего особенно и не нужно. Если же вы программисты (а вы и собираетесь ими стать), то «железо» нужно знать в деталях. Однако если мы вспомним, как человеческое тело возникает из одной единственной клетки, то убедимся, что материальная сторона дела и тут все же вторична, а имеем мы дело с разворачиванием некоей программы, имеющей много общего с компьютерной. На наш взгляд, задача привить правильное понимание биологии в последние десятилетия очень сильно упростилась. И связано это именно с компьютеризацией населения. Любой человек, поступивший в теперь в вуз, так или иначе имел дело с компьютерами и знаком со свойствами компьютерного мира. А это значит, что он уже заранее почти понимает биологию. Потому что биологические феномены во многих отношениях очень напоминают компьютерные. Это отражается не только в том, что в компьютерных сетях существуют объекты, которые удобно назвать вирусами и червями. Компьютерная терминология, к примеру, начинает проникать в генетику, причем на страницах самых серьезных журналов. Дело в том, что жизнь – явление именно информационное, она представляет собой становление, бытие, воспроизведение и развитие определенной информации. На каком материальном носителе информация реализуется – в принципе не очень важно. Материальным носителем биологической жизни являются сложные соединения углерода с кислородом, водородом и в несколько меньшей степени – азотом, фосфором, серой и т. д., существующие в форме водных гелей и коллоидных растворов. Хранение собственно информации осуществляют также соединения углерода с водородом, кислородом, азотом и фосфором, только особо длинные, а информация хранится в виде определенной структуры этих молекул (больше всего это похоже на узелковое письмо индейцев). На чем реализован компьютерный мир? На кремнии (процессоры, полупроводники, запоминающие устройства), металлах (контакты) и их солях (ферромагнетики) и той же органике (пластмасса). Информация хранится в виде определенного намагничивания ферромагнетиков, в виде зарядов кристаллов кремния или в виде дырок в покрытии дисков. Но что из чего состоит – все это частности, главное – принципы функционирования. Компьютерный мир приучает нас и к тому, что чудовищные количества информации, которая имеет огромное влияние в материальном мире, могут быть записаны на носителях весьма малых физических размеров. На одном диске могут быть записаны чертежи для изготовления ядерной подлодкой и вся программа управления ею, а оплодотворенная яйцеклетка содержит в себе генетическую программу, на основе которой потом вырастает синий кит. Заметим, что размер биологического носителя гораздо меньше. Собственно, в нашем примере и «организм» получается меньше – таких гигантов, как атомная подлодка, жизнь пока не породила. Но по своему строению кит многократно сложнее подлодки. Однако между биологической жизнью и компьютерным миром имеются важнейшие отличия. Воспроизводство компьютеров и снабжение их энергией происходит посредством «сторонних лиц» – людей, и в качестве их разумной цели, внешней по отношению к самим компьютерам. Воспроизводство живых существ и снабжение их энергией идет самопроизвольно - для этого достаточно существования их самих в подходящей для них среде, и по сути бесцельно – если не считать их существование самоцелью. Кто-то мог бы сказать, что в случае человека нельзя говорить «самопроизвольно», но «произвольно». Дескать, размножается человек по своему произволу и энергией себя снабжает в поте лица своего. Однако есть такая вещь – инстинкты – внутренняя мотивация поведения, не требующая собственного обоснования. Они одни и те же у человека и животных (у животных только лучше развиты). И вот они-то и гонят человека заниматься и тем и другим (а вот деятельность дыхательного центра в мозгу на всякий случай сделана чисто автоматической). Если вы будете отслеживать корни любых своих мотиваций, вы непременно упретесь в инстинкты – мотивации, которые ощущаются как «самоочевидные» – хотя бы удовольствие и неудовольствие, комфорт и дискомфорт. И в этих основаниях своей психики мы ничем не отличаемся от животных – все отличия только в надстройке. Далее, есть еще очень важное отличие – компьютеры задуманы и спроектированы как целенаправленные и целесообразные инженерные решения, и в рамках технического задания это сделано по возможности оптимальным образом. Биологические объекты получились такими, какие они есть сами по себе, завелись в прямом смысле от сырости, а все их свойства и отличия друг от друга в основе своей происходят от случайности, от неточного копирования информации. Во многом они более чем целесообразны, но молекулярному биологу, как правило, очевидно, какое огромное количество неоптимальных и нелепых решений и неоправданных переусложнений они несут в частностях своего устройства. (Удивительно, но некоторые биологи видят ту же самую картину диаметрально противоположным образом – как свидетельство гениального замысла творца). Если девиз инженера: сделать наилучшим образом, то девиз жизни: сделать на достаточном уровне, пусть получается как угодно, лишь бы жил. В жестких условиях конкуренции на реальной земной поверхности второе, как правило, оказывается довольно близким к первому. У многих из вас наверняка в душе поднимается возмущение: как это возможно, чтобы такая сложность и красота возникли случайно. Ответ здесь сводится к тому, что если компьютеры развились до современного состояния за 50 лет (это чрезвычайно быстро, если подумать!), то у жизни было на все 4,5 млрд лет и на большей части этого промежутка жизнь не поражала внешним блеском. Причем начальные стадии становления жизни происходили при гораздо больших температурах и давлениях, когда все процессы протекают много быстрее. (Если рассчитать то время, которое геохимические процессы в истории Земли заняли бы при комнатной температуре, то получается около 50 трлн лет.) Интуитивно человек с трудом может представить разницу более чем в 100 раз. А то был действительно чудовищный промежуток времени, за который могли произойти самые маловероятные вещи. Как видим, даже разум возник! Кстати, если историю Земли представить как один год, то клеточная жизнь появилась уже в конце марта – начале апреля (весьма скоро), а разум возник всего за три минуты до нового года. Если вообразить, что в некоем ангельском конклаве идет диспут о том, возможно ли возникновение разума в природе, то на основе наблюдений за Землею партия тех, кто «за», не имела бы никаких шансов до самого последнего момента, а представлялась бы горсткой сумасшедших теоретиков-фантастов, которую высмеивали бы разумные практики. Ну а если не было бы в геологической истории Земли нескольких катастроф, стерших с ее лица почти все живое и заставивших жизнь создавать многое с нуля и по-новому, то есть делать повторные попытки решения одних и тех же задач? Может быть, они и сейчас оставались бы в проигрыше... Что касается красоты и целесообразности, то оба понятия во многом антропоцентричны – нам кажется красивым и целесообразным то, что в какой-то степени похоже на нас (а также нашу привычную среду обитания). Но с точки зрения эффективности устройства, бактерии дадут 100 очков вперед животной (в том числе и нашей с вами) клетке. Ожидает ли нас искусственная жизнь? Фантасты утверждают, что да. Можно себе представить, что компьютизированные роботы будут производить сами себя и других роботов, разрабатывать источники топлива и сами получать энергию. Но, в отличие от становления биологической жизни, это наверняка будут изначально целесообразные действия с точностью до цели, но уже не случайные. Ведь все идет к тому, что искусственный интеллект будет создан раньше, чем полностью энергетически автономный мир «неразумных» роботов. Таким образом, мы вплотную подошли к необходимости определить, что такое жизнь. Вопрос этот не так прост, поскольку интуитивно хочется определить некое общее понятие жизни, с тем чтобы оно предполагало принципиальную возможность существования более чем одного варианта конкретной реализации, несмотря на то, что нам до сих пор известен единственный ее вариант, к которому принадлежим мы с вами. Некогда под жизнью понималось некое почти мистическое свойство, присущее живым существам и покидающее их в момент смерти. В примитивных картинах мира жизнь фактически отождествлялась с душой. Причем на так называемой стадии анимизма (примитивных верований) она считалась присущей не только живым существам, но и практически всем предметам (которые вполне полагались живыми). Понятие души усложнилось вплоть до того, что предполагалось: у человека есть несколько душ, выполняющих разные функции и имеющих разную судьбу после смерти. Наконец, монотеистические религии отказали в душе животным. Но то, что им присуща жизнь, отрицать оказалось невозможным. Тем не менее, понятие жизни долго оставалось на уровне примитивных представлений о душе – она мыслилась в виде некоей субстанции, более или менее газообразного характера (отсюда – «вдохнуть жизнь»). Причем в случае человека она покидала тело вместе с душой, но самостоятельного существования не продолжала. Характерно, что великий создатель формальной системы живых организмов Карл Линней начал свою «Философию ботаники» классификацией «натуралий» на три вида: камни растут; растения живут и растут; животные живут, растут и чувствуют. Судя по всему, определять понятие «живут» он считал совершенно излишним. При таком понимании проблемы множественности форм жизни просто не существовало, жизнь понималась как некое далее неподразделимое качество, как, например, «мысль», «тепло», «верх» и «низ». Как мы знаем, многие из таких качеств оказались вполне подвергаемыми дальнейшему анализу (например, тепло), а другие – не всегда очевидными и корректными (верх и низ). В Новом времени наряду с витализмом, который признавал существование особой «жизненной силы» и делал понятие жизни непознаваемым, возник в качестве антагониста к нему вульгарный материализм, представлявший живые существа в виде довольно простых механизмов и по сути отрицавший существование жизни как таковой. Одновременно отрицалось само существование идеальных феноменов, таких как сознание. Карлу Фогту, к примеру, приписывается высказывание, что мозг выделяет мысли так же, как печень – желчь. Развитие биологии охладило энтузиазм вульгарных материалистов, так как механизм оказался чересчур сложным, а некоторые особенности его устройства первоначально казались принципиально иными, чем устройство неживых объектов. Например, один из главных создателей квантовой механики Эрвин Шредингер всерьез (и ошибочно) полагал, что живые системы не подчиняются второму началу термодинамики. Одно время областью совершенно особых, по сути нематериальных явлений казалась генетика (и под этим предлогом в Советском Союзе имели место почти двадцатилетние гонения на эту науку). Но сейчас, думается, вульгарные материалисты по поводу сущности жизни быстро договорились бы с компьютерщиками - и перестали бы быть вульгарными, потому что информация – явление идеальное, а не материальное, хотя и нуждается всегда в материальном носителе, и в то же время в компьютерных технологиях мы создаем ее и своими руками «вдыхаем жизнь» в компьютер. Так всегда: чтобы понять, как что-то устроено, самое лучшее – воспроизвести это своими руками. Витализм продолжает существовать и в наши дни, в особенности в нашей стране, где ограниченные возможности к занятию технологоемкой наукой сочетаются со склонностью населения к философствованию. При этом сложился характерный класс субъектов, увлекающихся теоретическими разработками и экспериментами из области «биоэнергии». Они активно открещиваются от материализма, однако пользуются понятийным аппаратом рациональной науки, говоря о биоэнергии и биополе как об еще одном физическом феномене, пока непознанном (некоторые даже уточняют, что это «микролептонные феномены» или «торсионные поля»). Думается, что если бы эти гипотетические явления стали понятными и описанными, данный класс людей потерял бы к ним всякий интерес. Серьезные основания полагать, что подобные феномены существуют, науке неизвестны и биология как наука успешно описывает свою феноменологию, не нуждаясь в допущении об их существовании. Сделаем лирическое отступление о том, что такое наука и чем она отличается от других систем знаний. Отличается она от них лишь своей полной прозрачностью и открытостью. Другими словами, совокупность научной литературы позволяет каждому проследить историю любого научного представления на сколь угодно большую глубину и самому выяснить, каковы были основания для его принятия, развития, сохранения или отвержения, и согласиться с ними или нет. И хотя то, что нам рассказывают астрофизики о Большом взрыве и начале Вселенной, физики – о суперструнах и даже о «простых» элементарных частицах, а также то, что на 1-м курсе ФЕН в курсе физхимии говорится об электронной плотности и орбиталях электронов, для слушателя мало отличается от того, как 200 лет назад рассказывали о триединстве божием, о сотворении мира в шесть дней и о грехопадении Адама, существует важное отличие науки от любой мифологии. Мифология всегда основана на авторитетном источнике, истинность которого не подвергается сомнению, тогда как любой желающий может проследить любую научную истину до самого его начала и пройти вместе с мировой наукой весь путь по ее признанию или непризнанию. Для этого он, конечно, должен обладать весьма недюжинными способностями (к примеру, ему может понадобиться научиться решать системы дифференциальных уравнений в частных производных), но прежде всего – он должен обладать упорством и почти неограниченным временем. Далее, у научных теорий есть одна фундаментальная асимметрия – любое количество соответствующих теории фактов еще не доказывает ее истинность, а только делает ее вероятной, но даже один противоречащий факт ее опровергает. (Под фактом здесь подразумевается не случайное наблюдение, а нечто весьма серьезное и вопроизводимое.) Допустим, опыт Майкельсона показал несостоятельность механики Ньютона, а его результаты оказались согласны с теорией относительности. Но это совершенно не является доказательством «истинности» теории относительности, как и не исключает возможности в практических целях пользоваться Ньютоновой механикой в области малых скоростей. Таким образом, в любой момент времени наука есть совокупность теорий, которые на этот момент не удалось опровергнуть – но никак не раз и навсегда установленных «истин». Да, научное мировоззрение имеет своей основой столь ничтожную малость. Но у прочих мировоззрений нет и такой малости. Философ науки Карл Поппер, впервые обративший на эту асимметрию внимание, сказал, что здание науки строится на болоте, но ее сваи столь основательны, что стоит она исключительно прочно. Таким образом устроенная наука накопила огромное количество положений, вызывающих сомнение не более, чем утверждение о том, что река Волга впадает в Каспийское море (хотя и здесь можно критически задуматься над тем, что означает «река», «море», «впадает» и т. д.). В том числе и о вещах, которые невозможно увидеть глазами и пощупать руками (а это сомнительные критерии истины). Достигнутые на этой основе поразительные практические результаты (вплоть до атомной бомбы) служат наглядным свидетельством мощи и «истинности» современной науки. Но в то же время нужно отдавать себе отчет в том, что в науке, особенно в биологии, помимо твердо установленных положений имеется также масса спорного, множество временных решений, предварительных предположений и т. д. Существует также переходная зона положений, которые одни ученые считают твердо установленными, а другие предположениями. Чтобы отличать истины от гипотез в этой зоне, необходимо самому хорошо знать данную науку и руководствоваться и собственным интеллектом. При таком устройстве науки важно, что каждому представлению необходимо пробиться сквозь дотошную критику множества очень умных людей. Научная литература отличается от не менее открытого интернета системой рецензий, которая не позволяет публиковать в изданиях, имеющих тот или иной статус, недостаточно обоснованных положений. Наука – очень серьезно модерируемый ресурс. Культура обоснований сформировалась еще в Средние века в недрах теологии и успешно существует до сих пор. Эта система имеет большой недостаток – первоначально все по-настоящему новое в науке по понятным причинам этой системой категорически отвергалется (вспомним хотя бы судьбу гелиоцентрической системы). Однако в этом и есть великое значение данной системы – действительно серьезные вещи, имеющие своей основой истину, все равно рано или поздно находят путь к признанию, тогда как масса бреда, полубреда или результатов некорректных опытов или некультурного мышления отметается. Вообще главной проблемой в науке является не недостаток нового, а его избыток, и главной задачей (как в скульптуре, согласно Микеланджело) – отбросить все лишнее, чтобы обозначились контуры истины, которые можно препарировать до бесконечности. Эту задачу выполняет армия жестких критиков и открытость всего того, что их первоначальную критику прошло. Именно таким образом наука оказывается весьма умным предприятием, вполне достойным того, чтобы посвятить жизнь служению ей. И это притом, что среди ученых более чем хватает людей, мягко говоря, не очень умных, да и на всякого мудреца довольно простоты. Совершенно практический вопрос: что же мы с вами, обычные люди, можем считать «научной истиной»? Ответ: ту картину мира (вместе со всеми осознанными противоречиями, сомнениями и неопределенностями), которую можно найти в ведущих международных журналах. В нашем случае это будут Nature, Science и ведущие профильные журналы. Можно ли сомневаться в этой картине? Ответ: да, можно и нужно, но только в той области, в которой сам серьезно занимаешься и ясно представляешь себе существующую официозную картину этой области и ее недостатки. Любые сомнения в научном знании в области, в которой ты не разбираешься досконально или которой не представляешь современное состояние знаний, оказываются, как говорил один политик, контрпродуктивными. (Еще одно отступление: в последние десятилетия содержание указанных самых авторитетных журналов, охватывающих все отрасли естественных наук, состоит на 90 % из молекулярной биологии. Та кто мы живем в век биологии!) Согласно официальной науке, никаких биополей и биоэнергии не существует. Разговаривать о них имеет смысл только с теми, кто не только верит в их существование, но знает результаты экспериментов, не имеющих традиционного объяснения, и сам проводил таковые, кто знает какие-то перспективные уравнения квантовой физики или альтернативные модели пространства-времени, в которые «биоэнергетика» каким-то образом вписывается. Такие люди пока не наблюдаются среди представителей официальной науки. Это никак не связано с субъективным нежеланием официальной науки признать существование феноменов «биополя» или «биоэнергии», ведь она оказывает известное сопротивление вообще всему новому. Никаких принципиальных запретов для включения этих идей в официальную науку не существует. (Более того, в 30е-40е годы теория телепатии даже обсуждалась на страницах самого уважаемого научного журнала – «Nature».) Нет и никакого заговора молчания вокруг каких-то секретных разработок по этому вопросу. Например, несмотря на то, что ядерная физика - опасная вещь и множество исследований на эту тему засекречено, основы этой науки преподаются на любом физическом факультете любому, кто захотел и сумел туда поступить. Нам остается заключить, что отсутствие «биополя» в официальной науке вызвано лишь отсутствием в природе реальных оснований для подобных концепций. Вернемся, однако, к определению жизни. Чем больше биологи узнавали том, как устроено живое, тем больше возрастало ощущение, что принципиально могло бы существовать более одного варианта жизни, а для писателей-фантастов эта идея стала банальностью. Это происходит от наблюдения того, сколько частных деталей и неочевидных технических решений является универсальным для всех живых существ на Земле. Когда механизм столь сложен, очевидно, что того же результата можно было бы достичь и другим, не менее сложным (а может быть, и более простым) способом. К примеру, существует несколько успешных, но совершенно разных принципов летательных аппаратов тяжелее воздуха – самолет, вертолет, автожир (и как будто бы активно проектируются дисколеты). Мы далее увидим, какое разнообразие структур могут породить соединения углерода с кислородом, водородом и некоторыми другими элементами, и что только немногие из возможных вариантов этих структур используются. За счет возможности формирования устойчивых цепочек довольно перспективными для создания сложных структур являются соединения другого элемента группы углерода – кремния. Существует теория, что углеродная жизнь на Земле зародилась фактически как паразит на «жизни» кремниевой, связанной с самовоспроизводящейся структурой сложных глин – цеолитов. Высказывались предположения, что кремниевая жизнь могла бы существовать на Венере, в условиях гораздо больших температур и давлений, причем роль нашей воды при этом выполняла бы серная кислота. Итак, отвлечемся от конкретного материала, из которого жизнь «сделана» (от того, что она есть «форма существования белковых тел», как определял ее Фридрих Энгельс), и зададимся вопросом: какие свойства отличают живые объекты от неживых. Движение отпадает, так как существует много по-настоящему неподвижных форм жизни. Рост тоже отпадает, так как растут кристаллы, в конце концов – земная кора в области срединных хребтов океана, осадочные толщи. Вы говорите целесообразность – но в чем цель? Единственно в воспроизводстве себе подобных. Вот это уже одно из важных свойств. Все живые объекты, будучи достаточно сложными, способны к более или менее точному воспроизводству подобных себе же. Есть ли такое явление среди тех объектов, которые мы живыми не считаем? К воспроизводству себе подобных способны кристаллы (хотя все же менее подобных, чем живые существа) – обломок кристалла в условиях перенасыщенного раствора порождает кристалл, напоминающий тот, что был разломан. А в чем же отличие? Вы упомянули питание. А зачем нужно питание? Да, это источник энергии и источник вещества. Об энергии – позднее, а сейчас поговорим о веществе. Зачем нужно вещество? Все помнят картинку из учебника природоведения: синица съедает за день больше, чем весит сама. Зачем ей столько? А еще мы пьем. Зачем мы пьем, если и так состоим почти что из одной воды? А еще мы дышим. Неужели все это нужно только лишь для получения энергии? Нет. Живой организм в отличие от кристалла – система проточная. Вещество, из которого мы состоим, постоянно обновляется. Даже кости постоянно разрушаются и строятся вновь, структура кости все время перестраивается в зависимости от существующих нагрузок, и лишь такая динамика позволяет кости срастаться. В сумме все процессы превращения и обмена веществ называются обменом веществ, или метаболизмом. Посмотрим на некоторые цифры. Вода в организме постоянно обновляется (вода внутриклеточной среды обменивается с внеклеточной, вода внеклеточной среды – с кровью, вода крови – с внешней средой). Человек на 60–70 % состоит из воды, значит, мужчина весом 100 кг содержит около 65 кг воды. А в день теряет и потребляет 2,5–3 (до 10) кг воды. Это значит, что за день вода в организме обновляется на 4–5 (до 15) % (нужно еще учесть, что молекулы воды не только проходят сквозь организм, но еще и расщепляются и создаются вновь). Все цифры здесь и далее приводятся для так называемого основного обмена – когда организм находится в покое в комфортных условиях. При любой деятельности скорости обмена веществ бывают в несколько раз больше. Все органические молекулы постоянно разрушаются и строятся заново, поэтому, чтобы оценить скорость протока материи через организм, лучше оценивать не поток веществ, но поток элементов. Наиболее интересен здесь углерод – основа жизни. Он поступает в организм человека с пищей и покидает его в виде двуокиси углерода, а также частично в составе мочевины в моче. В организме взрослого человека содержится около 10 кг углерода, а скорость его обмена (которую можно посчитать на основе выделения углекислого газа) составляет 150–170 г в день, т. е. 1,5–2 % от всей его массы – а ведь речь идет уже о самом живом веществе. Между прочим, годовой обмен углерода между живыми организмами и окружающей средой на Земле составляет около 30 млрд т, а весь обменный фонд углерода на Земной поверхности (в атмосфере, гидросфере и почве, то есть не связанный в горных породах) оборачивается за 300–400 лет. Обмен кислорода и водорода происходит прежде всего за счет воды, а скоростью обмена воды мы уже впечатлились. Важнейшим элементом нашего тела, без которого невозможны белки, является азот, его в человеке около полутора килограммов, и с мочой его ежедневно выводится около 2–5 г, т. е. 0,15–0,3 %. В среднем время полуобновления белков человеческого тела составляет 80 дней, причем для разных белков скорость различна: для белков мышц – 180, для белков крови – 10 дней. (Заметим, что характерным параметром здесь является не время полного обновления, а время полуобновления, как будто речь идет о радиоактивности. Это происходит оттого, что и самопроизвольное расщепление атомов, и расщепление молекул в организме с помощью других специальных молекул – процесс вероятностный и всегда есть конкретные молекулы, которые случайно были расщеплены сразу же после синтеза, и те, которые случайно выжили очень длительное время.) Человек вроде бы все тот же с виду, самосознание у него сохраняется, память имеется (сохраняемая системой, образованной множеством клеток мозга, в которых тоже постоянно идет одновременное созидание и разрушение различных органических веществ), а материально он все время новый! У любителей паранормальных явлений существует представление, что душа – это некий вихрь некоего эфира, который может продолжать жить, хотя бы некоторое время, и после смерти. Но ведь и сам человек – это тоже не тело, но вихрь! Иначе говоря, он существует в виде материального объекта во времени не как камень (и, заметим, не как кристалл), а как бурун на реке возле этого камня: вода все время другая, а бурун остается на месте и только немного меняет свою форму во времени. Так что материальная телесность живых существ не столь уж бесспорное и очевидное явление – на самом деле это сложнейший самоподдерживающийся вихрь, который организует постоянно движущийся через себя поток атомов, непрерывно прибывающих, меняющих свои комбинации, уходящих и тем самым создающих по сути видимость постоянного телесного объекта. Таким образом, живой организм (как и, к примеру, река) – это в большей степени структура, нежели предмет. Может быть, вы слышали о таком понятии, как гомеостаз (его ввел французский ученый второй половины XIX в. Клод Бернар)? Это динамическое равновесие, устойчивое поддержание системы, ее структуры и параметров за счет сопряженных процессов, связанных обратной связью, при непрерывном потоке вещества и при меняющихся в определенных пределах внешних условиях. Вихрь жизни не может возникнуть сам по себе во всей своей сложности (однако в конечном счете эти вихри как явление жизни возникли сами по себе!). Он существует за счет самоподдержания и воспроизведения подобных ему и, будучи разрушенным, не может восстановиться. В момент смерти потоки вещества полностью меняют свой характер и устремляются в направлении распада, т. е. в направлении равновесия со средой. Так что жизнь – это определенным образом организованное движение атомов вещества, а не сами атомы. Удивительно, как религия, по своей сути апеллирующая ко всему нематериальному, умудряется сосуществовать с вульгарными похоронными традициями. Ведь хоронят не вихрь, которым был человек, а те атомы, которые в момент смерти случайно оказались в составе его тела. Их организация в молекулы при этом продолжает изменяться в сторону все более простых молекул, хотя в костях они могут долго сохранять их характерное взаиморасположение, давая материал археологам. (Еще одно «лирическое» отступление: следует обратим внимание, в какой степени вся наша жизнь связана с теми или иными трупами. Мы питаемся почти исключительно трупами, мы одеваемся в трупы, наши жилища частично или полностью построены из трупов. Это трупы деревьев или микроскопических раковинных простейших, из которых сделан известняк. Обогреваем мы их энергией, полученной исключительно из трупов, и за счет нее же мы перемещаемся. Достаточно вспомнить, что такое древесина, каменный уголь и нефть. За счет нефти трупы участвуют в создании массы вещей, которые нас окружают. После этого можно спокойнее воспринимать весьма вероятную теорию, согласно которой наши ранние двуногие африканские предки питались в основном падалью.) Вернемся к питанию как к указанию на еще одно важное свойство живого (речь идет о питании в широком смысле, включая фотосинтез у растений, которые поглощают углекислый газ и воду как материальную основу для строительства своего тела и свет как источник энергии). Поддержание вихря живого существа идет с затратой энергии. Речной бурун тоже требует для поддержания кинетической энергии движущейся воды, при этом расходуется потенциальная энергия воды, находящейся выше по течению. Вспомним, откуда она там взялась: воду испарило солнце, а потом она выпала где-то в горах. Для большей части живых существ на земле источником энергии является то же самое Солнце, энергия, выделяющаяся при термоядерном синтезе ядер гелия из ядер водорода. Растения и сине-зеленые водоросли и некоторые бактерии умеют преобразовывать энергию солнечных лучей в энергию химических связей в определенных органических веществах и синтезировать сами эти вещества из углекислого газа, воды и минеральных веществ в почве и воде. Их называют фотоаутотрофы (от греч. «фотос» – свет, «ауто» – сам, «трофос» – питание), т. е. те, кто сами себя питают при помощи света. Большая часть бактерий, грибы и животные используют вещества, созданные растениями и друг другом, в качестве источника энергии и строительного материала. Это гетеротрофы (греч. «гетеро» – другой), т. е. это те, кто питается другими . Однако часть живых существ, называемых хемоавтотрофами (а именно некоторые бактерии), использует энергию химических связей в некоторых неорганических веществах – аммиаке, нитритах, соединениях серы или двухвалентного железа. На заре становления жизни их роль была гораздо выше, и скорее всего жизнь на Земле как мир самовоспроизводящейся органики началась именно с хемоавтотрофов. Первоначальным источником этой энергии служило не Солнце, а вещества из недр Земли, т. е. эта энергия запасалась когда-то в ходе процессов образования всей Солнечной системы. Выражаясь мифологическиметафорическим языком, жизнь на земле эволюционировала от использования хтонической энергии к использованию солярной. Обо всем этом подробнее далее. Возвратимся к человеку. В состоянии покоя человек тратит (выделяет в виде тепла) около одной килокалории в час на килограмм веса. Значит, человек весом в 70 кг в сутки производит (расходует) около 1 700 ккал. Этой энергии хватит, чтобы нагреть от комнатной температуры до температуры кипения 20 л воды. Это если весь день лежать и вообще ничего не делать. В реальной жизни, которая предполагает добычу источников энергии, он тратит ее гораздо больше. Итак, для поддержания жизни необходим постоянный приток и отток вещества и постоянное поступление и расход энергии. Поэтому всегда подчеркивается, что живые системы – это открытые системы. В термодинамике доказывается, что закрытые системы (без обмена веществом и энергией с внешней средой) стремятся к равновесному состоянию, которое характеризуется максимальной энтропией, т. е. минимумом информации, необходимой для описания ее состояния. Это и есть второе начало термодинамики. Живые организмы очень далеки от равновесия со средой, и их строение заключает в себе очень много информации. В этом их отличие от кристаллов, которые представляют собой состояние вещества с минимумом энергии, а их регулярная однообразная структура требует для своего описания мало информации. В кристаллах отсутствует приток и отток вещества, а их образование сопровождается обычно отдачей, а не затратой энергии. Хорошей иллюстрацией здесь будет костер, на котором стоит ведро со льдом: при горении разрушается структура дров, а при растапливании – структура льда. Структура льда очень проста, структура древесины крайне сложна. Поэтому первый процесс сопровождается выделением энергии, накопленной живыми существами, с разрушением сложных химических структур и превращением их в более простые (т. е. идет с уменьшением содержащейся информации), а второй – поглощением энергии, расходуемой на приведение воды в беспорядочное состояние, которое характеризуется большей информационной насыщенностью, чем замороженное. Один из знакомых автора этого издания выразился весьма поучительным афоризмом: что бы мы ни создали за свою жизнь, в этом будет содержаться гораздо меньше новой информации, чем то количество информации, которое было уничтожено при переваривании и усвоении всей нашей пищи. Отметим еще одно обстоятельство, характеризующее драматический динамизм любой, даже с виду очень спокойной жизни. Мы знаем, что в нашем кишечнике существует нормальная микрофлора, представленная многими видами бактерий, из которых преобладает кишечная палочка. Без этой микрофлоры мы не можем нормально переваривать пищу и вообще существовать, и даже незначительные ее нарушения приводят к так называемому «дисбактериозу» (хотя распространенность этого нарушения сильно преувеличена). В то же время мы знаем также, что у больные СПИДом, у которых подавлен клеточный иммунитет, страдают постоянными поносами, вызываемыми той же самой кишечой палочкой. Это означает, что нормальный здоровый человек находится в состоянии непрерывной позиционной иммунной войны с собственной нормальной микрофлорой, причем здоровью соответствует определенный баланс сил в этой войне, а любое его нарушение приводит к заболеванию. Есть еще одно свойство, которое присуще всем наблюдаемым нам формам жизни, – специфичность и дискретность живых структур. Нет двух идентичных живых существ. Однако существуют их более или менее строго определенные виды, расы, пола, стадии развития... Это «более или менее» постоянно приходится добавлять, но сущность явления специфичности вполне очевидна. В общем-то, специфичность и дискретность являются, во-первых, следствием свойства более или менее точного самовоспроизведения, вовторых, дискретностью конструктивных решений для жизнеспособных структур. Если бы мы заполнили некоторое экспериментальное пространство континуумом сконструированных «организмов» и предоставили их самим себе, то на выходе получили бы более или менее ограниченный набор форм – одни части континуума оказались бы нежизнеспособными, другие исчезли бы в силу случайных событий, уступив место размножившимся более удачливым соратникам. Вряд ли можно согласиться с заключительной частью стихотворения «Линней» выпускника ФЕН Виктором Фетом (однофамильцем известного поэта), который сейчас занимается в Америке молекулярной биологией и скорпионами: ...Прилежную природу естества Он понимал, и общий знаменатель Он отыскал для трав, зверей и птиц: Их имя (форму, суть). Когда б Создатель Нас мастерил без видимых границ, Одним мазком, не уточнив детали (Цвет глаз, размер, кому годимся в корм), Мы все бы, не имея точных форм, Переливались и перетекали Из маски в маску. Жизнь была б легка. Но мир отлит в ином материале, И постоянна форма у цветка, Какие пчелы бы ни посещали Его тычинки. Личность, суть, идея – Их помнят и лопух, и орхидея. Похоже, что «создатель», то есть природа, изначально нас именно так и мастерил – «без видимых границ», однако на выходе как раз получился материал совсем иной. Впрочем, об эволюции речь пойдет в конце. Попробуем напоследок дать определение понятию «жизнь». (Никакое определение не способно передать все значение любого понятия – оно всегда будет в той или иной степени ущербно и найдется ситуация, когда оно дает сбои. В этом причина постоянного распухания текстов законов и прочих юридических документов – они тщетно гонятся за полнотой определений. Понятие можно только понять, исходя из его взаимодействия с уже понятыми понятиями на множестве правильных текстов. Определение – это просто такой минимальный текст, который максимально эффективно приближает нас к пониманию.) Итак, жизнь можно определить как совокупность самоподдерживающихся открытых систем, существующих в виде особых структур за счет постоянного протока вещества и притока энергии и способных к более или менее точному самовоспроизведению. На этой в прямом смысле жизнеутверждающей ноте вводная лекция закончена. Лекция 2. ХИМИЯ И ЖИЗНЬ Среда обитания В Восточном Забайкалье, в Приаргунье, распространен так называемый эндемичный деформирующий остеопороз, называемый также Уровской болезнью и синдромом Кашина – Бека. Это эндемичное врожденное заболевание, которому подвержена часть населения в бассейнах рек Уров и Урюмкан. Она характеризуется недоразвитием хрящевой ткани в суставах, укороченными конечностями, гиперлордозом (излишняя выгнутость позвоночника), сниженными умственными способностями. Механизм ее возникновения не вполне понятен, но очевидно, что ее развитие связано с недостатком в окружающей среде селена, йода, а также кальция и избытком серебра и некоторых других металлов. По-видимому, решающую роль здесь играет недостаток селена. А так называемый кретинизм – умственная отсталость, гипертрофированная щитовидная железа – возникают в местностях, бедных йодом. Заметим, что речь идет, по сути, о ничтожных вариациях элементного состава на земной поверхности, пагубных для человека (поселившегося в тех местах относительно недавно), но не влияющих на буйную местную природу. Однако некоторые виды бактерий населяют горячие вулканические источники, в которых соотношения элементов, в том числе металлов, могут быть весьма экзотическими, и эти виды не могут жить в других условиях. Какие выводы мы можем сделать из всего этого? 1. Каждый вид живого существа очень тонко настроен на конкретное колчественное соотношение множества химических элементов, большая часть из которых так или иначе вовлечена в построение и функционирование организма. Какое дальнейшее «практическое» следствие мы можем отсюда вывести? Мечты о расселении человека на другие планеты беспочвенны. В прямом смысле беспочвенны – подходящую для него по составу почву найти за пределами Земли практически нереально. Даже на вполне мирно выглядящей земной поверхности человек не везде может безбедно существовать. Так что на других планетах либо среда должна быть искусственная, либо сам человек в той или иной мере искусственный. 2. Жизнь может перенастроиться на другой спектр элементного состава в весьма широких пределах. Но для этого спектр должен меняться очень медленно. Весь вопрос в том, сколько на такую перенастройку уйдет времени, или, лучше сказать, сколько неприспособившихся к меняющимся условиям индивидуумов погибнет, чтобы уступить место приспособившимся. Кстати, то, к чему мы с вами не только приспособлены, но и жить без чего не можем, представляет собой с химической точки зрения совершеннейший кошмар. Имеется в виду кислородная атмосфера. Кислород – сильнейший окислитель, свободный кислород – крайне реакционноспособное и агрессивное вещество. Для того чтобы жить в такой атмосфере, жизнь долго приспосабливалась. Сейчас существуют анаэробные бактерии, которые способны жить без кислорода. Анаэробы могут быть факультативные, способные жить в присутствии кислорода, и облигатные, для которых кислород является смертельным ядом. (К последним принадлежит бактерия Clostridium botulinum, развивающаяся в недостаточно стерилизованных консервах, выделяющая яд огромной токсичности, отравление которым известно как ботулизм.) Когда-то на Земле жили одни облигатные анаэробы. Но по мере того как кислород накапливался, отбирались организмы, биохимия которых была рассчитана на устойчивость к кислороду. Зато кислородная атмосфера позволила живым организмам гораздо быстрее и эффективнее извлекать энергию из тех веществ, которыми они питаются. Дыхание – это, по сути, контролируемое горение. До этого жизнь пользовалась гораздо менее эффективными химическими путями извлечения энергии. Атмосфера свободного кислорода – нонсенс, состояние, исключительно далекое от химического и термодинамического равновесия. В любой момент она существует исключительно из-за того, что зеленые растения и сине-зеленые водоросли непрерывно производят кислород (за счет энергии солнечного света) в процессе фотосинтеза. Оборот этого процесса составляет примерно 250 млрд т в год. Иными словами, не только жизнь, как вы узнали из предыдущей лекции, есть состояние, далекое от равновесия, поддерживаемое с затратами энергии, но и вся среда, в которой эта жизнь существует, – атмосфера и гидросфера Земли, находящиеся под воздействием живых организмов, создана и поддерживается в далеком от равновесия состоянии самой же жизнью. Эта идея и заключена в популярном понятии биосферы – оболочки Земли, сформированной и находящейся под сильнейшим влиянием жизни. Она включает в себя всю атмосферу, всю гидросферу и часть литосферы, содержащую осадочные метаморфические породы, сформировавшиеся не без участия живых организмов. Между прочим, зона, в которой на поверхности нашей планеты активны сами живые организмы, гораздо шире, чем можно было бы подумать. Некоторые бактерии живут в облаках, усваивают там атмосферную органику при температурах, близких к нулевым и даже сами в какой-то мере выступают центрами конденсации водяных паров в те капельки, из которых и состоят сами облака. Живые бактерии были также найдены в грунтах на глубинах более 800 м под океанским дном, то есть в условиях чудовищного давления и высокой температуры; биомассу таких бактерий и их роль в геохимических процессах еще предстоит оценить. Если атмосфера свободного кислорода создана жизнью, значит, до возникновения и довольно далеко зашедшего развития жизни кислорода в атмосфере не было. Действительно, первичная атмосфера Земли была восстановительной и состояла в основном из водорода, азота и его оксидов, углекислого газа, метана и водяного пара. Кислород присутствовал только в связанной форме. И если в атмосфере присутствует такое количество свободного кислорода, его нужно было высвободить из его соедиений. Кто этим занимается – мы знаем (впрочем, первоначально это были цианобактерии – они же синезеленые водоросли, а не растения). Общая реакция фотосинтеза известна: CO2 + H2O = (COH2) + O2 (здесь в скобках приведена условная брутто-формула углеводов, являющихся непосредственными продуктами фотосинтеза). Из нее следует, что если мы получаем кислород, то где-то должны накапливаться и другие продукты реакции, т. е. углерод и водород в связи с меньшим количеством кислорода или вне связи с кислородом вообще. Причем они должны накапливаться в стехиометрическом соотношении, т. е. в количественном соотношении между участвующими в реакции веществами, задаваемыми самой реакцией: на одну молекулу полученного кислорода из состава углекислого газа должен быть выведен один атом углерода. Куда же деваются осиротевшие, лишенные связи с кислородом углерод и водород? Ваши версии! Ну да, в живое вещество, конечно. Оценки, которые можно найти в интернете, таковы: общая биомасса планеты, в пересчете на сухую массу, составляет 2,4 x 1012 т (в интернете можно встретить степень до 1016 – можете себе представить надежность этого источника – разница в четыре порядка), то есть 2,4 триллиона тонн, а ее ежегодный прирост – 2,3 1011 т, то есть около одной десятой. Цифры эти, надо полагать, весьма приблизительны. Тем не менее, кислорода в атмосфере Земли 1,4 x 1015 т (1 400 трлн т) – на три порядка больше. Стехиометрически этому соответствует масса углерода, составляющая 1/3 от этого количества (один атом углерода атомарной массой 12 у. е. на два атома кислорода с атомарной массой 18 у. е.), т. е. 467 трлн т. Куда же помимо живого вещества делся остальной углерод, выведенный из состава углекислого газа, а также водород, выведенный из состава воды? Углерод с водородом. Вам это ни о чем не говорит? Углеводороды. Это наши «энергоносители»: нефть, газ, каменный уголь, являющийся фактически чистым углеродом. Все эти горючие полезные ископаемые – биогенного происхождения, продукт функционирования экосистем. Нефть и природный газ – в основном ранних, протерозойских микробных экосистем, уголь – палеозойских, уже вполне похожих на наши. Количество углерода, запасенного в недрах в виде этих ископаемых, оценивается в 4 трлн т. Если учесть горючие сланцы, битуминозные пески и гидраты метана, то и все 10 трлн т. Очевидно, что для количественного соответствия кислороду этого все равно не хватает – тут явно недоучтен какой-то фактор. Много углерода запасено в биогенных известняках, представляющих собой смесь фосфата и карбоната кальция с преобладанием карбоната – CaCO3.. Углекислый газ участвует в процессах химического выветривания (разрушения) вулканических горных пород, при этом процессе также образуются карбонаты. Но в карбонатах на один атом углерода приходится три атома кислорода, т. е. еще больше, чем в углекислом газе (при растворении в воде CO2 частично соединяется с ней, преобразуясь в угольную кислоту H2CO3, в водных растворах эти два вещества находятся в химическом равновесии, так что по сути речь идет об одном и том же соединении углерода). Поэтому известняк нам не поможет найти тот углерод, который соответствует свободному кислороду. По-видимому, все дело в том, что оценка в 10 трлн т сделана для доступных нам недр, а есть еще недоступные, включая земную мантию. Не следует забывать, на какой страшной планете мы живем. Непрекращающийся дрейф континентов сопровождается субдукцией – погружением океанской коры под наступающую на нее континентальную кору с последующим ее расплавлением. При этом вместе с океанской корой уходят накопившиеся там осадочные породы, способные уносить с собой отложенный углерод. Биогеохимия – сложная наука, и наши прикидки чрезвычайно упрощены и приблизительны и не учитывают многих факторов. Но в любом случае мышление на глобальные темы должно быть именно таким: всегда помнить о химии и о биологии, которые предполагают вещи довольно простые и при этом весьма важные. Говорят, что леса – это легкие планеты. В них, кстати, аккумулировано 4/5 всей биомассы. Высказывание чересчур образное, легкие кислород, в общем-то, поглощают. Рассмотрим лес. Листья поглощают углекислый газ, к ним из корней подтягивается вода, на них падает солнечный свет. Они осуществляют свой фотосинтез, выделяют кислород и образуют органические вещества (сложные соединения углерода с водородом, кислородом и другими элементами). Деревья растут, трава под ними... Фотосинтез идет непрерывно. Органика синтезируется непрерывно. Но разве масса леса увеличивается непрерывно? Вот он за окном, каждый день (но не ночь!) производит органику. А все остается с виду почти как было. Кто-нибудь видел лесную почву? В ней тоже очень мало органики – она светлая, почти без гумуса. Куда же девается произведенная органика? Уходит на жизнедеятельность? Другими словами, органика пошла на покрытие энергозатрат? Для этого у большинства живых существ она опять соединяется с кислородом с образованием углекислого газа и выделением энергии. Это называется дыханием. Дыхание свойственно в том числе и растениям. В нашем примере необходимо, однако, учесть, что в процессах разрушения биомассы и «растраты» ее на дыхание участвуют не столько сами растения, сколько бактерии и грибы, с определенной помощью насекомых. Именно они разрушают стволы, опавшие листья. Получается, что сколько лес произвел органики, столько в нем и разложилось, а углерод улетел в виде углекислого газа. Сколько произвел кислорода, столько же и поглотил. А откуда берутся горючие полезные ископаемые? Где запасаются те углеводороды и уголь, которые соответствуют выделенному в атмосферу кислороду? Вопроса образования нефти мы касаться не будем, он еще не до конца ясен, а главное – происходил в условиях, мало похожих на современные. А вот уголь. Что часто находят в углях? Правильно, отпечатки растений. Откуда берется уголь? Угольные бассейны остались от обширных болот. Болота – вот что поставляет нам кислород! В болотах откладывается торф, который и сам является топливом. В дальнейшем, в недрах земли, он все больше обезвоживается и превращается в бурый (за несколько миллионов лет), а затем и в каменный (за сотни миллионов лет) уголь. К примеру, 200 км на север от места, где мы сейчас с вами находимся, есть замечательное явление природы – знаменитое Васюганское болото – самое большое в мире, между прочим, 53 тыс. км2 и прирастает на 0,8 км2 в год! Так что мы с вами живем на краю самой мощной в глобальном масштабе фабрики кислорода! Впрочем, как вы понимаете, желательно, чтобы кислород в атмосфере тоже не накапливался, а оставался на постоянном уровне. В этом смысле леса, луга и океаны – это действительно легкие планеты. Они функционируют как буфер – автоматически отдают и забирают кислород и углекислый газ, поддерживая их концентрации на постоянном уровне, в силу того что так устроена биосфера как саморегулирующаяся система, находящаяся в состоянии устойчивого динамического равновесия. Мы с вами, по сути, коснулись цикла углерода и кислорода в биосфере, который представляет собой пути циркуляции этих элементов между живым веществом, атмосферой, океаном и литосферой (земными недрами). Не менее важны и другие циклы, например цикл азота. Не будем сейчас углубляться в эти вопросы. Обычно они разбираются в рамках науки экологии. Имеется в виду то, что в течение сотни лет называлось экологией, – наука о взаимодействии живых организмов друг с другом и средой своего обитания, биотической и абиотической. Экология - это экономика природы, наука о тех взаимосвязанных системах, которые формируют сообщества разных живых существ, связанных между собой потоками вещества и энергии, прямыми и обратными связями. Употребление слова «экология» для обозначения чего-то вроде науки о вкусной и здоровой пище или гигиены, т. е. системы взглядов на здоровую среду обитания человека, без мутагенов и тяжелых металлов, возникло в среде средств массовой информации, отличающейся постоянным уровнем универсальной некомпетентности. Но, приобретя политическую окраску в обществе, такое понимание вернулось в науку и было ей навязано, так как получение финансирования под проекты зависит от идей, циркулирующих в обществе и от употребления слов в их вульгарном, а не точном значении. Единственное, что может оправдать так называемое «современное» употребление слова «экология», – его этимология, так как в вольном переводе с греческого это означает «наука о доме». Экология обычно рассматривается в обзорных курсах биологии в самом конце как наука о максимально широких биологических системах, включающих все остальные. Тем не менее, рассуждая о химических основах жизни, необходимо начать со слов о химии внешней для жизни среды, которая, с одной стороны, определяется уникальными свойствами планеты Земля, а с другой – сама в огромной степени создана жизнью. Причем жизни пришлось специально приспосабливаться к собственному созданию, что в конечном счете вылилось в огромное повышение ее собственной эффективности, т. е. к интенсификации энергетических потоков и повышению структурной сложности и разнообразия. В статье «Венера» в википедии можно найти два любопытных утверждения: 1) «У Венеры самая плотная среди прочих землеподобных планет атмосфера, состоящая главным образом из углекислого газа. Это объясняется тем, что на Венере нет никакого и органической жизни, которая могла бы перерабатывать его в биомассу.» 2) «Известно, что основной серосодержащий газ на Венере - это двуокись серы. Но когда мы начинаем моделировать химию атмосферы на компьютере, то выясняется, что двуокись серы должна быть «съедена» поверхностью в течение геологически короткого времени. Этот газ должен исчезнуть, если нет какой-то постоянной подпитки. Её приписывают, как правило, вулканической активности» (Д. Титов). Не напоминает ли вам ситуация с двуокисью серы на Венере таковую с кислородом на Земле? Двуокись серы – тоже очень хороший окислитель, и он снова присутствует в атмосфере в огромных количествах и вдалеке от химического равновесия. А активного современного вулканизма на Венере до сих пор не найдено. Не поступает ли двуокись серы из того же источника, в котором расходуется? Не означает ли это, что там имеет место глобальный (вернее, венеральный) геохимический (вернее, венохимический) цикл серы/кислорода, который, возможно поддерживает какая-то другая, неорганическая (возможно, кремниевая или смешанная кремнеуглеродная) форма жизни, способная существовать при высоких температурах в среде серной кислоты? Элементный состав живого вещества Переходя от внешней химии к химии внутренней, в первую очередь коснемся элементного состава. В приведенной ниже таблице представлено процентное содержание элементов в живых организмах. Элемент В живых организмах В земной коре В морской воде Кислород 65–75 49,2 85,8 Углерод 15–18 0,4 0,0035 Водород 8–10 1,0 10,67 Азот 1,5–3,0 0,04 0,37 Фосфор 0,2–1,0 0,1 0,0003 Сера 0,15–0,20 0,15 0,09 Калий 0,15–0,40 2,35 0,04 Хлор 0,05–0,10 0,2 0,06 Кальций 0,04–2,00 3,25 0,05 Магний 0,02–0,03 2,35 0,14 Натрий 0,02–0,03 2,4 1,14 Железо 0,010–0,015 4,2 0,00015 Цинк 0,0003 > 0,01 0,00015 Медь 0,0002 > 0,01 > 0,00001 Йод 0,0001 > 0,01 0,000015 Фтор 0,0001 0,1 2,07 В живых организмах обнаруживаются практически все элементы, встречающиеся на земной поверхности – около 80. В отношении 26 из них известно, что они вовлечены в структуру и функцию организма и необходимы ему. Их называют биогенными элементами. По содержанию биогенные элементы принято делить на макроэлементы и микроэлементы, хотя это деление условное; 96 % массы живых организмов обеспечивают кислород, углерод, водород и азот. Добавление фосфора и серы исчерпывает 99 % массы. Как мы сейчас увидим, они действительно составляют необходимую основу химизма жизни, так как являются обязательными элементами биополимеров. Помимо этих шести, к макроэлементам относятся кальций, натрий, калий, магний и хлор, так что всего макроэлементов 11. К микроэлементам относят те 15 элементов, общее количество которых составляет менее 0,1 % массы тела. Все они необходимы для жизнедеятельности. Это железо, кобальт, медь, цинк, хром, молибден, марганец, кремний, фтор, йод, никель, ванадий, олово, мышьяк, селен. Содержание элементов в организме существенно отличается от такового в окружающей среде. Хотя это еще вопрос, что считать окружающей средой – воду, воздух или землю. Но оно отличается от всех трех. Насчет воды и воздуха понятно. В почве содержится около 33 % кремния, тогда как в растениях его лишь 0,15 %. Кислорода в почве – около 49 %, в живых организмах – около 70 %. Наконец, живые существа отличаются от среды прежде всего повышенным содержанием углерода. Но можно все же сказать, что ключевыми элементами в структуре жизни являются три – углерод, кислород и водород. Кислород с водородом имеют первостепенную важность, кроме всего прочего, как составные части воды, а вода – как универсальная среда для собственно живого вещества, которое представляет собой прежде всего соединения углерода. Химические связи Для того чтобы двигаться дальше, нам сейчас придется вспомнить, какие бывают виды химических связей. С большей частью из них мы встретимся очень скоро. Самая прочная связь – ковалентная, когда два электрона заполняют общую орбиталь вокруг двух ядер, которые оказываются связанными силами притяжения между каждым из них и этими двумя общими электронами. Все помнят, что такое электронные орбитали? Это устойчивое состояние, в котором может находиться электрон по отношению к одному, двум или более атомным ядрам. Оно характеризуется определенной конфигурацией электронной плотности и может быть представлено в виде некоего облака, сгущающегося к ядру (причем на бесконечных расстояниях от ядра электронная плотность не становится тождественно равной нулю). Что такое электронная плотность? Грубо говоря, это вероятность нахождения электрона в той или иной точке пространства относительно атомного ядра. Движение электрона невозможно описать в привычных нам терминах координаты и скорости, так как в силу принципа неопределенности Гейзенберга невозможно получение сколь угодно точной информации об обоих этих параметрах. Это отражает тот факт, что электрон – это не только частица, но и волна, у которой нет точной координаты. Поэтому и вводится электронная плотность в виде некоей характеристики присутствия электрона в пространстве вокруг ядер. На одной орбитали может находиться 0, 1 или 2 электрона, в последнем случае – с разными спинами. Спин – это некая характеристика электрона, связанная с его движением и имеющая отдаленную аналогию с вращением вокруг оси движения – по или против часовой стрелки. Если вам так больше нравится, можете проводить другую аналогию: электроны могут составлять пары мужчина – женщина и вместе занимать одну жилплощадь (отличие здесь в том, что любой электрон, чтобы заполнить уже занятую орбиталь, принимает противоположный пол, как люди в фантастическом романе Урсулы Легуин «Левая рука тьмы»). Мы будем иметь дело в основном с элементами второго и третьего периодов (водород не в счет), прежде всего – с углеродом, кислородом и азотом. Атом элемента второго или третьего периода может иметь на внешней электронной оболочке четыре электронные орбитали. Для описания общей электронной плотности этой оболочки существует несколько физических моделей (а именно – решений знаменитого дифференциального уравнения Шредингера в трехмерном пространстве), описывающих электронную плотность отдельного электрона. Можно представить, что орбитали организованы следующим образом: имеется сферически-симметричная sорбиталь и три обладающие осевой симметрией p-орбитали, расположенные в пространстве под углом 90 о друг к другу. Схематически s-орбиталь можно изобразить сферой, а p-орбиталь – чем-то вроде гантели с центром в атомном ядре. Схематическое изображение s- и p-орбиталей показано на рис. 2.1, вверху. Однако нужно заметить, что когда все орбитали заполнены (это имеет место у благородных газов), то общая электронная плотность атома зависит только от расстояния от ядра, и какие-либо «оси» не выделяются, т. е. три p-орбитали полностью дополняют друг друга в пространстве. Ту же самую электронную плотность можно получить в ином математическом представлении (другим решением уравнения Шредингера), если считать, что электроны расположены по четырем совершенно одинаковым орбиталям, направленным от ядра по четырем сторонам равноудаленным друг от друга способом, а именно к вершинам воображаемого тетраэдра с центром в ядре, под углом 105o28’ друг к другу. Каждая такая орбиталь является гибридом s- и p-орбиталей, данный вид гибридизации орбиталей называется sp3гибридизация. Фактически это просто другое математическое описание того же распределения электронной плотности. Можно также оставить одну p-орбиталь в покое, а сделать гибрид между s-орбиталью и двумя оставшимися p-орбиталями. Гибридные sp2-орбитали будут расположены в одной плоскости и направлены под углом 120 o друг к другу. Если мы вовлечем в гибридизацию только одну p-орбиталь, то получим две sp-орбитали, направленные строго в противоположные от ядра стороны. Гибридные орбитали также схематически представлены на рис. 2.1. Электронная плотность орбитали, общей для двух атомов, связанных одинарной ковалентной связью, описывается своими собственными уравнениями, но их решение приводит к такому результату, как если бы она складывалась из электронных плотностей одной из орбиталей от каждого из двух этих атомов. В случае двойной связи образуются две общие орбитали, в которые входят, соответственно, по две орбитали от каждого из атомов; в сулчае тройной связи образуется три общих орбитали. Напомним, что «негибридные» и разные гибридные орбитали в случае одного атома – это лишь разные математические модели, описывающие одну и ту же электронную плотность. Но когда атом вовлекается в ковалентные связи, т. е. образуются электронные орбитали, общие между его ядром и ядрами других атомов, то дело обстоит так, как если бы общие орбитали «образовывалась» из орбиталей одиночного атома того или другого определенного типа, а образующиеся связи располагаются под теми углами, под которым направлены соответствующие, гибридные либо негибридные, орбитали. Рассмотрим ковалентные связи на примере соединений атомов углерода друг с другом в минералах, представляющих собой чистый углерод. Углерод несет на внешней электронной оболочке четыре электрона, по одному в каждой из четырех его электронных орбиталей. Соответственно, каждая из этих орбиталей способна образовывать общую орбиталь с также частично заполненной (несущей один электрон) орбиталью соседнего атома, то есть вступать в ковалентную связь – углерод четырехвалентен. Собственно, этим и объясняется склонность его атомов образовывать сложные цепочки. Атом углерода, не вовлеченный в двойную или тройную связь, образует четыре одинаковые связи, расположенные максимально удаленным друг от друга способом, т. е. направленные к вершинам тетраэдра из его центра, так что угол между любыми двумя связями составляет 105 o28’. Таким образом, электроны на внешней электронной оболочке образуют общие орбитали с соседними атомами углерода, исходя из sp3гибридных орбиталей. Таковы связи между атомами углерода в алмазе, идеальная равномерная структура которого и определяет его твердость. Но под таким же углом расположены и связи, образуемые углеродом, к примеру, в сахаре. Углерод, вовлеченный в двойную связь, образует две другие связи в плоскости, под углом 120 градусов друг к другу и к двойной. При этом одинарные связи образуются орбиталями в sp2 гибридизации, а двойная связь – одной sp2-орбиталью и одной негибридной p-орбиталью. Таковы связи между атомами углерода в графите, который состоит из плоских слоев, где атомы углерода уложены как пчелиные соты. Углерод, вовлеченный в тройную связь, образует еще одну одинарную связь, направленную строго в противоположную сторону от тройной – она образована sp-гибридной орбиталью, а тройная связь – такой же орбиталью и двумя негибридными p-орбиталями. Существует и форма углерода, составленная из линейных цепочек атомов углерода, соединенных чередующимися одинарными и тройными связями – карбин, но эта форма синтетическая и не встречается в природе. (Карбин обладает проводимостью, резко усиливающейся на свету, и применяется в фотодетекторах). Одинарные связи – самый распространенный вид связей в живом веществе. Тройные связи там почти не встречаются. Двойные связи очень важны, так как чередующиеся двойные и одинарные связи (так называемые сопряженные связи) в цикле или цепочке образуют некую общую орбиталь, по которой электроны легко перемещаются. Более того, в них нельзя сказать, какие пары атомов углерода связаны одинарными связями, а какие – двойными, так как все p-орбитали объединяются в некие общие орбитали, на которых может находиться много электронов. Такие резонансные структуры очень распространены в связи с процессами преобразования и переноса энергии – в фотосинтезе, дыхании. (Они же существуют по обе стороны слоев графита, обеспечивая его высокую электричесвую проводимость.) Циклические молекулы с основой из 5–6 атомов углерода с чередующимися одинарными и двойными связями, образующие единую общую орбиталь с электронной плотностью над и под циклом, называются ароматическими соединениями. Помимо атомов углерода, в основу ароматических циклов могут входить и атомы азота, такие молекулы составляют важную основу нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и входят в состав белков. Перейдем от ковалентной к другой очень важной связи – ионной. Это соединение противоположно заряженных ионов, основанное на их взаимном электростатическом притяжении. Ионами называются заряженные атомы, имеющие либо лишний электрон (электроны) – отрицательно заряженные, либо недостаток электрона (электронов) – положительно заряженные. Легко теряют электроны металлы, поэтому они часто образуют ионную связь с атомами или молекулами, которые легко принимают электрон (допустим, с галогенами, кислотными остатками). Еще одну слабую, но важную связь можно найти в воде. Атом кислорода в составе воды имеет две заполненные электронные sp3-орбитали, на которых находятся две пары электронов с разным спином, и две незаполненные sp3-орбитали, на которых находится по одному электрону. Две незаполненные орбитали образуют химическую связь c двумя атомами водорода, а две заполненные занимают два оставшихся направления. Между этими двумя неподеленными парами электронов и ядрами водорода соседних молекул воды возникает электростатическое притяжение (вследствие того, что в электронной орбитали связи О-Н электронная плотность несколько сдвинута в сторону ядра кислорода, так что пложительный заряд ядра водорода не вполне компенсирован отрицательным зарядом электронов) и формируется некая довольно слабая связь, называемая водородной связью. Благодаря водородным связям молекулы воды связаны в рыхлые агрегаты, включающие то или иное количество молекул. Водородные связи свойственны не только воде, но и многим органическим молекулам, включающим OH- или NH-группы. Они имеют первостепенную важность для структуры и воспроизводства молекул ДНК и для пространственной организации молекул белков. Между молекулями вещества возможны более рыхлые ассоциации, называемые не связями, а взаимодействиями. В биологии встречается один из типов взаимодействия, который связан с водой, – гидрофобное взаимодействие. Это притяжение друг к другу неполярных органических молекул или их частей в полярной водной среде за счет общего невзаимодействия с молекулами воды. Молекулы воды притягиваются друг к другу, тем самым выталкивая неполярные молекулы из воды; это приводит к тому, что неполярные молекулы собираются вместе. Кроме того, существует некоторое притяжение электронов к ядрам атомов соседних молекул – так называемое Ван-дер-Ваальсово взаимодействие, которое возникает даже между в целом неполярными молекулами из-за того, что их электронная плотность флуктуирует и тем самым части молекулы на какие-то ничтожные мгновения приобретают положительные и отрицательные заряды, которые к тому же индуцируют друг друга у соседних молекул и заставляют их притягиваться друг к другу. Наконец, есть еще и так называемое стэкинг-взаимодействие между ароматическими группами, находящимися друг под другом. Стэкинг-взаимодействием связаны между собой стопки слоев в графите. Это же взаимодействие присутствует в молекуле ДНК, но это для нас сейчас не очень важно. Вода Главное свойство молекулы воды – полярность. Кислород присоединяет два атома водорода с помощью двух незаполненных электронных орбиталей, находящихся в sp3-гибридизации, соответственно между двумя связями О–Н существует угол, близкий к тетраэдрическому 105 o28’. Таким образом, два атома водорода несколько смещены в одну сторону. Ядро кислорода сильнее притягивает электроны, чем ядро водорода, поэтому электронная плотность смещается в сторону кислорода, так что часть молекулы со стороны кислорода оказывается отрицательно заряженной, а со стороны водорода – положительно заряженной. Тем самым молекула воды представляет собой диполь. Диполям свойственно ориентироваться в электрическом поле – атом кислорода притягивается к положительному заряду, атомы водорода – к отрицательному. Поэтому вода является полярным растворителем. Вещество, состоящее из ионов, связанных ионной связью, – электростатическим притяжением друг к другу (например, поваренная соль), попадая в воду, растворяется в ней, поскольку молекулы воды притягиваются к ионам своей противоположно заряженной частью, окружают (гидратируют) их, тем самым увеличивая расстояние между ионами и ослабляя силу электростатического притяжения между ними, и в результате отрывют их друг от друга. В жидкой фазе многие молекулы воды обратимо связаны друг с другом слабыми водородными связями. При нагревании воды часть тепла идет не на увеличение кинетический энергии молекул (т. е. не на повышение температуры), а на разрушение водородных связей. Поэтому вода отличается большой теплоемкостью. Водородные связи также придают ей большую теплопроводность и достаточную вязкость. Все эти свойства воды чрезвычайно важны с точки зрения того, что она является внутренней средой живых существ – они обеспечивают тепловую устойчивость и целостность живым организмам. Наконец, вода обладает еще одним совершенно уникальным свойством, которое делает пригодным для жизни большую часть поверхности нашей планеты, которая оказалась бы непригодной если бы этого свойства не было. Вода в твердой фазе – лед – имеет меньшую плотность, чем в жидкой. Ну и что, казалось бы? Но давайте вспомним, что наша планета, во-первых, на три четверти покрыта океанами и, во-вторых, на получает тепло от солнца и, частично, от процессов в собственных недрах и теряет тепло, излучая его в космос со своей поверхности. В высоких широтах бывает зима – время года, когда излучается больше тепла, чем поступает. Это излучение идет в основном с поверхности океанов, которая охлаждается до точки замерзания. Если бы лед был тяжелее воды, то он, образовавшись, опускался бы на дно, а на поверхность поступали более теплые ее слои, которые также бы охлаждались за счет излучения до точки замерзания и т. д. Мы имели бы эффективную конвективную систему теплоотдачи мирового океана, большая часть которого, при нашем расстоянии от Солнца, промерзла бы до дна. Но поскольку лед в реальности легче жидкой воды, он остается на поверхности, излучая за счет своей низкой температуры не очень много тепла. Более того, за счет своей невысокой плотности лед менее теплопроводен, чем жидкая вода, и тем самым создает своего рода «шубу» океана. В результате на поверхности планеты в целом сохраняется гораздо больше тепла, чем было бы если бы вода, подобно подавляющему большинству веществ, в твердой фазе была плотнее, чем в жидкой. Органические соединения В предыдущей лекции был сделан упор на технические аналогии. Сейчас мы их продолжим. Если мы посмотрим на то, как устроены технические объекты, то увидим крупные уникальные структуры, которые выполняются путем литья или ковки, – котлы, корпуса, затем структуры, выполняемые из плоских или линейных материалов стандартных параметров, – листовой металл, уголок, жесть, проволока, трубы, фанера, ткани – и, наконец, много жестко стандартизованных деталей, связанных с крепежом, – болты, гайки, заклепки, разъемы. Живые существа хотя иногда с виду и напоминают произведения техники, собраны целиком из мелких жестко стандартизованных деталей, органических молекул определенной структуры (нуклеотидов, аминокислот, моносахаридов). Это, в частности, позволяет им питаться друг другом. В этом отношении по своему устройству они более напоминают детский конструктор. Как вы знаете, химия делится на неорганическую и органическую. Органическая занимается соединениями углерода и некоторыми подобными им веществами. Неорганическая – соединениями всех остальных элементов. Причем органическая по объему гораздо больше неорганической. Это отражает способность углерода образовывать сложные и разнообразные соединения, прежде всего на основании легкости, с которой атомы углерода соединяются друг с другом, образуя цепочки. Как вы знаете, углерод четырехвалентен, а два атома углерода могут образовывать одинарную, двойную и тройную связи. Основа живого вещества – биополимеры, являющиеся макромолекулами, т. е. органическими соединениями с очень длинными молекулами, общей массой от тысячи до миллиарда атомных единиц. Биополимеры построены из стандартных структурных единиц – мономеров, представляющих собой более простые органические соединения в той или иной степени стандартной структуры. Образуя биополимеры, мономеры соединяются друг с другом одинарными ковалентными связями, причем одним из вовлеченных в них атомов всегда является кислород. Расщепление биополимеров всегда идет с затратой молекулы воды, которая расщепляется на атом водорода (H) и OH-группу, причем они присоединяются к атомам, ранее соединенным той самой связью, которая связывала мономеры – водород к атому кислорода, ОН-группа к атому углерода. Эта реакция называется гидролиз. Образование этой связи в ходе синтеза биополимеров – конденсации – всегда идет с затратой энергии и сопровождается отделением молекулы воды от двух соединяемых мономеров. О мономерах в составе биополимеров принято говорить как об остатках, например, говорят об остатках глюкозы (хотя этот остаток составляет почти всю молекулу), остатках аминокислот. По способу соединения мономеров биополимеры бывают линейные и разветвленные, а по характеру мономеров – регулярные, составленные из одинаковых мономеров или одинаковых сочетаний мономеров, и нерегулярные, составленные соответственно из разных мономеров, чередующихся нерегулярно. Основными типами биополимеров являются нуклеиновые кислоты, белки и углеводы. Жизнь, судя по всему, начиналась с нуклеиновых кислот, в современной жизни наиболее функционально важны белки, углеводы используются как резерв энергии и как строительный материал. Кроме того, очень важны такие классы веществ, как низкомолекулярные углеводы и липиды – также в качестве носителей энергии и строительного материала; у некоторых из них имеется и регуляторная роль. Проще всего устроены углеводы и липиды. Начнем с углеводов, которые позволят нам вспомнить несколько важных вещей. Углеводы Углеводы называются так потому, что кислород и водород присутствуют в них приблизительно в соотношении 1 атом кислорода к 2 атомам углерода, как в воде; на эти три атома приходится приблизительно по одному атому углерода, т. е. по общему элементному составу они представляют собой воду, на каждую молекулу которой добавлено по атому углерода. Элементарными единицами углеводов являются моносахариды – молекулы, основу которых представляет собой цепочка атомов углерода, соединенных одинарной ковалентной связью, к каждому из которых присоединен атом водорода и гидроксильная (спиртовая) группа –OH. Атом углерода, расположенный на одном из концов цепочки, имеет дополнительный водород, а на другом конце либо располагается альдегидная группа, либо кислород, соединенный углеродом двойной связью, смещается на один атом ниже, образуя кетонную группу, тогда как последний атом также имеет два водорода. Двойная связь углерод – кислород в альдегидной или кетонной группе может раскрываться, при этом кислород связывается со вторым с другого конца молекулы атомом углерода (с образованием простой эфирной связи, или гликозидной связи), который лишается водорода и спиртовой группы, т. е. от него отнимается молекула воды – идет внутренняя конденсация. Так моносахарид принимает циклическую форму. Моносахариды различаются по длине углеродной цепочки. Наибольшее значение в живом организме имеют пентозы и гексозы – моносахариды с 5 и 6 атомами углерода в цепочке. Два типа пентоз – рибоза и ее производное (за счет замены одной гидроксильной группы на водород) дезоксирибоза, структура которых показана на рис. 2.2, – являются одним из трех структурных элементов нуклеиновых кислот. А одна из гексоз – глюкоза – является главным межклеточным носителем энергии, в частности, в нашей крови. (А еще именно она делает виноград сладким.) Она же является важнейшим конструктивным элементом – из нее делаются такие несхожие по свойствам и роли полимеры, как крахмал и целлюлоза. Часто встречаются еще две гексозы – галактоза и фруктоза. Структура наиболее важных гексоз показана на рис. 2.3. Заметим, что все эти гексозы имеют одну и ту же общую формулу C6H12O6 и различаются только особенностями расположения атомов, т. е. являются структурными изомерами. Различие между галактозой и фруктозой связаны со смещением атома кислорода на соседний атом углерода. Но обратите внимание на различие между глюкозой и галактозой. Оно заключается в том, что у одного атома углерода водород и гидроксильная группа поменялись местами. Казалось бы, что стоит нарисовать по-другому! Но нужно учесть, что приведенные здесь схемы – это так называемые Фишеровы. Четыре связи от каждого атома углерода направлены к вершинам тетраэдра. Так что в реальности угол между любыми двумя образованными им связями составляет 105о28’, и углеродные цепочки данных молекул извилистые. Просто она спроецирована так, как если бы была прямой. Любая ковалентная связь допускает свободное вращение связанных атомов относительно нее. Но если ко всем четырем связям углерода присоединены разные вещи, мы не можем повернуть атом так, чтобы повернулись две его связи, но не повернулась третья. Такие атомы углерода называют асимметричными. Это лучше видно на пространственных схемах их циклических форм. Поэтому галактоза и глюкоза – разные вещества, которые нельзя превратить одно в другое без разрыва ковалентных связей. Они обладают разными свойствами и принимают участие в разных биологических процессах. Такие вещества называют пространственными изомерами, или стереоизомерами. Атом углерода, связанный двойной связью с кислородом, асимметричным не является, поскольку все его связи расположены в одной плоскости. Однако при замыкании в цикл рибозы и глюкозы этот атом становится асимметричным, и при этом возможно получение двух вариантов циклов, они обозначаются α и β. Это также структурные изомеры. Поскольку в растворе моносахариды способны переходить в циклическую форму и обратно, между α- и β-формами устанавливается равновесие, т. е. они присутствуют поровну. Но на этом разнообразие феномена изомерии не кончается, так как вариантом стереоизомерии является зеркальная, или оптическая изомерия, или хиральность. В этом случае молекулы являются зеркальным отображением друг друга (рис. 2.4). При мысленном вращении одного из циклов из него не получить другого, если только не вывернуть его наизнанку (молекулы такого не допускают.) На рисунке 2ю4 показаны зеркальные изомеры циклической формы глюкозы, однако они не зависят от внутренней кодненсации, остаются таковыми в линейной форме и каждый способен замыкаться в циклические α- и βформы. Вообще, возможность существования зеркальных изомеров с необходимостью возникает всегда, когда в молекуле имеется хотя бы один асимметричный атом. Асимметричный атом имеет свойство вращать плоскость поляризации поляризованного света, при этом зеркальные изомеры вращают его в противоположном направлении. Рассмотренные нами моносахариды имеют несколько асимметричных атомов углерода и поэтому существенно вращают поляризованный свет. Очевидно, что их зеркальные изомеры, взятые по отдельности, вращают поляризованный свет в разные стороны. Выделяют правовращающие (d) и левовращающие (l) зеркальные изомеры. Обозначения l и d связаны со следующим правилом описания регулярных полимеров: смотрим на атом углерода со стороны соседнего атома углерода и передвигаем взгляд по трем его остальным его связям в порядке продолжение цепочки – небольшая группа – водород. Если взгляд движется против часовой стрелки, то это d-атом, а если по часовой стрелке – то l-атом. Следует оговорить, что вращение поляризованного света не имеет биологического смысла, это обстоятельство всего лишь дает нам один из методов изучения стереоизомеров. Однако сама по себе зеркальная изомерия для биологических объектов очень важна. При синтезе веществ, обладающих зеркальной изомерией, «обычными» химическими методами, как правило, оба изомера образуются с равной вероятностью. Получающиеся растворы называются рацематами, они оптически инертны. В живых организмах всякое вещество синтезируется или расщепляется особыми инструментами в виде участков специальных веществ (ферментов) со специфической структурой расположения атомов (тех же углерода, кислорода, водорода, азота и т. д. ), т. е. как бы «вручную». При этом в каждом процессе производится или расщепляется только один стереоизомер. Существующие живые организмы во всех основных процессах используют только d-формы основных моносахаридов. Такой технический стандарт был принят в биологическом мире. Он позволяет использовать одни и те же молекулы в разных процессах с применением одних и тех же «технологических приемов». Он, в частности, позволяет есть друг друга. Теоретически можно помыслить одновременное использование обоих типов. Но это потребовало бы создания двух (и более) параллельных «технологических линий» для обработки тех же количеств вещества. Видимо, это было бы очень неэффективно. Одинаковость стандарта для всех живых существ есть свидетельство общности их происхождения. В случае хищников и сапрофитов общий стандарт с жертвой - это условие их существования. Стандарт является общим для всех моносахаридов. Это связано с тем, что различные биохимические процессы включают стадии одинаковой обработки одинаковых асимметричных атомов углерода. Какой именно вариант – l или d – оказался выбранным, это, по-видимому, было делом случая в момент формирования нашей конкретной формы жизни. Надо сказать, что как и всегда в тех случаях, когда в дело вмешался случай (извините за каламбур), вокруг данного вопроса возникает довольно много безосновательной философии, которая пытается объяснить это некими загадочными свойствами материи, поскольку всегда имеется прослойка людей, которые не согласны верить в то, что в природе много случайного, или даже вообще отказывают в существовании фундаментальной случайности. Покончив с моносахаридами, коснемся дисахаридов, которые, как можно догадаться из названия, сделаны из двух моносахаридов, посредством все той же простой эфирной связи углерод – кислород – углерод, которая в данном случае называется гликозидной связью. На рис. 2.5 представлены три важных дисахарида: сахароза, составленная из глюкозы и фруктозы в циклической форме, лактоза, составленная их глюкозы и галактозы, и мальтоза, составленная из двух глюкоз. Правильное химическое название сахарозы – альфа-глюко-пиранозил-бета-фрукто-фуранозид. Сахароза очень распространена в растениях и, как правило, именно она накапливается в их сладких частях. Лактоза является главным носителем энергии в молоке. А мальтоза – это важный промежуточный продукт расщепления крахмала. Углеводы служат основным источником энергии всех живых существ. При окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 ккал (17,16 кДж) энергии. При этом моносахариды используются для сиюминутных потребностей клетки в энергии, а полисахариды – в качестве ее долговременных хранилищ. Для транспорта из одних клеток в другие животные используют моносахариды, а растения – дисахариды. Полисахариды малорастворимы и обычно аккумулируются в специальных структурах. В клубнях картофеля, к примеру, до 90 % сухой массы составляет крахмал. А крахмал – это и есть основной энергозапас живых существ. Крахмал состоит из молекул альфа-изомера глюкозы в циклической форме, соединенных гликозидной связью. Растительный крахмал состоит из амилозы – линейного полимера, в котором молекулы глюкозы соединены друг за другом посредством 1-го и 4-го атомов (рис. 2.6), и амилопектина – полимера, в котором на каждые 25–30 глюкозных остатков встречаются разветвления за счет связей 1-го и 6-го атомов углерода. Животный крахмал – гликоген, устроен так же, как амилопектин, но разветвлен через каждые 11–18 остатков (рис. 2.6). Как вы знаете, крахмал легко соединяется с водой с образованием геля, хорошо вам известного в быту – это кисель и клейстер. Казалось бы, взять и поменять местами водород и гидроксильную группу у первого атома углерода, превратив тем самым альфа-глюкозу в бета-глюкозу, – какая безделица! Но линейный полимер бетаглюкозы представляет собой нечто совершенно нерастворимое в воде и несъедобное – целлюлозу. Целлюлоза – это важнейший строительный материал, главный компонент клеточных оболочек растений. Она составляет 50 % сухой массы всего живого вещества планеты, то есть около 1,2 трл т. Вы ведь знаете, где у нас используется целлюлоза? Это бумага и хлопчатобумажные ткани. А вот древесина состоит не только из целлюлозы, прочность ей придает лигнин – сложный полимер ароматических спиртов. Заметим, что целлюлоза все же может выступать и как источник энергии – ведь состоит она все-таки из мономеров глюкозы. Однако гидролизовать ее не так просто. Это научились делать некоторые бактерии и инфузории, а из многоклеточных животных – только моллюски. Но многие животные (тараканы, термиты, жвачные парнокопытные) «приручили» особых простейших, питающихся целлюлозой, и разводят их в своих желудках, куда доставляют целлюлозу, а сами питаются именно ими. Так что коровы, в общем-то, свирепые хищники – они постоянно пожирают астрономическое количество одноклеточных организмов. К важным полисахаридам относится также хитин. По химической структуре хитин близок к целлюлозе и отличается тем, что в состав его мономеров входит азот – гидроксильная группа при втором атоме углерода заменена на ацетиламиновую группу (рис. 2.7). Хитин – одно из самых прочных и не поддающихся химическому и физическому расщеплению веществ. Он является основой кутикулы (внешнего скелета) членистоногих и клеточной стенки грибов и диатомовых водорослей. По распространенности в природе хитин уступает только целлюлозе. Его производство животными организмами в мировом океане оценивается в 2,3 млрд т в год. Олигосахариды (молекулы, состоящие из немногих мономеров) различной структуры участвуют в самых разных биологических процессах. Часто это нерегулярные олигомеры, т. е. состоящие из нескольких разных моносахаридов. Определенной структуры олигосахарид находится на поверхности эритроцитов и определяет группу крови. В организме содержится много олигосахаридов, находящихся в комплексе с белками (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды). Липиды Липиды – это достаточно простые, но очень важные соединения. Во-первых, к липидам относятся жиры, представляющие собой еще более эффективный резерв энергии, чем углеводы. Кроме того, они выполняют функцию теплоизоляции. Во-вторых, липиды являются основой любой клеточной мембраны, т. е. совершенно необходимы для структурной организации живых существ. В-третьих, некоторые липидоподобные вещества являются гормонами или другими энергетически активными веществами. Само слово происходит от греческого «липос» – жир и означает «жироподобные». Их объединяет свойство не растворяться в воде – это более или менее гидрофобные соединения. Это означает, что в них содержится мало кислорода, который поляризует прилежащие участки молекулы и тем самым делет ее водорастворимой; то есть по химическому составу липиды близки к углеводородам. Липидами в строгом смысле называются жирные кислоты и их производные. Жирные кислоты – это органические кислоты, в которых к карбоксильной группе присоединена длинная углеводородная цепь. У животных и растений она линейная и содержит 14–22 атома углерода (рис. 2.8), у бактерий бывают разветвленные жирные кислоты. Если все связи между углеродами одинарные, то такие жирные кислоты называют насыщенными, если встречаются двойные – то ненасыщенными. Самые известные липиды – это жиры и масла. Они являются триглицеридами. Их структурной основной является глицерин – трехатомный спирт (цепочка из трех атомов углерода, к каждому из которых присоединено по спиртовой группе -ОН). Каждая его гидроксильная группа образует сложный эфир с жирной кислотой – это и будет жир или масло (рис. 2.9). Жирами называют триглицериды с насыщенными жирными кислотами, которые затвердевают при комнатной температуре, масла включают ненасыщенные жирные кислоты и при комнатной температуре остаются жидкими. Окисление жиров дает в 2 раза больше энергии, чем окисление углеводов – 8,4 ккал. (38,9 кДж) / г. Они представляют собой очень эффективный энергетический резерв. Собственно, это видно уже из строения их молекул, значительная часть которых представляет собой простые углеводороды – такие, из которых состоит мазут. В запасающих жиры тканях их содержание составляет до 90 %. Заметим, что в ходе окисления жиров образуется довольно много воды – 107 г на 100 г жира. Так что они являются источником не только энергии, но и эндогенной воды. Собственно, именно за этим «корабль пустыни» верблюд и имеет жировой горб (горбы) Пожалуй, еще важнее жиров фосфолипиды, которые менее известны широкой публике. От жиров они отличаются тем, что только к двум гидроксильным группам глицерина присоединены жирные кислоты, а к третьей присоединен остаток фосфорной кислоты, к которому в свою очередь прикрепляются различные низкомолекулярные полярные азотосодержащие органические соединения (рис. 2.10). Вместе с остатком глицерина он образует полярную, или гидрофильную, «головку» молекулы, а два остатка жирных кислот – ее неполярный, гидрофобный хвост. В воде такие липиды образуют мицеллы – агрегаты, у которых гидрофобные хвосты направлены к центру, а гидрофильные головки – наружу, где они контактируют с водой. Они могут образовывать также пузырьки, где гидрофильные головки направлены в обе стороны от гидрофобной пленки. Именно такая структура является основой биологических мембран. Таким образом, фосфолипиды ограничивают от внешнего мира любую живую клетку. К липидам относятся также воска – сложные эфиры одиночных жирных кислот и одноатомных спиртов с длинной углеводородной цепочкой. По элементному составу и свойству гидрофобности к липидам близки терпены – вещества, образующиеся за счет пятиуглеродного углеводорода изопрена. В частности, к терпенам относится семейство стероидных гормонов, играющих важнейшую роль в регуляции жизнедеятельности организмов (рис. 2.11). Лекция 3. БЕЛКИ Наконец мы приступаем к одному из двух классов биополимеров, на которых зиждется жизнь на Земле в той форме, в которой мы ее знаем. Не факт, что на заре становления жизни те же два класса играли столь же важную роль. Скорее всего какой-то из них был первичен, а какой-то приложился позже. Более того, тогда важная роль могла принадлежать и каким-то другим сложным веществам, которые могли даже не относиться к органическим. Одна из серьезных теорий происхождения жизни утверждает, что органическая жизнь возникла как своего рода паразит на «жизни» сложных глин – цеолитов (основу которых составляет соединение кремния с кислородом и водородом), а потом смогла оторваться от породившего ее носителя и приобрести самостоятельное существование. Однако мы с вами знакомимся с той жизнью, к которой принадлежим мы сами, а другой сейчас и нет. Поэтому заявим утвердительно, что основу жизни на Земле составляют белки и нуклеиновые кислоты. Видимо, белки были вторичны по отношению к нуклеиновым кислотам. И мы сейчас займемся белками. Мир белков поражает простотой и логичностью устройства и эффективностью и разнообразием достигаемых результатов. Белки – это линейные нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Вернее, этому определению соответствует строгое понятие полипептиды. Под белками понимаются функциональные молекулы, которые могут состоять из одного полипептида, нескольких полипептидов – одинаковых или разных, или включать в качестве дополнения к полипептидам какое-то другое вещество – олигосахарид, нуклеотид (это элемент нуклеиновых кислот – об этом позже) или что-то еще. Но в любом случае основой любого белка являются полипептиды. Итак, полипептиды состоят из аминокислот. Аминокислотой называется органическая молекула, включающая как кислотную группу -СООН, которая в растворах с нормальной кислотностью заряжена отрицательно, так и аминогруппу -NH2, которая при нормальной кислотности заряжена положительно. (Давайте привыкать изъясняться так, как принято в химии: кислотность раствора измеряется величиной pH, которая представляет собой минус десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода. Так называемое нейтральное значение pH, соответствующее чистой воде, – около 7. Это значит, что в литре воды находится 10-7 молей ионов водорода. В одном моле содержится 6 х 10 23 (число Авогадро) молекул, значит в одном литре чистой воды присутствует 6 х 10 16 ионов водорода. Кислой среде соответствуют значения pH равные 1–3, щелочной – 9–10.) Получается, что при нормальной pH молекулы аминокислот несут на разных своих концах одновременно и положительный, и отрицательный заряд (такие молекулы называются цвиттер-ионами). Однако в составе белков обе эти группы задействованы в связях между соседними аминокислотами, и заряда они не имеют. У аминокислот, входящих в состав белков, и кислотная, и аминогруппа присоединены к одному и тому же атому углерода. Такие вещества называются альфааминокислотами. У этого атома углерода остаются две свободные связи, одна из которых занята водородом, а вторая несет нечто называемое боковым радикалом. Таким образом, мы, между прочим, снова имеем асимметричный атом углерода, обладающий свойством хиральности (оптической изомерии), что показано на рис. 3.1. Как вы помните, в живых организмах встречались почти исключительно d-формы сахаров. Таким же точно образом аминокислоты в них тоже представлены только одним типом оптических изомеров, однако в данном случае – левовращающими, или l-формами. В составе белков встречаются только альфа-l-аминокислоты, различающиеся строением боковых радикалов. В большинстве учебников вы найдете, что аминокислот в белках всех известных организмов встречается ровно 20. И это почти верно. Все они представлены на рис. 3.2. Аминокислоты делятся на две большие группы – неполярные, или гидрофобные и полярные, или гидрофильные, в зависимости от того, имеется ли у их боковых радикалов дипольный момент (т. е. поразному заряженные участки). У неполярных аминокислот радикалы составлены из углерода и водорода, у полярных в них содержится также кислород, азот или сера. Кроме того, аминокислоты можно подразделять и по другим принципам. Найдите на рис. 3.2 все перечисленные ниже аминокислоты и соотнесите упомянутые их свойства со строением молекулы. Прежде всего мы видим простейшую аминокислоту глицин с «нулевым» боковым радикалом – обе свободные связи углерода заняты у нее водородом. (Следовательно, эта аминокислота не имеет оптических изомеров.) Мы также видим пролин, у которого боковой радикал замкнут в кольцо на аминогруппу. Строго говоря, это не аминокислота, а иминокислота. Важной особенностью пролина является то, что он резко изгибает полипептидную цепь. Далее идет группа алифатических аминокислот – аланин, валин, лейцин и изолейцин. Их боковые радикалы представлены простыми углеводородами. Неполярной является также аминокислота фенилаланин, которая несет ароматическое бензольное кольцо. (Можно особо выделить класс ароматических аминокислот, которые будут включать неполярную и несколько полярных аминокислот.) Переходим к полярным аминокислотам. Аминокислоты со спиртовой группой – серин, треонин. Аминокислота тирозин одновременно и ароматическая, и «спиртосодержащая», она несет фенольную группу. Еще две ароматические аминокислоты, содержащие циклы с участием азота, – триптофан и гистидин. Серосодержащие аминокислоты – метионин и цистеин. Цистеин очень важен как элемент структуры – боковые радикалы двух не находящихся по соседству цистеинов способны терять водород с образованием связи –S–S–. Эти так называемые S–S-мостики – единственный вид ковалентной связи, которая может соединять разные полипептиды или удаленные участки одной полипептидной цепи. Очень важны аминокислоты, боковые радикалы которых в нейтральных растворах несут заряд. Положительно заряженные аминокислоты – лизин и аргинин, отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Амиды этих кислот – аспарагин и глутамин – также находятся среди биологических аминокислот, они полярны, но не заряжены. Почему именно 20 и почему именно эти 20? Ответа на этот вопрос не существует. Так получилось. Увы, это самый верный ответ практически для всех вопросов по биологии, когда какой-то другой ответ не самоочевиден. Этих 20 оказалось достаточно для построения белков с практически неограниченными функциональными возможностями. Скорее всего разнообразие боковых радикалов даже несколько избыточно, так как многие аминокислоты способны заменять друг друга. И аминокислоты скорее всего могли быть и какими-то другими (кроме самых простых), лишь бы были представлены основные их химические классы. На самом деле аминокислот «чуть больше» 20. Некоторые аминокислотные радикалы уже после синтеза белка химически модифицируются и превращаются в несколько другие. Так, в коллагене (белке связок – он же желатин) содержатся в значительных количествах гидроксипролин и гидроксилизин – результат модификации соответственно пролина и лизина. Наконец, недавно обнаружилось, что у всех животных в некоторых белках используется аминокислота селеноцистеин – аналог цистеина, в котором сера заменена на селен. Причем это «законная» аминокислота. Как и у 20 канонических аминокислот, информация о ней записана в ДНК, хотя и несколько другим способом, и в тех белках, где эта кислота используется, она не может быть заменена на другую. (А используется она, в частности, в ферменте, который отщепляет атом йода в метаболизме гормонов щитовидной железы.) Наш организм способен расщеплять некоторые аминокислоты в целях извлечения энергии. При их недостатке реакции расщепления этих аминокислот могут быть обращены в сторону их синтеза. Остальные аминокислоты наш организм делать не умеет и должен получать с пищей. Это так называемые незаменимые аминокислоты. У разных животных набор незаменимых аминокислот несколько различен. У человека незаменимых аминокислот ровно половина – 10: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Растения и микроорганизмы умеют синтезировать все аминокислоты. Аминокислоты объединяются (конденсируются) в белки следующим образом. Один из двух водородов аминогруппы одной аминокислоты и –OH из гидроксильной группы другой аминокислоты отщепляется с образованием молекулы воды, а соответствующие атомы углерода и азота связываются друг с другом с образованием амидной, или пептидной, связи. Это прочная ковалентная связь. Она, между прочим, задействована в капроне, который тоже является полимером определенной аминокислоты, которая, впрочем, состоит из аминокислот (но не альфа-аминокислот). На рис. 3.3 представлен фрагмент пептида – цепочка из аминокислотных остатков, связанных пептидной связью: Как правило, все свойства полипептида, включая его пространственную укладку, полностью определяются последовательностью аминокислотных остатков, соединенных в линейную цепочку пептидной связью – его первичной структурой. Таким образом, любой полипептид можно полностью задать словом, длина которого равна количеству аминокислотных остатков и в котором используется 20 букв, каждая из которых соответствует одной аминокислоте (забудем пока для простоты про селеноцистеин). Этот простой, «буквенный» способ хранения и передачи информации и задействован в живых организмах – вся информация о первичной структуре белков содержится в ДНК, а ее главная функция как раз и состоит в хранении и передаче именно этой информации. Заметим, что можно построить 20n полипептидов длиной n. Причем, если буквы написать в прямом и строго обратном порядке, это не будет один и тот же пептид, так как концы его будут различаться: в одном случае это свободная кислотная группа, в другом – аминогруппа. Это очень большое число! Допустим, для пептида длиной в 100 аминокислотных остатков – а по биологическим меркам это будет очень короткий пептид – оно составит приблизительно 1,27 х 10130. Так что в практическом отношении разнообразие белков безгранично. Каждая полипептидная цепь более или менее характерным образом организована в пространстве. За эту организацию ответственны не пептидная связь аминокислотных остатков, а иные связи и взаимодействия. Прежде всего, атом водорода, связанный с атомом азота, вовлеченным в пептидную связь, может образовывать водородную связь с атомом кислорода, также вовлеченным в пептидную связь, но в другом месте. Эти связи укладывают полипептидную цепь определенным образом. Такая укладка за счет водородных связей между амино- и карбоксильными группами, участвующими в формировании пептидной связи, называется вторичной структурой. Когда принципиальное устройство белков было выяснено, ученые начали строить модели вторичной структуры и нашли два удачных варианта, в которых водородные связи образовывали регулярную вторичную структуру, которая, казалось бы, могла неограниченно продолжаться (рис. 3.4). Одна из них – спиральная (так называемая альфа-спираль), другая – плоская (так называемые бета-складки). Однако оказалось, что боковые радикалы многих аминокислотных остатков вносят такие возмущения во вторичную структуру, что в реальных белках встречаются только довольно небольшие фрагменты альфа-спиралей, а бета-складки реализуются редко и только при определенном аминокислотном составе. Следующий уровень оганизации белков – их третичная структура – общая укладка полипептидной цепи в пространстве. Она целиком определяется боковыми радикалами аминокислот. Прежде всего это касается остатков цистеина, которые, как сказано выше, способны образовывать ковалентную S–S связь. Это единственная ковалентная связь, участвующая в формировании третичной структуры белков, все остальное достигается другими способами. Радикалы неполярных аминокислот в водной среде имеют тенденцию слипаться друг с другом (за счет упоминавшихся в предыдущей лекции гидрофобных взаимодействий). Такое слипание сворачивает белок в глобулы – некие компактные образования. Неполярные же радикалы заякоривают белки в гидрофобном слое клеточных мембран. Участки, богатые полярными аминокислотами, в водной среде, наоборот, стремятся развернуться как можно сильнее – за счет этого они обычно не имеют устойчивой третичной структуры. Однако между некоторыми полярными радикалами возможны водородные связи. Наконец, если белок включает несколько полипептидных цепей, одинаковых или разных, которые объединяются друг с другом (при помощи тех же взамодействий боковых радикалов аминокислот), то это называется четвертичной структурой белка. На рис. 3.5 схематически показана третичная и четвертичная структура белка гемоглобина. Это белок из красных кровяных телец, который обратимо связывается с кислородом и переносит его с током крови. В виде красной пластинки изображен так называемый гем – комплексная молекула с ажурным органическим каркасом и атомом железа посередине. Именно гем и связывает молекулу кислорода. Гем ковалентно присоединяется к полипептидной цепи, называемой глобин. Существует несколько типов глобинов, два из которых участвуют в создании гемоглобина. Четыре полипептидных цепи глобина, по две двух типов, каждая будучи связанной с гемом, формируют тетрамер, которым, собственно, и является гемоглобин. Как видим, вторичная структура белков образована слабыми водородными связями, а в третичной и четвертичной только S–S-мостики представляют собой ковалентные связи, остальное же определятся опятьтаки слабыми водородными связями и гидрофобными либо ионными взаимодействиями. Все эти слабые связи легко разрушаются при нагревании. Потеря белком своей вторичной, третичной и четвертичной структуры называется денатурацией. Денатурация бывает обратимой и необратимой. Обратимая восстанавливается при возвращении температуры в норму, необратимая – нет. Все, что связано с приготовлением мясной пищи, – это необратимая денатурация белков. Приготовление творога – тоже необратимая денатурация, сопровождающаяся склеиванием молекул казеина, – коагуляцией. Денатурацию может вызвать не только нагревание, но и, к примеру, изменение ионного состава среды. Белки бывают большие и маленькие. Некоторые водорастворимые белки невелики – всего около сотни аминокислот. Рекордсменом среди белков, синтезируемых в виде единой полипептидной цепи, является титин. Он состоит из 26 926 аминокислотных остатков (молекулярная масса – 2 993 килодальтон, а 1 дальтон – это приблизительно масса нуклона, т. е. протона или нейтрона). Причем в момент синтеза его длина составляет 34 350 аминокислотных остатков, но после синтеза он определенным образом укорачивается. Эта полипептидная цепь в длину превосходит 1 микрометр. (Кстати, если кто-то еще не вник в то, какой мелочью мы занимаемся, тот может прикинуть длину полипептида в 100 аминокислотных остатков – в 270 раз меньше!) Это важный компонент поперечнополосатой мускулатуры, своеобразные пружины, которые обеспечивают мышцам остаточное натяжение покоя. Кстати, его полное химическое название состояло бы из 189 819 букв и, по-видимому, являлось бы самым длинным словом в европейских языках. Мы помним, что строение углеводов имеет разные особенности, которые очень плохо ложатся на обыденный человеческий ум: при каком атоме находится кислород с двойной связью; как именно образуется циклическая форма, как направлены все четыре гидроксильные группы относительно цикла; какие атомы углерода вовлечены в гликозидную связь. Все это требует достаточно сложных описаний и схем, особенно в случае нерегулярных олигосахаридов. В то же время по своим физико-химическим свойствам углеводы не особенно разнообразны. Устройство же белков достаточно простое и логичное, но достигаемое разнообразие на практике мало отличается от бесконечного. Нужно запомнить 20 боковых радикалов аминокислот, а дальше можно просто записывать последовательность их чередования в виде последовательности букв, и свойства белка будут заданы. (Впрочем, условия «правильного» синтеза в клетке «помогают» многим белкам принять «правильные» третичную и четвертичную структуры, тогда как последовательность аминокислот предполагает возможность нескольких вариантов.) Приведем такую аналогию: работа с белками и углеводами отличается примерно так же, как игра на фортепиано и скрипке – в одном случае имеется одна клавиатура, в другом – параллельные струны с возможностью континуального извлечения разных тонов. При единообразном в своей основе устройстве белков их свойства могут быть самыми диковинными, а функции удивительно многообразны. Для простоты начнем с конца – со структурной функции. Какие вы знаете белки, выполняющие структурную (механическую или защитную) функцию? Пример, в буквальном смысле лежащий на поверхности. Кератин – белок, из которого состоят волосы, рога, копыта, ногти, роговой слой кожи, роговица глаза. Это вещи очень прочные и химически инертные – ни в чем не растворимы, гидролизовать крайне трудно. Разве что горят. Полипептидная цепь кератина свернута в правую альфа-спираль. Две такие молекулы закручиваются в левую суперспираль. Такие суперспирали, в свою очередь, соединяются попарно и получается протофибрилла, и 8 протофибрилл образуют фибриллу. В составе коллагена очень много цистеина – единственной аминокислоты, которая, как вы помните, формирует ковалентные сшивки между разными полипептидными цепями. Далее вспомним произведения искусства членистоногих – шелк и паутину. Их образует фиброин – тоже очень прочный белок. В структуре этого белка большую роль играют бета-складки. Коллаген и эластин – белки, которые формируют соответственно нерастяжимые и эластичные нити в межклеточном веществе соединительной ткани. Они придают прочность внутренним органам, из них состоят связки. Аминокислотный состав коллагена также довольно необычен; 33,5 % составляет самая простая аминокислота – глицин, 11 % – следующая по простоте алифатическая аминокислота аланин, 10 % – иминокислота пролин, которая резко изгибает полипептидную цепь, а еще 9 % приходится на модификацию пролина – гидроксипролин. В его последовательности многократно повторен мотив «глицин – пролин – Х», где Х чаще всего представлен аланином или гидроксипролином. Молекулы коллагена формируют трехспиральные нити, причем они располагаются так, что эти нити могут продолжаться неограниченно долго. При кипячении трехспиральная структура частично разрушается (денатурирует), освободившиеся молекулы связывают довольно много воды. Мы получаем хорошо нам известный желатин, столь не похожий по своим физическим свойствам на коллаген. Упоминавшийся выше титин также является структурным белком. Менее общеизвестны, но еще более важны и универсальны белки, обеспечивающие внутриклеточную структуру. Белки образуют так называемый цитоскелет, поддерживающий форму клетки и взаиморасположение ее частей. Положительно заряженные гистоны взаимодействуют с отрицательно заряженной ДНК и формируют так называемый хроматин – нуклеопротеиновый комплекс, из которого состоят хромосомы. Белки принимают участие в формировании клеточных стенок бактерий (которые в основном образованы полисахаридами). Белки, которые формируют оболочку вирусов, также относятся к белкам со структурной функцией. Белки, несущие положительно и отрицательно заряженные аминокислоты, тем самым попадают в класс амфотерных веществ. Такие вещества имеют свойства буфера – они способствуют стабилизации рН раствора. Поступающие в среду ионы водорода связываются с остатками отрицательно заряженных в норме аспарагиновой и глутаминовой кислот, вместо того чтобы повышать кислотность среды. ОН-ионы, наоборот, забирают протон от положительно заряженных аминогрупп лизина и аргинина, вместо того чтобы нейтрализовывать ионы водорода и тем самым создавать щелочную реакцию. В этом состоит одна из важных функций белков – буферная. К буферной близки еще две функции – по удержанию влаги в условиях ее недостатка (у растений для этого есть специальные белки – дегидрины) и по предотвращению замерзания внутриклеточной среды при низкой температуре (т. е. функция антифриза). Эти функции выполняют белки, состоящие в основном из полярных аминокислот. При помощи водородных связей они связывают большое количество молекул воды, предотвращая их испарение или кристаллизацию. Функция питательного ресурса. В организме белки как правило не используются в качестве энергетического резерва. Это было бы крайне нерационально, все равно как использовать нефть в качестве топлива. Однако питательный белок содержится в молоке. Как вы понимаете, растущему детенышу нужна и энергия, и материалы для построения своего организма, а он строится в основном из белков. Питательный белок молока называется казеин. Что любопытно, казеин – это то же самое, что столярный клей. Бесценный аминокислотный ресурс для одних может выполнять грубую механическую функцию для других. В семенах растений присутствуют так называемые запасные белки, которые также служат резервом готовых аминокислот для построения белков быстро растущего проростка. А в яйцеклетках животных большое количество аминокислот запасено в белках желтка. Транспортная функция. Мы уже упоминали гемоглобин. Это белок, который обратимо связывается с кислородом – при этом большая часть молекул оказывается связанной с ним там, где кислорода много и свободной от него там, где кислорода мало. На этом основан перенос кислорода в крови. Многочисленные, разнообразные и весьма сложные белки осуществляют перенос разнообразных веществ из одной части клетки в другую. Функция движения. Все движения в живом мире осуществляются белками. Определенные белки изменяют свою конформацию в ответ на определенные химические изменения. Актин и миозин, обеспечивающие мышечные сокращения, – белки. Жгутики бактерий и простейших также приводятся в движение белками. Но все перечисленные выше функции можно смело назвать второстепенными. Большинство из них появляются только у достаточно сложных организмов. Главная функция, которую выполняет большинство белков, в том числе и у самых просто устроенных организмов, – это ферментативная функция. В химии есть понятие – катализатор. Катализатор – вещество, облегчающее протекание какой-либо химической реакции. Само оно либо не принимает участия в этой реакции, либо в ходе сложной реакции восстанавливается. Суть в том, что оно в ходе реакции не расходуется. Катализаторы очень важны в химических технологиях, в особенности для реакций с участием газов, и обычно представляют собой вещества, часто с участием нескольких металлов, с очень развитой поверхностью. Биологические системы целиком основаны на химическом катализе, причем подавляющую часть биологических катализаторов представляют собой белки. Белки, обладающие каталитической функцией, называются ферментами или энзимами. Оба этих слова образованы от слова «закваска»: fermentum по-латыни и ζυμε – по-гречески, у нас больше прижилось слово «фермент», в английском – enzyme. Задачей каждого фермента служит осуществление одной (иногда более) химической реакции. Это может быть превращение двух молекул в одну, одной – в две или преобразование молекулы из одной в другую, т. е. осуществление некоей элементарной реакции. Но бывает, что ферменты осуществляют и очень сложные реакции, например удвоение цепи ДНК. Молекула или молекулы, вступающие во взаимодействие с ферментом и как следствие подвергающиеся химическим превращениям, называются субстратом (субстратами) данного фермента. Молекула или молекулы, возникающие в результате реакции, называются продуктами данной ферментативной реакции (почему-то не принято говорить «продукт фермента»). В любом случае каждый фермент специально рассчитан на определенную реакцию, т. е. субстратами для него служат какие-то строго определенные молекулы, либо семейства молекул, имеющих сходные или идентичные части. Таким образом, каждый фермент в той или иной степени специфичен. Как работает фермент? У каждого фермента есть как минимум один активный центр. Обычно это несколько строго определенных боковых радикалов аминокислот, расположенных в строго определенной пространственной ориентации по отношению друг к другу. Если они и располагаются рядом в пространстве, то совершенно не обязательно, что находятся рядом в полипептидной цепи, и, как правило, это совсем не так. Ориентация радикалов активного центра достигается укладкой всей белковой молекулы, так что часто длинные участки полипептидной цепи с более или менее жестко фиксированной последовательностью служат только для правильной ориентации нескольких строго определенных аминокислотных радикалов. Радикалы активного центра расположены так, что молекула субстрата обладает к ним сродством, образно говоря – подходит как ключ к замку. Как правило, это притяжение между определенными атомами субстрата и определенными атомами радикалов активного центра. Первая стадия ферментативной реакции состоит в связывании молекулы субстрата с активным центром. Обычно в результате связывания несколько изменяется конформация как фермента, так и субстрата, т. е. чисто механически меняется характер пространственной укладки их молекул. При этом определенные химические группы оказываются в таком взаимном расположении, что они должны прореагировать друг с другом, – это как раз и происходит. После такого химического превращения продукт (продукты) реакции освобождают активный центр. Таким образом, каждая ферментная реакция состоит из трех частей – формирование фермент-субстратного комплекса, химическое превращение субстрата в продукт и диссоциация продуктов и фермента. Часто реакция образования комплекса вполне обратима, а реакции превращения и диссоциации необратимы, но многие ферментативные реакции обратимы полностью. Если субстратов несколько, то реакция протекает сложнее, но по тем же самым принципам. Активный центр многих ферментов содержит вещества, которые не относятся к белкам. Они присоединяются к белку (обратимо или необратимо) уже после их синтеза. Если такие вспомогательные вещества пришиты к ферменту ковалентно, они называются простетическими группами, если ассоциированы обратимо (за счет ионных связей, к примеру) – кофакторами, или коферментами. Рассмотренный выше гем у гемоглобина – это простетическая группа. Коферментами является большинство наших витаминов. Наш организм (в отличие от растительного и бактериального) не умеет их делать сам и вынужден получать с пищей. Но их много и не надо, так как в ходе ферментативных реакций витамины не расходуются. Часть ферментативных реакций идет без затраты энергии. Это означает, что реакция переводит молекулы из менее энергетически выгодного в более энергетически выгодное состояние или же состояния до и после реакции энергетически эквивалентны. Однако самопроизвольно такая реакция не идет или идет крайне медленно из-за кинетических ограничений – вероятность, что молекулы субстрата случайно сориентируются таким образом и примут такую конформацию, что смогут прореагировать, необыкновенно низка (вплоть до того, что это практически невозможно). На самом деле формирование ферментсубстратного комплекса требует некоторых затрат энергии. Однако этот энергетический барьер (количество энергии, которое нужно затратить на производство комплекса) невелик и не превосходит энергию, выделяющуюся в результате реакции, а необходимая энергия поставляется простым тепловым движением молекул. Однако очень многие химические реакции идут с затратами энергии, т. е. переводят вещества из термодинамически более выгодных в менее выгодные состояния. Это означает, что для требуемого превращения веществ необходимо затратить работу, причем часто это чисто механическая работа по перемещению определенных химических групп в реакционноспособное состояние. Например, против электростатических сил или против сил упругости, возникающих при деформации той оптимальной конфигурации молекулы, которая определяется задействованными в ней химических связей. Энергия для этой работы должна быть привнесена в реакцию извне. Универсальным энергоносителем и конвертируемой валютой в биохимических процессах является так называемая АТФ (аденозинтрифосфат) – о ней несколько позже. Так вот, ферменты, осуществляющие реакцию с затратой энергии, имеют еще и специальный энергетический центр, который связывается с молекулой АТФ. Связав молекулу АТФ, активный центр отщепляет от нее одну или две фосфатные группы, а энергия, запасенная в связях фосфора с кислородом, идет сначала на изменение конформации молекулы фермента и его активного центра и как следствие этого изменения – на осуществление работы по превращению субстрата в продукт. Следовательно, такие ферменты катализируют сразу две сопряженные реакции – отщепление фосфатных групп от АТФ и свою специфическую реакцию, что сопровождается переносом энергии от первой реакции ко второй. Эти реакции согласованы, т. е. происходят только когда оба активных центра связаны с соответствующими субстратами. Наконец, у многих ферментов есть еще один центр, он связывается с веществом – конечным продуктом цепочки реакций, в которых данный фермент участвует. Связывание продукта меняет конформацию фермента и делает его нереакционноспособным, т. е. он ингибирует (подавляет) фермент. Таким образом происходит регулировка всего процесса по принципу отрицательной обратной связи – избыток конечного продукта тормозит реакцию на каких-то ранних стадиях. Ферменты принято называть по названию субстрата и реакции, которую они осуществляют, с прибавлением суффикса «аза». Поэтому где встретите какую-нибудь «Азу», значит, это фермент. По характеру катализируемых реакций ферменты можно разделить на шесть групп: – гидролазы осуществляют гидролиз; – лигазы сшивают две молекулы в одну; – трансферазы переносят химические группы с одной молекулы на другую; – лиазы отщепляют или присоединяют небольшие группы атомов (в частности, фосфорилазы отщепляют фосфатную группу, а киназы присоединяют); – изомеразы осуществляют перестройки внутри молекул. – оксидоредуктазы переносят электроны, окисляя один субстрат и восстанавливая другой; Эффективность ферментов как молекулярных устройств поразительна. Во всех учебниках приводится скорость работы фермента уреазы, который выделяется бактериями и расщепляет мочевину на углекислый газ и аммиак. Одна молекула фермента за секунду расщепляет 30 000 молекул мочевины. Самопроизвольное расщепление такого количества молекул при тех же «нормальных условиях» потребовало бы 3 млн лет. Таким образом, мы получаем представление о том, что такое биологический катализатор и как именно данный фермент ускоряет реакцию. К ферментам близки белки-рецепторы – белки, которые связываются с сигнальными веществами, например гормонами. Гормоны передают через кровь некий химический сигнал определенным клеткам. На поверхности этих клеток есть белки-рецепторы, которые связываются с гормоном и передают сигнал в клетку. Как и в случае с ферментом, здесь имеет место специфическое связывание субстрата с активным центром рецептора, что влечет за собой определенные изменения в рецепторе химического, электрического или механического характера, посредством которых сигнал передается дальше. Рецепторы участвуют в передаче возбуждения через синапсы – места контакта нервных клеток. Они связываются с медиаторами – веществами, передающими сигнал между клетками. Таким образом, нервный импульс, будучи в пределах одной нервной клетки электрохимическим явлением, передается на следующую клетку через чисто химического посредника. Бывают, однако, рецепторы не только к химическим сигналам, но и к физическим – свету, механическому напряжению. На них основан механизм действия органов чувств. Иммунная система человека основана на белках, которые необратимо связываются с чужеродными (иногда, к сожалению, и своими тоже) веществами, переводя их тем самым в неактивную форму. В основе их действия, как и в случае ферментов и рецепторов, лежит специфическое химическое узнавание и связывание. Принцип их действия тот же самый, но несколько проще – отсутствует момент химической трансформации субстрата, так как целью здесь является только его связывание. Поговорим еще о ферментах, имея в виду, что многое будет справедливо и для рецепторов. Работа каждого фермента рассчитана на определенные условия. Прежде всего, рН среды. Чтобы фермент имел рабочую конформацию, его полярные аминокислотные радикалы должны быть определенным образом заряжены. К примеру, если фермент рассчитан на нормальную рН, а его поместить в кислую, где много положительно заряженных ионов водорода, то остатки аспарагиновой и глутаминовой кислот потеряют свой отрицательный заряд и конформация молекулы изменится. Однако некоторые ферменты, допустим фермент пепсин, расщепляющий белки у нас в желудке, рассчитаны на крайне кислую среду. Крайне важный фактор – температура. Существует закон Аррениуса, согласно которому увеличение температуры на 10 о С ускоряет все химические процессы приблизительно в 2 раза. В принципе, ферментативные реакции подчиняются этому закону. Однако «правильная» структура фермента обеспечивается в том числе и довольно слабыми связями. В частности, очень велика роль водородных связей. При температуре выше «расчетной» эти связи начинают разрушаться – белок денатурирует. Таким образом, у каждого фермента существует температурный оптимум активности и температурный диапазон, часто достаточно узкий, в котором реакция в принципе возможна. У некоторых археобактерий, живущих в горячих источниках на дне океана (где еще и давление высокое), этот оптимум может находиться в районе 120 оС. Таким образом, ферменты – это специализированные и в высшей степени эффективные станки биологического конвейера, ответственные каждый за какую-то одну операцию. Работа конвейера тонко налажена, а результаты – поражают воображение. Достаточно вам посмотреть друг на друга и подумать, как такое возможно было сделать. И вот, к примеру, Вы – диверсант и перед Вами стоит задача сорвать данное производство. Как бы Вы стали это делать? Нет, есть способы похитрее, чем, подобно луддитам, разрушать их тотально (кстати, способ весьма трудоемкий). Все помнят анекдот про суровых русских мужиков? Которые подсовывали лом в японскую пилораму? Такой же лом можно подсунуть и в фермент. Это должно быть вещество, настолько похожее на субстрат, чтобы связаться с активным центром и в то же время достаточно на него не похожее, чтобы фермент не мог с ним ничего сделать. Тогда процесс заканчивается образованием фермент-субстратного комплекса, с которым далее ничего не происходит. Если такого вещества достаточно, чтобы блокировать большинство молекул фермента, ферментативная реакция останавливается. Это называется конкурентное ингибирование. Именно такими псевдосубстратами и является большинство ядов. В 1930–1940-е гг. было осуществлено замечательное издание «Флора Казахстана». Его редакторы в соответствии с тогдашней идеологией заботились о том, чтобы максимально охарактеризовать хозяйственное значение каждого растения. Читаем про аконит джунгарский. Хозяйственное значение: «Применяется в качестве отравы для волков». Читаем про аконит анторовидный. Хозяйственное значение: «Применяется как противоядие при отравлении аконитом джунгарским». Токсин аконита – это в основном алкалоид аконитин. Он связывается с белком, выполняющим функцию натрий-калиевого насоса, т. е. регулирующим концентрацию этих ионов внутри и вне клетки, и тем самым блокирует передачу возбуждения в мышцах. И вот смотрите: один аконит является противоядием от другого. Ясно, что речь идет о родственных веществах. Одно из них – сильнейший токсин. Другое явно более слабый токсин – раз противоядие, т. е. его связывание с белком гораздо слабее. Но можно предположить, что если его принять много, то его молекулы способны вытеснять молекулы предыдущего из того центра белка, с которым они связывались, тем самым его освобождая. Ферментную машину можно не только испортить. Она может сойти бракованной с конвейера. Во всех учебниках приводится классический пример серповидноклеточной анемии – наследственной болезни, распространенной в Африке. У людей с этим заболеванием эритроциты имеют форму не двояковогнутой линзы, а неправильного полумесяца. Их прохождение по капиллярам затруднено, они хрупкие и они плохо выполняют функцию транспорта кислорода. Как выяснилось, болезнь связана с одной-единственной аминокислотной заменой в одном из глобинов - полипептидов, формирующих гемоглобин, а именно в шестой с конца позиции остаток отрицательно заряженной глутаминовой кислоты заменен на неполярного остаток валина. В результате при недостатке кислорода не связанные с ним молекулы гемоглобина слипаются в цепочки, что и ведет ко всем печальным последствиям. Понятно, что замена одной аминокислоты в таком важном месте, как активный центр, полностью блокирует функцию белка. В то же время замена где-то в боковой петле может вообще не иметь последствий – допустим, если важна только длина данной части молекулы. Такие функциональные ограничения, строго дифференцированные по длине полипептидной цепи, оказывают сильное влияние на эволюцию белков, которая, несмотря на ограничения, породила все многообразие белков в отдельно взятом организме, равно как у разных организмов. Разным белкам и разным частям одного белка позволено изменяться с разной скоростью и в разных пределах. Приведем еще один (необычный) пример испорченного белка. Он имеет интригующую историю, включающую целых две Нобелевские премии, но не будем описывать всю интригу, а приведем сразу результат. Возможно, вы помните, как в связи со случаями так называемого коровьего бешенства, передававшегося человеку, в континентальной Европе была запрещена продажа говядины из Британии. Суть в том, что у некоторых коров возникала смертельная болезнь, сопровождавшаяся расстройством координации движений. Произошло несколько случаев заражения людей, предположительно употреблявших в пищу мясо больных коров. Выяснилось, что коровы заполучили ее через костную муку, сделанную из овечьих костей, которой их подкармливали. Овцы страдают такой же болезнью под названием «скрепи» (однако запрещения употребления баранины людьми не наблюдалось. Наверное, в этой истории было больше политики, чем заботы о здоровье). К болезням той же этиологии относятся два синдрома человека, характеризующиеся дегенерацией либо коры головного мозга, либо мозжечка и спинного мозга (со всеми вытекающими последствиями), а кроме того, так называемая смертельная семейная бессонница. И сюда же относится болезнь куру, распространенная среди каннибалов Новой Гвинеи, которая сопровождается дегенерацией мозжечка и потерей координации движений и передается с мозгом съеденных людей. Эти болезни характеризуются медленным, но совершенно неотвратимым течением с обязательным смертельным исходом. Одно время казалось, что болезнь вызывает паразит чисто белковой природы, который умеет воспроизводить себя без участия нуклеиновых кислот – так называемый прион. Однако выяснилось, что прион – это белок, который не может воспроизводить себя, но способен передавать свое состояние – особую конформацию. В норме этот белок находится на поверхности нервных синапсов (соединений нервных клеток, через которые передается импульс). У этого белка есть правильная и неправильная конформации. (Как видите, первичная структура не всегда определяет конформацию белка однозначно!) При синтезе в клетке он принимает правильную конформацию. Однако есть и неправильная конформация, при которой он не сидит на мембране, а накапливается внутри клетки и блокирует ее работу. Оказалось, что неправильная конформация весьма устойчива к термической обработке и не подвержена действию ферментов, расщепляющих белки в желудочно-кишечном тракте, из которого такая молекула может попасть в организм. Неправильная конформация «заразна», т. е. если откуда-то берется молекула с неправильной конформацией, то эта конформация постепенно передается другим молекулам. В результате нервные клетки одна за другой выходят из строя. Людоеды получают такой «подарок» с пищей. Те, кто ели «заразную» говядину, – тоже. Однако от приона другого вида неправильная конформация передается с трудом. Откуда вообще берется изначальная «зараза» – молекула с неправильной конформацией? Оказывается, как и в случае гемоглобина при серповидно-клеточной анемии, все дело в наследственной изменчивости этого белка. Иногда прионовые болезни возникают (а они возникают уже в зрелом возрасте) у родственников, т. е. явно наследуются. Определенное изменение первичной структуры этого белка (одним словом, мутация) делает молекулу предрасположенной к неправильной конформации, которую она может принять самопроизвольно. Такого человека, корову или овцу есть не рекомендуется. Этот пример показывает, как важна конформация белка, как важна изменчивость его первичной структуры и какие подводные камни может таить в себе людоедство. В заключение следует обратить внимание на одну характерную особенность белкового биологического конструктора. Упоминавшийся выше гигантский белок титин состоит из нескольких сотен повторенных без особого порядка участков, последовательность которых похожа на участки двух других белков: иммуноглобулина, обеспечивающего иммунитет (размер участка – около 90 остатков) и фибронектина – структурного белка, ответственного за связывание клеток с внеклеточным белковым каркасом – тем же коллагеном, принимающим участие в свертывании крови и т. д. (размер участка – немногим больше 40 остатков). Получается, что белок, обеспечивающий упругость мышц, наполовину состоит из кусочков белка, обеспечивающего иммунитет! Другими словами, при его «конструировании» был использован готовый фрагмент, механические свойства которого оказались подходящими, и не важно, что он первоначально служил совсем для другого. Имеются и более поразительные примеры. Вы знаете, что в глазу есть эластичная линза – хрусталик. Она тоже делается из специальных водорастворимых белков – кристаллинов. Технические требования к ним – это определенные коэффициент преломления и механические свойства. Выяснилось, что все кристаллины представляют собой либо те или иные работающие ферменты, либо белки, явно произошедшие от ферментов. Дельта-кристаллины, присутствующие у птиц и крокодилов, представляют собой фермент аргининсукцинатлиазу, причем молекула сохраняет свою ферментативную активность, совершенно не нужную в хрусталике. Птичий тау-кристаллин одновременно является ферментом альфа-энолазой в других тканях. Эпсилон-кристаллин представляет собой активную лактат-дегидрогеназу. Омега-кристаллины головоногих моллюсков возникли из альдегид-дегидрогеназы (запоминать названия ферментов не нужно, они приведены здесь для документальности и чтобы еще раз подчеркнуть умопостигаемую сложность предмета). Группа, исследующая происхождение кристаллинов, применяет термин «рекрутирование» – кристаллины рекрутируются из ферментов. Таким образом, сложнейшие биохимические машины, предназначенные для осуществления тонких биохимических реакций, использованы здесь как «пушечное мясо» – просто как вещества с определенными оптическими и механическими свойствами. Поскольку конструкция живых организмов никем не проектировалась специально, а все возникло из закрепления случайно возникших жизнеспособных вариантов, биологи постоянно сталкиваются с конструктивными решениями, полученными по принципу Тришкиного кафтана. Но так как система сложная и у кафтана имеется огромное количество рукавов, удачное решение всегда можно найти и по такому принципу. Лекция 4. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Мир нуклеиновых кислот довольно противоречив. С одной стороны, структура ДНК являет нам апофеоз красоты и логики, так что один из многих (подчеркнем это) первооткрывателей этой структуры Френсис Крик воскликнул: «Это слишком красиво, чтобы не быть правдой». По этой самой причине опубликование даже одной только неподтвержденной модели вызвало катарсис у всех без исключения биохимиков и в общем-то биологов, после чего молекулярная биология стала развиваться лавинообразно, причем этот взрыв еще не закончился. С другой стороны, в клетках, похоже, существует некая «теневая экономика» коротких молекул РНК, до недавнего времени ускользавших от внимания ученых. Роль их, судя по всему, огромна, но об этом стали догадываться только сейчас. И наконец, РНК выступает там и здесь в разных и неожиданных ролях, что позволяет ученым заподозрить, что мы имеем дело с остатками былого величия, в основном вытесненного простой и могучей белковой химией. Принцип работы нуклеиновых кислот как носителей информации очень хорошо ложится на ум, особенно после изобретения магнитофонов и компьютеров (но больше – первого), само же их строение выглядит несколько, скажем так, вычурным. Тем не менее, именно с этих молекул началась жизнь в том смысле, в котором мы определили ее на первой лекции. Нуклеиновые кислоты построены из трех элементов, имеющих довольно мало общего между собой: гетероциклические азотистые основания; пятичленный сахар рибоза или дезоксирибоза; фосфорная кислота. Кислотами они являются из-за остатков фосфорной кислоты. Рассмотрим сначала азотистые основания. Они представляют собой молекулы, включающие циклы с чередующимися двойными связями, образованные атомами углерода и азота. Азотистые основания делятся на два типа (рис. 4.1): 1) производные пурина – вещества, состоящие из двух сконденсированных (смежных) циклов – шести- и пятичленного, для простоты их иногда называют «пурины». Пурин родствен таким веществам, как никотиновая кислота (ее производные чрезвычайно важны в энергетике клетки), кофеин и мочевая кислота (продукт азотистого обмена, выделяемый за пределы организма птицами, насекомыми и прочими организмами, которые экономят воду на выделении); 2) производные пиримидина – одинарного шестичленного цикла. В живых системах встречается два пурина – аденин и гуанин, и три пиримидина – цитозин, тимин и урацил. В нуклеиновых кислотах азотистые основания через определенный в каждом случае атом азота соединены с первым атомом углерода циклической пентозы – рибозы (в РНК) или дезоксирибозоы (в ДНК). Пентоза, в свою очередь, своим пятым (находящимся вне цикла) атомом углерода соединена с остатком фосфорной кислоты сложноэфирной связью. Так образуется нуклеотид – молекула, состоящая из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты (рис. 4.2). Нуклеотиды – это и есть мономеры полимерных нуклеиновых кислот. Однако сначала следует упомянуть, что некоторые мономерные и димерные нуклеотиды являются одними из самых важных биологических молекул, вовлеченных в энергетическую систему клетки. И пожалуй, самым важным веществом здесь является аденозинтрифосфат – АТФ (рис. 4.3). Связи остатков фосфорной кислоты друг с другом содержат в себе много энергии (и называются макроэргическими связями) и легко отдают ее при расщеплении. Чаще всего отщепляется монофосфат (тогда остается аденозиндифосфат, АДФ), иногда – дифосфат (и остается аденозинмонофосфат, АМФ). АТФ является универсальным энергоносителем для всех биологических процессов, которые идут с затратой энергии (иногда используется гуанозинтрифосфат (ГТФ), а синтез ДНК и РНК идет за счет трифосфатов всех соответствующих нуклеотидов). Причем правильнее сравнить АТФ даже не с универсальным энергоносителем, а с универсальной валютой, поскольку расходуется она счетно: как правило, одна молекула АТФ идет на любое химическое превращение одной молекулы чего угодно, требующее затраты энергии. В процессах производства АТФ в энергетических системах клеток используются динуклеотиды, включающие несколько другие азотистые основания, чем те, что встречаются в молекулах ДНК и РНК. Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), в котором одна фосфатная группа связана с двумя атомами углерода рибозы, является почти универсальным внутриклеточным сигналом, регулирующим метаболизм. Таким образом, роль этих странных веществ – нуклеотидов – весьма важна и разнообразна. Перейдем к полимерным нуклеиновым кислотам. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), их мономерами являются нуклеотиды. В ДНК входят нуклеотиды с дезоксирибозой, в РНК – с рибозой. Второе отличие – в составе азотистых оснований. В состав ДНК входит аденин, тимн, гуанин и цитозин; в состав РНК также входят четыре азотистых основания, но место тимина занимает урацил. Иначе говоря, различия касаются всего лишь наличия / отсутствия одной гидроксильной группы у сахара и метильной группы у одного из азотистых оснований. Полимеры ДНК и РНК образуются за счет того, что одна из двух оставшихся кислотных групп остатка фосфорной кислоты у нуклеотида присоединяется к третьему атому углерода пентозы, а также через сложноэфирную связь, образуемую гидроксильной группой, которую этот атом несет как у рибозы, так и у дезоксирибозы. Получается цепочка, строение которой показано на рис. 4.4. С ее полимерной частью все понятно. Разберемся, чем она кончается. На одном конце ее находится свободная фосфатная группа при пятом атоме пентозы, на другом – пентоза со свободным третьим атомом. При описании нуклеиновых кислот атомы углерода в азотистых основаниях принято нумеровать цифрами, а в пентозе – цифрами со штрихом. Так что в данном случае принято говорить о 5’- и 3’-концах молекулы, причем первый считается началом цепочки ДНК или РНК, а второй – концом. Теперь нам необходимо ознакомиться со способностью азотистых оснований образовывать водородные связи друг с другом. Их конфигурация такова, что аденин может образовывать две водородные связи с тимином или урацилом, а гуанин – три водородные связи с цитозином, тогда как в прочих сочетаниях образование водородных связей не происходит в силу стерических (т. е. геометрических) причин (рис. 4.5). Иначе говоря, в указанных парах пурин – пиримидин и только в них основания подходят друг к другу – принято говорить, что они комплементарны. Незадолго до открытия структуры ДНК американский ученый Эрвин Чаргаф обнаружил, что количество аденина в ДНК всегда равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина и что общее количество пуринов всегда равно количеству пиримидинов. Сочетание этих правил Чаргафа с данными рентгеноструктурного анализа англичан Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин, которые указывали на наличие спиральной структуры, и привело к созданию в 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком (они пользовались исключительно чужими данными и собственными объемными моделями простых молекул) знаменитой модели двойной спирали. Эта модель давно уже стала общеизвестной (рис. 4.6). Напомним, что мы имеем дело с вещами, размер которых в сотни раз меньше длины волны света (диаметр двойной спирали – 2 нм, длина волны света – сотни нанометров), так что увидеть их принципиально невозможно при любом уровне оптической техники. ДНК можно увидеть только в электронном микроскопе, где вместо световых волн используется поток электронов, ведущих себя как волны с гораздо меньшей длиной. Отметим один общий недостаток большинства наглядных моделей двойной спирали ДНК – на них азотистые основания показаны направленными прямо друг к другу, а полипентозные цепи – расположенными строго напротив друг друга. На самом деле, если мы вернемся к картинке с одними спаренными азотистыми основаниями, то увидим, что связи на сахар направлены под углом друг к другу. Поэтомув молекуле ДНК две полисахаридные цепи несколько сближены с одной стороны и разобщены с другой. Углубления по обе стороны от них, на дне которых находятся азотистые основания, называются соответственно большой и малой бороздкой ДНК. Если бы нуклеотиды располагались строго напротив друг друга, бороздки бы были одинаковы. (Эти бороздки очень важны – именно там некие специальные белки нащупывают информацию о том, с какого места нужно начинать свою работу по удвоению или расшифровке молекулы ДНК.) Еще одно важное свойство, которое, возможно, ускользнуло от внимания при рассматривании картинок – антипараллельность: две цепи ДНК в двойной спирали направлены навстречу друг другу. Если молекулу ДНК обрезать, то на одном и том же конце двойной спирали одна цепочка закончится 3’-концом, а другая – 5’-концом. Д. Уотсон и Ф. Крик опубликовали свою модель на двух страницах в журнале Nature и отказались ее обсуждать, написав, что важнейшие следствия из нее самоочевидны. Вот и вы попробуйте ответить, какие интересные и важные следствия можно сделать из структуры этой молекулы. Можно привлекать знания, полученные вами из «обыденной жизни», СМИ, уроков биологии, наконец. 1. Главное, что структура одной цепи может быть полностью и однозначно восстановлена по другой, за счет того, что цепи однозначно комплементарны. Процесс схематически представлен на рис. 4.7 (следует помнить, что это лишь иллюстрация принципа – в реальности все сложнее): 2. В каждой цепи мы имеем чередование тех же самых четырех нуклеотидов, причем на то, какой именно нуклеотид будет находиться в каждом конкретном месте, соседние нуклеотиды никак не влияют, т. е. стерических ограничений на соседство тех или других нуклеотидов не существует (это можно выяснить, имея дело с детальными объемными моделями, как у Д. Уотсона и Ф. Крика). Точно так же соседние буквы на бумаге сами по себе (без участия того, кто их пишет или читает) не влияют друг на друга. По сути, мы имеем очень длинную строчку, в которой в некоем порядке чередуются буквы четырехбуквенного алфавита. (Как говорится, ДНК – это всего лишь одно очень длинное четырехбуквенное слово – just one very long fourletter word.) Через ДНК можно передать очень много информации. В нашем алфавите 33 буквы, в английском – 28, компьютер пользуется двухбуквенным алфавитом (вся информация, с которой он работает, записана в последовательности нулей и единиц, или, если хотите, плюсов и минусов; в реальности – это направление намагниченности магнитного носителя, наличие/отсутствие заряда на кристаллах кремния или /отсутствие дырки на оптическом носителе), и при этом способен воспроизвести любое сообщение на русском и английском. Другими словами, для передачи любого сообщения достаточно двух букв. Чем больше букв в алфавите, тем короче будет длина сообщения фиксированного содержания, но тем больше времени нужно на обучение, тем более тонкие программы нужны для распознавания. Жизнь остановилась на четырех буквах – большее их количество, видимо, потребовало бы гораздо более сложных молекул и соответственно более громоздкого носителя. Сейчас мы увидим, какая именно информация в ДНК записана и как она реализуется. Длина строчки впечатляет. Вы, наверное, знаете, что ДНК находится в хромосомах. Каждая хромосома представлена одной линейной молекулой ДНК. В самой большой хромосоме человека находится 2,5 млн нуклеотидов, а сама молекула достигает в длину около 10 см. Поскольку размер клеток много меньше миллиметра, она должна быть очень сложным образом упакована, так чтобы компактность сочеталась с работоспособностью. Чтобы выяснить, как именно информация ДНК хранится и считывается, рассмотрим три важнейших процесса с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция. Этимологически это будет значить: копирование, переписывание и перевод. Не совсем понятно, что такое переписывание – в нашем случае это будет перевод на другой диалект того же языка. Все эти процессы являются вариантами матричного биосинтеза – синтеза сложных нерегулярных полимеров по некоей матрице. Репликация – копирование одной цепи ДНК по другой. В общем это происходит так: двойная спираль расплетается (в данном случае это тоже называется денатурацией) и каждая цепочка служит матрицей, по которой строится вторая, комплементарная цепочка двойной спирали. Таким образом, получается две двуцепочечных ДНК, у каждой из которых одна цепочка – старая, унаследованная от исходной молекулы, вторая – новая, построенная по ее образцу. Такой способ репликации называется полуконсервативным. (Консервативной называлась бы репликация, когда строилась бы целиком новая вторая молекула, при том, что старая сохранялась бы. Но ДНК так не поступает.) Как и все в живых организмах, репликация осуществляется при помощи специального фермента, ДНКполимеразы. Он расплетает ДНК и строит комплементарную цепь, однако умеет строить ее только в одном направлении – 5’ – 3’. Поэтому только одна новая цепь строится непрерывно. Другая строится в виде коротких фрагментов, нарастающих в направлении, противоположном общему направлению репликации, которые потом сшиваются другим специальным ферментом. Начинается репликация также в строго определенных местах (которых существует много в хромосомах высших организмов, но всего одно – у бактерий), называемых origin. Чтобы продемонстрировать хотя бы в малой степени реальную сложность предмета, отметим, что на самом деле все еще сложнее – ДНК-полимераза может строить новую цепь, только отталкиваясь от короткого фрагмента РНК (затравки), комплементарной ДНК. Эти затравки строит фермент РНКполимераза, которая умеет строить цепочку без затравки (рис. 4.8). Кроме того, на обеих цепях новая цепочка строится одной и той же димерной молекулой ДНК-полимеразы, для чего ДНК изгибается в петлю (рис. 4.9). Здесь мы впервые столкнулись, между прочим, со случаем технически неоправданной сложности молекулярно-биологических процессов. Раз можно сделать фермент, который строит без затравки вторую цепь РНК, наверняка можно было бы сделать и фермент, который может без нее строить вторую цепь ДНК. Но машина получилась такой, какая она есть, и раз она эффективно работает, необходимости замены ее на «более логичную» не возникло. Мы рассмотрели, как ДНК удваивается. На удвоении ДНК основана передача наследственной информации – при делении клетки каждая из двух дочерних клеток получает идентичную копию ДНК (хотя бывают и ошибки копирования), а развитие и размножение организмов целиком основано на делении клеток. Обо всем этом мы будем говорить позже. Теперь же нам предстоит рассмотреть два молекулярных механизма – транскрипцию и трансляцию, при помощи которых эта информация «работает», т. е. реализуется в жизни клетки и организма. Не будет преувеличением сказать, что она реализуется через белки. ДНК прежде всего – инструкция по производству белков. А белки, как мы видели на прошлой лекции, уже делают в организме все остальное. Построить организм – это значит произвести его белки, только в нужном месте, в нужное время и в нужном количестве. Именно ДНК хранит информацию о структуре белков и о том, когда, где и сколько их будет синтезироваться. В процессе построения белков по матрице ДНК огромную роль играет промежуточный посредник – РНК. Первая стадия этого процесса – всегда построение молекулы РНК по молекуле ДНК. Этот процесс называется транскрипцией. Однако молекула РНК может служить и самоцелью транскрипции, т. е. иметь определенную рабочую функцию (вплоть до ферментативной) и использоваться как таковая. В современном биологическом мире это довольно редкий случай. В то же время предполагается, что на заре становления жизни именно РНК, а не белки, обладали непосредственными биохимическими функциями, в том числе биокаталитическими. Транскрипция, как и репликация, включает денатурацию – расплетание двойной цепочки ДНК и построение по одной из цепочек комплементарной цепочки РНК (рис. 4.10). Транскрипция идет в том же направлении, что и репликация – от 5’ к 3’. Все это делает сложный фермент РНК-полимераза. При этом синтезируемая цепочка РНК почти сразу же по мере своего построения сходит с ДНК, обе цепочки которой снова образуют двойную спираль – ренатурируют. Скорость транскрипции – около 50 нуклеотидов в секунду. Процесс отличается от репликации, во-первых, тем, что напротив аденина ставится не тимин, а урацил. (Если говорить в терминах нуклеотидов, а не азотистых оснований, то напротив дезоксиаденозина ставится уридин). Иначе говоря, информация переводится с диалекта ДНК на диалект РНК. Во-вторых, тем, что формируется не две двойные спирали, а одноцепочечная РНК. РНК считывается не со всей молекулы ДНК, а с какой-то ее небольшой части. И главная проблема транскрипции – это места на ДНК, с которых ее следует начать и на котором закончить, чтобы считать только тот участок ДНК, где записана нужная в данный момент информация. Они называются промотор и терминатор. Как и все на ДНК, эти места (принято говорить по-английски – сайты) определяются определенной последовательностью нуклеотидов. Кроме определенности эти последовательности часто отличаются преобладанием одних нуклеотидов над другими. Как правило, в промоторе преобладают нуклеотиды А и Т – они образуют по две водородные связи, и это облегчает расплетание двойной цепочки и доступ РНК-полимеразы. В терминаторе, как правило, больше нуклеотидов Г и Ц, которые образуют по три водородные связи и соответственно затрудняют продвижение РНК-полимеразы, связанное с расплетанием цепочки. В простейшем случае, который бывает реализован у бактерий, фермент РНК-полимераза умеет опознавать промотор по определенной конфигурации азотистых оснований. Она их буквально нащупывает в бороздке ДНК и с этого места начинает синтез РНК. Достигнув же терминатора, она сходит с ДНК и прекращает свою работу. У высших организмов в инициации транскрипции принимает участие множество специальных белков, которые распознают различные сайты, связываются с ними и тонко регулируют интенсивность транскрипции. Молекула РНК, считанная с участка ДНК между промотором и терминатором, называется матричной РНК, или мРНК. (Однако если конечным продуктом является сама РНК, она называется в соответствии со своим типом, а не «матричной».) В последовательности ее нуклеотидов содержится информация о последовательности аминокислотных остатков в белке – принято говорить, что она кодирует этот белок. Отрезок ДНК, с которого считывается одна мРНК, принято называть цистроном. Однако часто (если одна мРНК не кодирует несколько разных белков) его называют просто геном. Таким образом, мы здесь впервые встречаемся с довольно уже архаичным термином «ген», который был введен тогда, когда о том, что это такое, были еще весьма смутные представления. Потом понятие гена несколько раз уточнялось до тех пор, пока фактически стало ненужным. Тем не менее, оно осталось, причем в достаточно нестрогом употреблении. В настоящее время всякий раз, когда следует изъясняться точно, слово ген не используется. Но от него никуда не денешься в нестрогом обсуждении, даже вполне научном. Процесс перевода с языка нуклеотидов на язык аминокислот называется трансляцией и происходит в рибосомах (рис. 4.11). Рибосома – сложный молекулярный агрегат, состоящий из нескольких десятков специальных белков и нескольких специальных РНК. Если фермент можно назвать биохимическим станком, то рибосома – это целый конвейер станков. Рибосома состоит из двух частей (так называемых субъединиц), поэтому на рисунках ее зачастую изображают в виде молодого белого гриба. Перед началом трансляции матричная РНК должна встретиться с рибосомой. У бактерий это не составляет труда, так как рибосомы находятся поблизости от ДНК, с которой считывается мРНК. У организмов, имеющих клеточное ядро, ДНК находится внутри ядра, а рибосомы – вне его. Чтобы быть доставленной к рибосомам, мРНК одевается опять-таки особыми белками и специальными короткими РНК (sРНК), да еще и переодевается потом в другие белки при выходе из ядра (все равно как если бы она выходила на улицу). Комплексы мРНК с этими белками и малыми РНК (РНП-частицы) даже получили специальное название – информосомы. Матричная РНК связывается с рибосомой, оказываясь между большой и малой субъединицей. Она протягивается сквозь рибосому как магнитофонная лента сквозь воспринимающую головку, при этом в рибосоме синтезируется полипептидная цепь. Механизм ее синтеза очень непрост и в нем явно угадываются следы некоего совсем другого устройства первичной жизни, в котором РНК играла гораздо большую роль, чем белки. Между матричной РНК и синтезируемым белком существуют посредники – транспортные РНК, или тРНК. Они называются так потому, что транспортируют аминокислоты в рибосомы. Это довольно короткие молекулы РНК, включающие одноцепочечные участки и участки, комплементарные друг другу, которые сворачиваются в отрезки двойной спирали, образуемые той же самой цепочкой (рис. 4.12). Таких отрезков четыре; в том, что получается в результате, усмотрели аналогию с клеверным листом и примерно так тРНК и изображают. Пространственную конфигурацию тРНК, как и у белков, называют ее третичной структурой. Третичная структура тРНК несколько различается в зависимости от того, для какой аминокислоты она предназначена. На вершине среднего листочка есть три нуклеотида, называемые антикодоном (объяснение такому названию дано далее). На конце же тРНК есть участок, к которому опять-таки специальные ферменты под названием аминоацил-тРНК-синтетазы прикрепляют аминокислоту. Эти ферменты таковы, что прикрепляют строго определенную аминокислоту к строго определенным тРНК, характеризующимися определенными третичной структурой и последовательностью нуклеотидов в антикодоне. Имеется 20 разных аминоацил-тРНК-синтетаз – по одной на каждую аминокислоту. Они распознают подходящую тРНК по ее третичной структуре. Данный процесс называется рекогниция – слово переводится как распознавание, поскольку аминоацил-тРНК-синтетаза должны распознать «свои» тРНК и аминокислоты. Молекулы тРНК с аминокислотой на хвосте подходят к определенному месту рибосомы, на котором помещается также отрезок мРНК длиной в три нуклеотида. Та молекула тРНК, антикодон которой оказывается комплементарным этим трем нуклеотидам, связывается с ними посредством комплементарного спаривания. При этом три соседних нуклеотида на молекуле мРНК уже связаны с предыдущей тРНК. Определенный фермент в составе рибосомы, находяшийся напротив аминокислот, связанных с этими двумя тРНК, катализирует реакцию конденсации с образованием пептидной связи между этими аминокислотами. После ее образования та молекула тРНК, которая пришла раньше и находилась по соседству, освобождается от аминокислоты и отсоединяется от мРНК, а молекула мРНК вместе со связанной с ней тРНК, пришедшей позже, смещается на три нуклеотида относительно рибосомы, так что эта тРНК занимает место предыдущей. Эта последовательность событий повторяется раз за разом, в результате чего из аминокислот, приносимых транспортными РНК, строится полипептидная цепь. Заметим, что, если он идет некоторое время, тРНК, находящаяся «по соседству», оказывается связанной не с одной аминокислотой, а с нарастающей полипептидной цепочкой, а ее конец представлен той аминокислотой, с которой она была связана изначально. Эта цепочка (а не одна аминокислота) и переносится на каждую «новую» аминокислоту. Скорость трансляции – около 20 аминокислот в секунду. Трансляция начинается с 5’-конца мРНК, и всегда не с самого начала мРНК, а с комбинации нуклеотидов АУГ (аденозин-уридизин-гуанозин) – либо самого первого (у высших организмов), либо идущего после определенной последовательности (у бактерий). Этой комбинации соответствует антикодон метиониновой тРНК. Поэтому у высших организмов первой аминокислотой в синтезирующейся цепи любого белка будет метионин. А у бактерий в начале цепи стоит даже не метионин, а его модификация с присоединенным остатком муравьиной кислоты – формилметионин. С окончанием трансляции все просто – она идет до такой комбинации из трех нуклеотидров, которой не соответствует никакая тРНК, а таковых существует три штуки. Впрочем, их опознают специальные белки – факторы терминации трансляции. Итак, мы увидели принципиальную схему технологии производства белка. На что мы можем обратить внимание? Во-первых, путь от ДНК к белку идет через двух посредников в виде двух типов молекул РНК – матричной и транспортной РНК (даже трех – принимают участие еще sРНК). Синтез белка идет в сложном цехе, в структуру которого входит еще несколько молекул РНК. Все это опять-таки подчеркивает глубинную и изначальную важность РНК в работе биологического механизма. Во-вторых, белки с определенной последовательностью аминокислот строятся в соответствии с сообщением, записанном в определенной последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Скажите, какая именно часть этого сложного механизма осуществляет перевод с языка нуклеотидов на язык аминокислот? Та, которая обычно остается за кадром всех графических схем – аминоацил-тРНК-синтетазы. Именно эти ферменты «знают», к какой тРНК присоединить какую аминокислоту, и делают это. В-третьих, существует определенная система этого самого перевода – как именно последовательность аминокислотных остатков в белках записывается в последовательности нуклеотидов нуклеиновых кислот. Эта система и обозначается знаменитым словосочетанием генетический код. Фактически мы познакомились с ним выше, когда рассматривали, как тРНК, несущие аминокислоту, подбираются по принципу комплементарности своего состоящего из трех нуклеотидов антикодона участку мРНК длиной также в три нуклеотида. Как мы помним, нам нужно закодировать информацию о 20 аминокислотах. Иными словами, алфавит белков – двадцатибуквенный. Причем хорошо было бы еще иметь специальные знаки препинания – сигналы начала и конца пептидной цепочки. (Отметим, что знак препинания для конца цепочки существует, а для начала – нет. В точности как в нашем письменном языке!) А в нуклеиновых кислотах мы имеем всего четыре буквы – А, Т, Г, Ц (или в диалекте РНК – А, У, Г, Ц). Одной буквы явно не хватает, чтобы закодировать 20 аминокислот. Какой здесь можно найти выход? Да, использовать сочетания букв. Возьмем сочетания двух букв. Поскольку у нас важен и порядок букв, таких разных сочетаний будет 4 х 4 = 16. Маловато. А если три буквы: 4 х 4 х 4 = 64? Больше чем достаточно. В принципе, могло бы быть и еще больше, но тогда мы имели бы слишком большую информационную избыточность. Жизнь не пошла по этому нерациональному пути и остановилась на трех буквах. В процессе трансляции именно три нуклеотида характеризуют антикодон тРНК, несущей определенную аминокислоту. Последовательность из трех букв называется триплетом, поэтому генетический код является триплетным. Каждое сочетание трех смежных нуклеотидов, которое кодирует аминокислоту, носит название кодон. Заметим, что не всякая последовательность нуклеотидов что-то кодирует, т. е. не всякий триплет является кодоном. Как следует из механизма трансляции, если шесть нуклеотидов кодируют две аминокислоты, то три смежных нуклеотида со второго по четвертый или с третьего по пятый не кодируют ничего (это следует из механизма трансляции). Кодонами в нашем случае будут только нуклеотиды с первого по третий и с четвертого по шестой. Таким образом, у генетического кода есть свойства непрерывности и неперекрываемости – в осмысленной последовательности нуклеотидов кодоны идут друг за другом впритык – первые три, следующие три и т. д. Если бы соседние кодоны перекрывались, возможности кода были бы ограниченными. Каждому кодону соответствует какая-то аминокислота (трем кодонам не соответствует никакая аминокислота – это так называемые стоп-кодоны, на них синтез белка обрывается). Обратное, естественно, неверно – как мы видели, кодонов более чем втрое больше, чем аминокислот. Так что на большинство аминокислот приходится больше, чем один кодон. Это свойство генетического кода называется вырожденностью (в данном случае это математический термин). Кстати, почему бы не предположить, что когда-то биологических аминокислот было больше, чем 20, а потом их число сократилось по принципу минимальной достаточности? Генетический код обычно приводится в таблицах. По ним, зная кодон, можно найти аминокислоту, которую тот кодирует. На рис. 4.13 приведено соответствие аминокислот кодонам. Аминокислоты обозначены по трем первым буквам их названия, за исключением аспарагина (Асн), глутамина (Глн) и изолейцина (Иле), словом «Стоп» обозначены стоп-кодоны – триплеты нуклеотидов, которым не соответствует никакая аминокислота и которые таким образом служат местами прекращения трансляции. Как вы помните, ДНК представляет собой двойную спираль, причем последовательности двух ее цепей комплементарны, но совсем не идентичны. Если одна из цепей кодирует последовательность аминокислот в каком-то полезном белке, то вторая вряд ли будет кодировать что-то осмысленное и полезное – ее последовательность однозначно определяется комплементарностью к первой. Следовательно, нет никакой свободы выбора ее последовательности и она не может быть приспособлена ни под что полезное. (Исключения бывают, но это уже экзотика.) Так что две важные макромолекулы – цепь ДНК, являющаяся матрицей для синтеза мРНК при транскрипции, и сама мРНК – имеют разные последовательности нуклеотидов, так как они не идентичны, а комплементарны друг другу. Цепь ДНК, по которой строится мРНК, принято называть матричной, а комплементарную ей цепь, оследовательность которой соответствует последовательности мРНК, – кодирующей. Разные гены на одной молекуле ДНК могут быть произвольно (параллельно или антипараллельно) ориентированы по отношению друг к другу, поэтому физически одна и та же цепь для разных генов может оказываться то матричной, то кодирующей. Генетический код принято записывать для матричной РНК. Ее последовательность идентична последовательности кодирующей, но не матричной цепи ДНК с той разницей, что вместо буквы Т (тимин) используется У (урацил). На следующей таблице, наоборот, напротив аминокислот приведены все кодирующие их кодоны (рис. 4.14). Основная тенденция генетического кода такова: как правило, аминокислота задается первыми двумя буквами и типом (пурин или пиримидин) азотистого основания третьей буквы (А или Г либо У или Ц). При такой системе мы имели бы 32 значимые комбинации. (Эту гипотетическую систему принято называть идеальным кодом.) Однако это всего лишь тенденция. Мы видим несколько аминокислот, кодируемых единственным кодоном: метионин (АУГ), изолейцин (АУА), триптофан (УГГ) – кодировка этих аминокислот невырождена. Но лейцин и аргинин кодируется целыми шестью кодонами. Имеется три стопкодона – УАА, УАГ и УГА. Эта тенденция, однако, находит отражение в наборе тРНК. Поскольку мы имеем 64 – 3 = 61 кодон, кодирующий ту или иную аминокислоту, мы могли бы ожидать, что существует такое же количество разных тРНК, различающимися антикодонами, комплементарными этим кодонам. Однако на самом деле разных тРНК почти в два раза меньше – 31, в некоторых случаях (например, у плоских червей) – еще меньше, т. е. почти столько же, сколько существует комбинаций первый нуклеотид точно – второй нуклеотид точно – третий нуклеотид пурин либо пиримидин. Дело в том, что большая часть тРНК способна связываться своим антикодоном с более чем одним кодоном – как правило, им действительно безразлична конкретная буква в третьей позиции кодона, главное, чтобы соответствовал тип основания – пурин либо пиримидин. Это связано с тем, что в третьей позиции антикодона часто стоят неканонические нуклеотиды, включающие другие азотистые основания, способные к комплементарному спариванию более чем с одним видом оснований. Ученые пытаются анализировать закономерности распределения кодонов по аминокислотам в попытках реконструировать, как генетический код возникал и эволюционировал, некоторые из этих попыток следует признать довольно успешными. По радио и телевизору иногда можно слышать сообщения наподобие «ученые такой-то страны расшифровали генетический код гена, ответственного за такую-то болезнь, старение» или что-то в этом роде. Это безграмотное использование слов. Генетический код – это именно система перевода, а вовсе не сама шифрограмма. Исключительно важно то, что он один и тот же для всех организмов. Так как конкретный шифр как будто бы не продиктован никакой биохимической необходимостью, т. е. нет связи между химическими свойствами входящих в кодон нуклеотидов и химическими свойствами соответствующей аминокислоты, этот факт однозначно указывает прежде всего на общность происхождения нашей формы жизни. Таким образом, генетический код с точностью до небольших различий обладает свойством универсальности для всех живых существ. Забегая вперед, скажем, что в наших с вами клетках имеются так называемые митохондрии – особые внеядерные структуры, у которых есть «своя» ДНК; у митохондрий значение нескольких кодонов различается. Генетический код обладает известной степенью помехоустойчивости. Если подсчитать, сколько замен одного нуклеотида не меняет тип аминокислоты в соответствии с ее химическими свойствами (а такие замены аминокислот слабо сказываются на структуре и функциях белка) и сколько меняет, то отношение первых ко вторым будет близко к 2,25. Для простоты усвоения довольно больших пластов смысла принято запоминать основные свойства генетического кода в виде набора слов, которые обозначают рассмотренные выше свойства: триплетность, вырожденность, неперекрываемость, непрерывность, универсальность, помехоустойчивость. У генетического кода есть еще множество менее известных свойств. Он не дает покоя огромному количеству ученых, которые ломают голову, почему он именно такой, а не какой-либо другой, вплоть до того, что обнаруживают в нем некое божественное послание. Некоторые его тонкие математические свойства действительно необыкновенны, но отличить, что там случайно, а что закономерно, – дело весьма нелегкое. Покончив с нуклеиновыми кислотами как таковыми и узнав, зачем они нужны, поговорим немного о свойствах ДНК и РНК в сравнительном ключе. РНК менее стабильна, чем ДНК, потому что все наполнено ферментами, специально созданными для расщепления РНК – РНКазами. Дело в том, что матричная РНК должна своевременно расщепляться: если этого не делать, то будут продолжать производиться белки, в которых давно отпала необходимость. (Время жизни мРНК – от нескольких минут до нескольких дней. Единственное место, где она запасается впрок, – это желток яиц.) Поэтому все живые организмы, включая бактерии, производят разнообразные РНКазы, которые в результате содержатся буквально в окружающей нас пыли. Поэтому работать с РНК гораздо сложнее, чем с ДНК, – гораздо выше требования к чистоте. Далее, вы, наверное, слышали о том, что вот-де ученые расшифровали последовательность ДНК, выделенной из египетской мумии, из замороженного трупа мамонта, из черепа неандертальца и кроманьонца. Все это действительно возможно, так как ДНК – очень стабильная молекула в нейтральной и в особенности в слегка щелочной среде (но нестабильная в кислой). Считается, что первоначально для хранения информации использовалась РНК. (В наше время она используется для этой цели лишь некоторыми вирусами.) Кроме того, некоторые молекулы РНК даже сейчас имеют ферментативную функцию. Скорее всего тогда роль РНК в качестве ферментов была шире, несмотря на то что с химической точки зрения ее возможности здесь ограничены. Иначе говоря, преджизнь представляла собой «мир РНК» – молекулы РНК самовоспроизводились и обслуживались ферментами, которые сами представляли собой РНК. В дальнейшем была «изобретена» ДНК как химически модифицированная РНК, специально предназначенная для хранения и воспроизведения информации. А «вспомогательные» РНК научились делать белки, которые, хотя и были всего лишь надстройкой над миром РНК, оказались гораздо эффективнее в качестве ферментов. Так что сейчас общеизвестная роль РНК сократилась до того, чтобы быть посредниками между ДНК и белками. Однако кроткие РНК, по-видимому, до сих пор играют важную, прежде всего регуляторную, роль в организме. Мы видим, что самая принципиальная для жизни функция – самовоспроизведения – основана на нуклеиновых кислотах, так как воспроизводятся именно они, а все остальное делается на их основе. Далее, мы видим, что различные нуклиновые кислоты прочно задействованы в синтезе белков. И наконец, процессы переноса энергии происходят посредством рибонуклеотидов. Напрашивается такая аналогия, что нуклеиновые кислоты – это будто бы люди, а белки – это будто их машины. Воспроизводство и ключевые моменты в производстве машин и контроль за ними остались за людьми, тогда как чисто технические возможности у машин гораздо шире, чем у людей. Итак, мы ознакомились с общими химическими принципами работы нуклеиновых кислот по хранению и реализации генетической информации. Сейчас нам нужно уточнить некоторые детали, также вполне общего характера, связанные с регуляцией этого процесса. Выше довольно часто встречались такие фразы: «У бактерий – одно, у высших организмов – другое». Дело в том, что живые существа действительно делятся на две большие группы – не имеющие ядра и имеющие его. Хотя это и будет забеганием вперед, давайте введем «правильные» названия для этих групп – прокариоты и эукариоты. (В системе биологической номенклатуры этим высшим категориям присвоен ранг надцарства.) К первым относятся бактерии, сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и актиномицеты (одноклеточные организмы, имеющие ветвящиеся отростки и тем самым напоминающие грибки). Ко вторым – все многоклеточные животные и растения, а также простейшие – довольно крупные одноклеточные существа, имеющие ядро: амебы, инфузории, жгутиконосцы, одноклеточные водоросли. Таким образом, мы являемся гораздо большими родственниками растениям и амебам, чем бактериям. Хотя все молекулярно-биологические процессы, описанные выше, общие для прокариот и эукариот, есть и определенные отличия. Между прокариотами и эукариотами имеется много принципиальных различий в строении и функционировании клеток, о чем мы будем говорить позже. Сейчас полезно обратить внимание на различия, связанные с их способом жизни и взаимодействия со средой. Жизнь прокариот сводится к химии и с внешней средой они взаимодействуют также химическим путем. Они «питаются» органическими или даже неорганическими веществами. Для этого они выделяют в окружающую среду определенные ферменты, которые осуществляют там необходимые им химические процессы, и всасывают нужные им вещества посредством диффузии. Поэтому прокариоты – это совершенные и эффективные биохимические машины. В отличие от прокариот, эукариоты взаимодействуют с окружающим миром посредством тех или иных рабочих структур. Даже одноклеточные эукариоты структурно устроены достаточно сложно и, если они гетеротрофы, то механически поглощают пищевые объекты. Многоклеточные же эукариоты (а таких большинство) представляют собой сложные структуры, построенные из многих типов клеток. В жизни животных огромную роль играет движение, в жизни растений – рост, который по сути тоже есть движение, позволяющее получить необходимое им количество света. Поэтому эукариоты – это прежде всего эффективные механические устройства, будь то тигр или сосна. Это позволяет индивидуальным организмам «контролировать» гораздо большие потоки вещества и энергии. Обратная сторона этой медали – то, что на уровне биохимии они могут позволить себе (и позволяют) быть расточительными и менее эффективными. (Грибы, которые являются эукариотами, пожалуй, занимают промежуточное положение на этой шкале – их жизнь связана с химией в большей степени, чем с механикой. Дрожжи – почти одноклеточные грибы – ведут себя в этом смысле практически как прокариоты.) Что же до генетической информации, то большая часть ее у эукариот ответственна не за построение различных ферментов, а за развитие очень сложных структур. Соответственно среди множества белков, информация о которых содержится в их ДНК, большая часть является уже не ферментами – рабочими биохимического конвейра, а регуляторами – сигнальными веществами, управляющими ростом и развитием организма, фактически – молекулярными чиновниками. Часто говорят, что армия чиновников работает сама на себя, производя документы, которые рассматривают другие чиновники, на их основании производят следующие документы и т. д. В точности то же самое происходит и в генетической бюрократии эукариот: белки-регуляторы производятся для того, чтобы регулировать синтез других белков, многие из них также являются регуляторами и так далее. Поэтому если бактерия – это эдакое натуральное хозяйство, все производство в котором должно быть максимально эффективно организовано, что легко достигнуть силами одного хозяина, то высшие организмы – это огромные империи, где масса действующих лиц, возникает очень много бестолковщины и творится много безобразий, но которые, несмотря на это, умудряются играть очень важную роль в мировой экономике и политике. При этом бактерия должна чутко реагировать на любое изменение коньюнктуры в окружающем среде, а высшие организмы обладают известной самодостаточностью - автономностью и устойчивостью. Нетрудно догадаться, что разница между прокариотами и эукариотами ярче всего проявляется в механизмах регуляции транскрипции. У прокариот транскрипция призвана обеспечить быструю и адекватную реакцию на биохимическую ситуацию в среде. Классическим примером здесь является устройство так называемого lac-оперона, за открытие которого французские ученые Франсуа Жакоб и Жак Моно в 1965 г. получили Нобелевскую премию. Однако подчеркиваем, что это только один из множества вариантов того, как работают гены прокариот. У кишечной палочки есть три белка, ответственных за переработку дисахарида лактозы. Один из них транспортирует его в клетку, другой (трансацетилаза) присоединяет к нему ацетильную группу, третий расщепляет дисахарид на глюкозу и галактозу. Они кодируются определенными отрезками ДНК, идущими друг за другом. Все три участка транскрибируются и транслируются в виде единой мРНК, так что все три соответствующих белка появляются в клетке вместе. Следовательно, на все три участка имеется один общий промотор (напомним, что это участок ДНК, характеризующийся особой последовательностью нуклеотидов, с которого начинается транскрипция). Между промотором и первым геном имеется короткий участок ДНК – оператор, который, как и промотор, не кодирует никаких аминокислот, но зато опознается определенным белком-репрессором. В отсутствие лактозы – субстрата белков, кодируемых всеми тремя генами, репрессор связывается с оператором и преграждает продвижение РНК-полимеразы от промотора к генам. В результате гены не транскрибируются и белки не синтезируются. Однако у репрессора есть центр связывания лактозы. При появлении в клетке лактозы она связывается этим центром и меняет конформацию репрессора таким образом, что тот теряет способность связываться с оператором и отходит от него. Ничто более не сдерживает продвижение РНК-полимеразы, мРНК транскрибируется и транслируется. Таким образом, появление в среде субстрата – лактозы – индуцирует синтез ферментов, которые могут ее утилизировать. В этом примере все три белка кодируются генами, которые расположены вместе и регулируются, транскрибируются и транслируются также вместе. Такая система, включающая промотор, оператор (или несколько операторов) и обслуживаемые ими гены белков, называется опероном. Оперонная организация генов обеспечивает, во-первых, слаженность синтеза функционально связанных белков, во-вторых, общую регуляцию их синтеза в зависимости от наличия / отсутствия субстрата. В различных оперонах применяется четыре способа регуляции. Рассмотренный нами способ – это негативная индукция. Негативная – потому что имеется белок-репрессор, выключающий работу гена; индукция – потому что некое вещество, в данном случае субстрат, включает работу гена. Кроме индукции бывает репрессия – когда появление внешнего вещества, наоборот, выключает ген. Допустим, это продукт реакции, при избытке которого нужно ее остановить. И кроме негативных индукции и репрессии бывает и позитивная индукция и репрессия – когда регуляторный белок является не репрессором, а активатором. Активатор также связывается со специфичной регуляторной последовательностью ДНК, но это не препятствует, а, наоборот, способствует транскрипции гена – к примеру, помогает РНК-полимеразе связаться с ДНК. Интересно, что в рассмотренном случае кроме негативной индукции присутствует и позитивная репрессия. Перед промотором есть еще и активатор, который в присутствии глюкозы – более эффективного пищевого ресурса – не работает, а в ее отсутствие – способствует связыванию РНКполимеразы с промотором. Ген, кодирующий белок-репрессор, находится непосредственно перед lac-опероном. Но это не всегда и не обязательно так – ген регуляторного белка может находиться где угодно, а сам белок все равно свяжется с тем местом на ДНК, к которому у него есть сродство. Такие регуляторные вещества, поступающие из других мест, называются транс-факторами. А вот участок ДНК, с которым он связывается, принципиально должен находится по соседству с регулируемыми генами, такие регуляторные элементы называются цисфакторами. В клетке кишечной палочки найдено и предсказано 2 584 различных оперона, в которых применяются разные принципы регуляции. А вот у эукариот оперонов практически нет. У многоклеточных организмов регуляция жизнедеятельности больше идет на уровне физиологии целого организма. При этом с внешней средой взаимодействуют одни клетки (допустим, кожа, пищеварительный тракт, органы чувств), а реакция должна состояться в другом месте – в мышцах, железах. Зачастую белок формируется в одном месте, а используется совсем в другом. Изменения в транскрипции генов в ответ на воздействия внешней среды на многоклеточный организм происходят с участием внутренних посредников – гормонов, а у животных также и нервных импульсов, (которые в конечном счете тоже сводятся к воздействию на клетки определенных веществ-посредников) – медиаторов. Кроме того, для многоклеточных очень важно, чтобы сам этот сложный организм правильно формировался по определенной, очень сложной программе. Ее разворачивание предполагает каскад специфических сигналов (транс-факторов), представляющих собой белковые продукты регуляторных генов. Эти сигналы очень узко направлены – их адресатами является небольшое число генов, многие из которых также представляют собой регуляторные гены. Таким образом, транс-факторы эукариот можно грубо разбить на два типа – продукты регуляторных генов и рецепторы, связавшиеся с гормонами или медиаторами. Как следствие всех этих обстоятельств каждый ген у эукариот регулируется независимо и в начале каждого (а иногда внутри и вокруг него) имеется протяженная регуляторная область цис-факторов, с которой связываются многочисленные транс-факторы – активаторы и репрессоры. И наконец, транкрипция эукариотических генов зависит от характера укладки ДНК в хромосомах и того, с какими структурными белками хроматина и как именно она связана. Об этом будет сказано в дальнейшем. Кстати, у эукариот есть еще одно отличие от прокариот. Матричная РНК, образовавшаяся после транскрипции, прежде чем послужить матрицей для синтеза белка, под действием специальных ферментов претерпевает определенные изменения под общим названием процессинг. А именно: – к ее 5’-концу пришивается гуанинтрифосфат в обратной ориентации – это нужно для правильной фиксации ее начала на рибосоме; – к 3’-концу в определенном месте, как правило, присоединяется последовательность РНК, состоящая из одних аденинов – это помогает мРНК некоторое время не расщепляться РНКазами; – с той же целью защиты от РНКаз, будучи подобным образом модифицированы, оба конца мРНК соединяются друг с другом, так что мРНК оказывается свернутой в кольцо; – из середины большинства мРНК вырезаются куски, которые не кодируют аминокислот – интроны. Все это выглядит нелепой тратой вещества и энергии – зачем производить мРНК длиннее, чем это нужно. Однако вырезание интронов из одной и той же мРНК может происходить по нескольким разным схемам, что позволяет порождать дополнительное разнообразие синтезируемых белков. Кроме того, вырезанные интроны иногда приспосабливаются для выполнения каких-то функций, в основном регуляторных. В первой лекции мы уподобили живые организмы компьютерам, так как и те и другие суть системы, существующие за счет преобразования информации. Сегодня мы ознакомились с некоторыми принципами строения биологического компьютера, в частности увидели, где у него находится и как устроен носитель долговременной памяти и как информация с него считывается. Обратим внимание на одно важное обстоятельство. Из области бытовой техники вы знаете, что существует два способа записи и воспроизведения сигнала – аналоговый и цифровой. Аналоговый способ реализован, к примеру, при записи звука на пластинку. Колебания воздуха преобразуются в колебания электрического поля, а те – в извилистую бороздку на пластмассе, конфигурация которой повторяет профиль исходной звуковой волны. Звуковая волна записана в этой бороздке посредством прямого преобразования одних сил, способных меняться плавно и на произвольную величину, в другие. При воспроизведении происходит обратный процесс. Вы знаете, что есть другой принцип записи звука – цифровой. При этом профиль звуковой волны закодирован в виде ее числовых параметров и эти параметры записаны на магнитном или оптическом компьютерном носителе в виде чередования нулей и единиц, т. е. в дискретном виде. При преобразовании аналогового сигнала (звуковая волна) и цифрового (магнитный носитель) и обратно используются процессы, идущие по закону «все или ничего» (ток идет – тока нет), причем процессы, меняющиеся плавно (давление воздуха, напряжение электрического поля в мирофоне), постепенно расщепляются на каскад дискретных процессов в компьютере и обратно. В том, с чем мы сегодня однакомились, можно усмотреть оба типа сигналов – аналоговый и цифровой. Передача и кодировка дискретных (т. е. по сути – цифровых) сигналов имеет место в явлениях матричного биосинтеза. Это точная репликация ДНК, перевод с языка ДНК на язык РНК при транскрипции, с языка РНК на язык аминокислот при трансляции. И сами эти языки, состоящие в последовательности 4 или 20 букв – дискретных мономеров – нуклеотидов и аминокислот, соответственно ничем (только количеством букв) принципиально не отличаются от двоичного, т. е. двухбуквенного (0 и 1) внутреннего, языка компьютера. Однако управление всеми этими процессами с помощью регуляторных белков основано на изменениях концентраций тех или иных веществ – как самих регуляторных белков, так и низкомолекулярных индукторов или репрессоров. Информация от внешнего мира поступает в клетку в виде концентраций тех или иных веществ – питательных, таких как глюкоза, или специальных сигнальных – таких как гормоны. Концентрации могут меняться плавно, и в соответствии с ними интенсивность транскрипции тоже менятся плавно. Это типичный случай аналогового преобразования сигнала. Если способ записи в ДНК информации о структуре белков довольно выразителен и весь основан на принципе комплементарного спаривания нуклеотидов – в двойной цепи ДНК, при синтезе ДНК и РНК, при спаривании антикодона тРНК с кодоном матричной РНК, то способ записи в ДНК информации по управлению синтезом белков менее нагляден. Здесь также все основано на существовании в ДНК строго определенных последовательностей нуклеотидов. Но в данном случае эти последовательности распознаются соответствующими специальными белками без комплементации и даже без расплетания двойной цепочки ДНК. Эти белки буквально нащупывают столь слабые зацепки, как определенная конфигурация атомов следующих друг за другом пар спаренных нуклеотидов внутри бороздок двойной цепочки ДНК. Эту конфигурацию и то, как она опознается белками, не покажешь на простых моделях. Однако именно на таких взаимодействиях (белок – ДНК) основана вся регуляция функционирования генетической информации и тем самым существование любого живого организма, простого или сложного. В этой лекции мы ознакомились с достаточно сложными веществами и процессами, на которых основана вся наша форма жизни. Надеемся, что вам удалось почувствовать одновременно и их сложность, и их красоту, а также общность всей этой уникальной сложной организации у всего живого. Лекция 5. ЭНЕРГЕТИКА ЖИЗНИ. 1. ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗ ГЛЮКОЗЫ Это довольно сложный предмет. Проблемы начинаются с самого названия – как ни назови, все равно будет ассоциироваться с «биоэнергией», которая сейчас в большой моде. Никто не знает, что это такое, но большинство убеждено, что это могучая сила, влияющая фактически на все, нечто вроде нечистой силы или божественного провидения, кому как больше нравится. Между тем, как мы уже уяснили, живые организмы получают, преобразуют и используют самую обычную энергию. Предмет этот по-своему красивый, но речь пойдет об очень сложных процессах, ясное понимание которых требует определенного образования – это самая что ни есть биохимия, причем достаточно сложная. И поскольку дело касается энергии, для ее понимания необходимы знания по физхимии. Тем не менее, необходимо ознакомить вас с наиболее важными процессами хотя бы поверхностно, с тем чтобы вы представляли в общих чертах, как это происходит, и в то же время почувствовали объем предмета. Для усиления вашего собственного интереса к нему попробуйте прочувствовать тот факт, что то, с чем мы сейчас познакомимся, равно как и все, с чем мы познакомились до сих пор, происходит не в какой-то пробирке в некоей лаборатории (хотя именно там выяснялось, как именно оно происходит), но непосредственно внутри нас, в каждой клетке нашего тела, в том числе и в клетках мозга, при помощи которого мы пытаемся что-то понять, в любую минуту и с огромной скоростью. Мы начали наше знакомство с биологией с химии, затем перейдем к клетке, а потом – к организму. По мере того как мы будем переходить ко все более крупным структурам, т. е. по мере удаления от молекул и приближения к объектам, наполняющим нашу обыденную жизнь, понимание станет даваться все легче и легче. И это неудивительно, так как наши мозги создавались эволюцией для того, чтобы руководить нами в макромире. Процессы же на микроуровне протекают автоматически и самопроизвольно, без нашего на то соизволения. Но и они точно так же создавались в ходе эволюции, только это происходило на гораздо более ранних ее этапах. Биохимические процессы в организме представляют собой сложнейшие пути превращений веществ одни в другие и их транспорта из одних мест в другие. Эти пути можно изобразить схематически, получаются схемы чудовищной сложности, иногда изображаемые на весьма поучительных плакатах. Для того чтобы ознакомиться с этими путями, нужно выбрать ниточку, с которой начать путешествие по этому лабиринту, и тот пункт, к которому нам следует прийти. Начнем с конца. Для чего организму нужна энергия? Почти все процессы в нем осуществляются путем ферментативных реакций, многие из которых идут с затратами энергии. Как мы помним, подавляющее большинство ферментативных реакций, протекающих с затратой энергии, требует для своего протекания молекулу АТФ (аденозинтрифосфат), являющуюся универсальным энергоносителем внутри клетки (см. рис. 4.3). Энергия накоплена в связях между тремя последовательно соединенными остатками фосфорной кислоты (их называют макроэргическими связями). В ходе «затратных» ферментативных реакций молекула АТФ дефосфорилируется и преобразуется в АДФ (аденозиндифосфат – почти та же самая молекула, что и один из мономеров РНК). Нужно пояснить, что на самом деле разрыв любой химической связи требует затраты какого-то количества энергии. Однако гидролиз макроэргической связи дает энергетический выигрыш, который составляет около 30 кДж / моль (а моль – это число Авогадро молекул, т. е. 6 1023 штук). Кроме того, реакция расщепления макроэргической связи идет только в том случае, если концентрация АТФ значительно превышает концентрацию продуктов ее гидролиза, поэтому живые клетки вынуждены поддерживать ее на высоком уровне. Мышечное сокращение – первое, что приходит нам как мощным механическим устройствам на ум в связи с вопросом о затратах энергии – также требует молекул АТФ. Хотя действие сократительных белков не является ферментативной реакцией, сущность его остается та же – определенное изменение конформации белка при гидролизе фосфодиэфирных связей в молекуле АТФ. Почему-то редко вспоминают об энергозатратах в связи с высшей нервной деятельностью (наверное, мы все же в большей степени атлеты и механизмы, чем мыслители). А они не маленькие – вспомните, как хочется есть в процессе учебы. И расходуется здесь та же самая АТФ. Итак, нам сейчас нужно рассмотреть, каким путем организм синтезирует свою АТФ. Конечным пунктом нашего путешествия будет именно эта молекула. С чего мы начнем? Давайте начнем с молекулы глюкозы. Это вещество является энергоносителем нашей крови. Именно оно образуется при переваривании углеводов пищи и расходовании запасов жиров под кожей и гликогена в печени. Опять-таки глюкоза – это то самое органическое вещество, которое образуется растениями в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. У растений глюкоза и фруктоза так же служат переносчиками вещества и энергии – они образуются в листьях и транспортируются к стеблям, корням, цветам, плодам. И наконец, та же глюкоза является питательным веществом для большинства бактерий. Итак, мы намерены путешествовать по биохимическим путям от глюкозы к АТФ. Первая – это универсальный энергоноситель в многоклеточном организме, а второе – универсальный энергоноситель в клетке. Немного сменив аналогию, мы можем сказать, что собираемся рассмотреть механизм конвертации валют – с межнациональной на национальную (хотя у людей все национальные валюты разные, а у клеток – одна и та же). При раскручивании биохимической цепочки следует иметь в виду, что все процессы получения энергии живыми организмами происходят в результате окислительно-восстановительных реакций, при которых происходит перенос электрона с одной молекулы (восстановитель, донор электронов) на другую (окислитель, акцептор электронов). При этом роль акцептора электронов играют либо органические молекулы, либо кислород. На нашем пути встретятся оба способа Начнем с момента, когда глюкоза попадает в клетку и используется именно в качестве источника энергии (а не для построения полисахаридов, к примеру). Конечными химическими продуктами этого процесса являются углекислый газ и вода. То же самое получилось бы, если бы мы просто сжигали глюкозу. Однако, в отличие от горения, энергетический выигрыш от такой перекомбинации атомов не уходит в окружающую среду в виде тепловой энергии, а аккумулируется в виде энергии определенных химических связей. Сам же процесс отличается большой сложностью и включает множество органических веществ определенной структуры. Среди всей этой сложности отрадно, что механизм этого процесса – один и тот же у большинства живых существ. А первая его стадия, которая может проходить в отсутствие кислорода, – одинакова у всех. Она называется гликолиз. По сути гликолиз представляет собой окисление глюкозы, так что общее количество связей углерода с кислородом увеличивается, причем роль окислителя играет не кислород, а особое органическое вещество, тогда как дополнительные атомы кислорода поступают от фосфорной кислоты. Общая последовательность гликолиза такова. К молекуле глюкозы присоединяются два остатка фосфорной кислоты. Связь фосфор–кислород в фосфорной кислоте энергетически насыщена, что дестабилизирует молекулу и облегчает ее расщепление на два фосфорилированных трисахарида. Дефосфорилирование трисахаридов сопровождается сопряженным фосфорилированием аденозина с образованием АТФ. Хитрость заключается в том, что двойное фосфорилирование одной молекулы глюкозы требует затраты двух молекул АТФ, которые дефосфорилируются до АДФ. Однако дальнейшее преобразование каждого из трисахаридов приводит к образованию двух молекул АТФ, а так как глюкоза распадается на два трисахарида, то в сумме образуется четыре молекулы АТФ. Это означает выигрыш в две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы. Мы наблюдаем прямо таки молекулярный бизнес, где капитал в две АТФ приносит 100 %-ю прибыль. Но если клетка жива, у нее всегда найдутся свободные оборотные средства. (Еще раз напомним, что АТФ может служить источником энергии только при высоких концентрациях.) В процессе гликолиза есть еще один энергетический выигрыш. Есть такое вещество – никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Он является коферментом многих ферментов. Это действительно динуклеотид, одна из его составляющих – хорошо знакомый нам аденин. Другой же нуклеотид содержит новое для нас азотистое основание – никотиновую кислоту (это не совсем то же, что никотин, но очень близко по строению). Как и большинство коферментов и их составляющих, никотиновая кислота является одним из витаминов – РР. НАД существует в двух формах – восстановленной (НАД-H, в здесь в русской записи приходится комбинировать русскую аббревиатуру и латинский символ для атома водорода) и окисленной (НАД+), последняя образуется путем отнятия от НАД-Н атома водорода и дополнительного электрона и представляет собой положительно заряженный ион (рис. 5.1). Именно НАД+ является тем окислителем, за счет которого осуществляется окисление глюкозы в процессе гликолиза. В то же время это окисление дает нам дополнительный энергетический выигрыш при гликолизе, поскольку восстановленная форма НАД-Н является энергонасыщенным состоянием и восстановление НАД+ до НАД-Н требует затраты энергии. Восстановленная форма HАД-Н является сильным восстановителем, то есть донором электронов. При этом она же является донором атомов водорода. Далее мы увидим, что НАД-H играет важную роль в синтезе АТФ, т. е. в процессах получения энергии. Но участием в качестве посредника в процессах расщепления органики в целях получения энергии его функция не ограничивается. Как мы убедимся на следующей лекции, та же молекула в немного модифицированной форме является важнейшим ресурсом при синтезе органики, в качестве донора водорода, электронов и энергии. Процесс гликолиза включает восстановление молекулы НАД+ до НАД-H. В анаэробном варианте гликолиза, который идет в отсутствие кислорода, эта молекула в дальнейшем снова окисляется. Гликолиз – это достаточно сложная последовательность ферментативных реакций, как видно из рис. 5.2. Гликолиз распадается на несколько этапов, каждый из которых катализируется определенными ферментами: 1) Присоединение остатка фосфорной кислоты с превращеним глюкозы в глюкозо-6-фосфат под действием фермента глюкокиназы – этот процесс идет с затратой одной молекулы АТФ. 2) Изомеризация – превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат. 3) Дополнительное фосфорилирование фруктозо-6-фосфата – также идет с затратой молекулы АТФ. 4) Расщепление фруктозо-1,6-бифосфата на два фосфорилированных трехатомных сахара (триозофосфата): дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегидфосфат. Эти продукты способны переходить один в другой при помощи специального фермента – изомеразы. В последующие реакции гликолиза вступает глицеральдегидфосфат, который тем самым расходуется, а пополняется он, в том числе и за счет превращения в него дигидроксиацетонфосфата. 5) Глицеральдегид-3-фосфат еще раз фосфорилируется, причем для этого используется свободная фосфорная кислота из раствора. В отличие от всех предыдущих актов фосфорилирования, которые шли с затратой молекулы АТФ, эта реакция сопровождается энергетическим выигрышем, который идет на восстановление молекулы окисленной формы никатинамидадениндинуклеотида (НАД+) в его восстановленную форму (НАД-H). Непривычный для нас энергетический выигрыш вместо энергетической затраты при фосфорилировании можно объяснить тем, что если в предыдущих случаях фосфатная группа переносится с одной молекулы (АТФ) на другую (расщепляемый сахар), то в данном случае в ходе реакции происходит еще и взаимная нейтрализация аниона (один из кислородов остатка фосфорной кислоты из раствора) и катиона (НАД+), которая и дает необходимую энергию. 6) Только что присоединенный остаток фосфорной кислоты снова отщепляется, присоединяясь к аденозиндифосфату – с образованием вожделенной АТФ. Если до второго фосфорилирования мы имели глицеральдегид-3-фосфат, то теперь мы имеем глицерат-3-фосфат – альдегидная группа заменилась на кислотную, причем эта молекула – отрицательно заряженная. При этом к углероду присоединяется дополнительный атом кислорода, который происходит из остатка фосфорной кислоты, пришедшего из раствора. 7) Фосфатная и гидроксильная группа меняются местами. 8) От получившегося глицерат-2-фосфата отщепляется молекула воды с образованием двойной связи и енольной группы – формируется фосфоенолпируват. 9) Он дефосфорилируется с образованием пирувата (пировиноградной кислоты), при этом остаток фосфорной кислоты снова идет на образование молекулы АТФ – второй в ходе преобразования триоз. Итак, результатом гликолиза являетяс пируват. Как видим, это очень окислнная молекуля, на три ее атома углерода приходится пять связей с кислородом. Большая часть реакций гликолиза обратима, но несколько практически необратимы. Поэтому при необходимости, наоборот, синтеза глюкозы из пирувата организм использует другие пути. Если мы рассматриваем анаэробный, т. е. протекающий в отсутствии кислорода, гликолиз, то пируват восстанавливается до лактата; в более привычных названиях, пировиноградная кислота – до молочной кислоты. При этом к молекуле присоединяется два атома водорода и кетонная группа превращается в гидроксильную. Как и в любой окислительно-восстановительной реакции, если что-то восстанавливается, что-то должно, наоборот, окисляться. В данном случае НАД-H окисляется до НАД+, таким образом восстанавливается статус-кво – в реакцию гликолиза входил окисленный НАД+ и его же мы и получили. Именно гликолиз ответствен за хорошо нам знакомые процессы скисания (молока) и сквашивания (овощей, грибов, рыбы). В кисломолочных и соленых продуктах накапливается именно молочная кислота – лактат. У дрожжей пируват превращается не в лактат, а в этиловый спирт. Эта реакция идет не за один этап, а за два и также сопровождается окислением НАД-H. Некоторые бактерии восстанавливают пируват до янтарной или масляной кислот. Не надо думать, что анаэробный гликолиз – это удел исключительно анаэробных бактерий типа возбудителя ботулизма. При интенсивных нагрузках кровеносная система не успевает снабжать кислородом работающие мышцы. При этом часть пирувата не расходуется, а преобразуется в лактат, как и у анаэробных бактерий, поскольку НАД-H должен быть окислен, если не кислородом (когда его не хватает), то пируватом, с восстановлением последнего до лактата. У большинства современных организмов, дышащих кислородом, пируват не превращается в лактат, а утилизируется дальше. Он поступает в каскад ферментативных реакций, в ходе которого расходуется кислород, образуется углекислота и синтезируется АТФ. Все эти реакции в сумме называются клеточным дыханием. Обратим ваше внимание на то, что клеточное дыхание состоит из двух процессов. В ходе одного из них углерод окисляется до углекислого газа, но молекулярный кислород не расходуется – атомы кислорода берутся из органических веществ, фосфорной кислоты и воды, которая здесь не выделяется, а расходуется. При этом образуются излишки водорода, которые идут на восстановление коферментов. В ходе второго процесса коферменты окисляются и отдают водород (который сначала разделяется на протоны и электроны, имеющие разную судьбу), именно здесь он связывается с молекулярным кислородом с образованием воды. АТФ образуется преимущественно в ходе второго процесса. Первый процесс называется циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса, второй – окислительным фосфорилированием. Следует сделать оговорку относительно места происходящего. Вы помните, что всё живое состоит из клеток. У клеток всех многоклеточных организмов и части одноклеточных имеется клеточное ядро – эти организмы называются эукариоты. В ядре находится ДНК. Содержимое клетки вне ядра называется цитоплазма. В цитоплазме имеются различные органеллы – те или иные структуры. Среди органелл имеются так называемые митохондрии. Они выглядят как цилиндрические тельца, окруженные двойной мембраной – внешней и внутренней (рис. 5.3). Внутренняя мембрана образует многочисленные складки внутрь митохондрии – кристы. Наверное, вы слышали и о существовании митохондрий и о том, что они являются энергетическими станциями клетки. Рассмотренный выше процесс гликолиза происходит в цитоплазме. Клеточное же дыхание происходит в митохондриях. Для этого продукт гликолиза – пируват – должен попасть внутрь митохондрий. Итак, мы в митохондрии. Каскад реакций клеточного дыхания начинается с реакции, одним из субстратов которой является пируват, а одним из продуктов – ацетилкофермент-А, или ацетил-coA. АцетилcoA – одно из важнейших веществ в биохимических путях. Он образуется в процессе расщепления сахаров, жирных кислот и некоторых аминокислот и используется при их синтезе. Во всех этих случаях он является реакционноспособным носителем ацетильной группы. В одних реакциях она используется для синтеза органических веществ, в других – для их «сжигания» в качестве топлива. Поэтому ацетил-coA является важнейшим посредником во множестве биохимических процессов, связанных с обменом вещества и энергии. Посмотрим на это замечательное вещество, представленное на рис. 5.4. Мы снова видим знакомый нуклеотид аденозин, потом – довольно длинную углеводородную цепь, включающую атомы азота и заканчивающуюся атомом серы, к которой и присоединена ацетильная группа. (Молекула без ацетильной группы – это просто кофермент А.) Ацетил-coA образуется с затратой молекулы пирувата в ходе сложной реакции, катализируемой целым комплексом из трех ферментов и пяти коферментов, прикрепленным к митохондриальной мембране – пируватдегидрогеназным комплексом. При этом от молекулы пирувата отщепляется молекула диоксида углерода, а оставшаяся от него ацетильная группа присоединяется к коферменту А, с образованием ацетилсоА. Реакция имеет энергетический выигрыш и предполагает образование лишнего атома водорода. И тот, и другой идут на восстановление одной молекулы НАД+ до НАД-H. В этой реакции мы впервые видим, как атом углерода переходит из органического вещества в углекислый газ. Еще раз заметим, что это происходит без участия молекулярного кислорода – кислород также поступает из органического вещества. Впереди нас ждет еще два таких же события, так что в конечном счете в углекислый газ уйдут все три атома углерода, имевшихся в молекуле пирувата. Таким образом, весь углерод, поступивший из глюкозы, переходит сначала в пируват, а потом в углекислый газ. Заметим, что во всех случаях опять-таки будет использован кислород, имевшийся в составе органических веществ. Куда же уйдут лишние атомы водорода? Они пойдут на восстановление НАД+ до НАД-H и на восстановление еще одного кофермента. Вспомним, что после гликолиза у нас уже остается одна восстановленная молекула НАД-H (которая при наличии клеточного дыхания не тратится на превращение пирувата в лактат). Ацетил Co-A вступает в циклический биохимический процесс, называющийся циклом Кребса. Он назван так по имени Ганса Кребса, описавшего его в 1937 г., за что он впоследствии получил Нобелевскую премию. Цикл представляет собой 10 последовательных химических реакций, в ходе которых 10 органических кислот последовательно преобразуются одна в другую. В одном месте в этот цикл входит уже знакомый нам ацетил-соА, который отдает свою ацетильную группу оксалоацетету (щавелевоуксусной кислоте), в результате чего образуется цитрат (лимонная кислота). Если первая молекула содержала четыре атома углерода, то вторая соответственно содержит уже шесть (в ацетильной группе имеется два углерода). Три из них находятся в карбоксильных группах, а три составляют остов молекулы – такие кислоты называют трикарбоновыми. Схема цикла Кребса приведена на рис. 5.5. В ходе последовательных превращений всех этих кислот происходят события нескольких типов: – кислоты теряют два атома углерода за счет образования двух молекул углекислого газа; – кислоты присоединяют две молекулы воды; – излишки водорода уходят на восстановление трех молекул НАД+ до НАД-H, а также на восстановление еще одного кофермента – флавинадениндинуклеотида (ФАД) до ФАД-Н2 (рис. 5.6); – образуется одна молекула гуанозинтрифосфата (ГТФ) из ГДФ. Это полностью эквивалентно образованию АТФ, так как ГТФ и АТФ находятся в химическом равновесии. Остаток фосфорной кислоты берется из раствора. Цикл Кребса замыкается, когда в конце концов мы приходим к тому же оксалоацетату с его четырьмя атомами углерода, к которому может снова присоединяется ацетильная группа от ацетил-соА. Все вещества цикла Кребса – и кислоты, и катализирующие реакции ферменты – находятся в одном и том же растворе внутри митохондрий (только один из ферментов иммобилизован на мембране – именно тот, который катализирует реакцию с образованием ГТФ), поэтому цикл не имеет пространственного содержания – это просто последовательность превращений веществ. Этот цикл играет центральную роль в метаболизме клетки, так как участвующие в нем вещества являются промежуточными веществами многих метаболических процессов. Он задействован в расщеплении и синтезе углеводов, в расщеплении и синтезе жирных кислот, в расщеплении и синтезе многих аминокислот, в синтезе азотистых оснований нуклеотидов и других важных веществ. Три из тех 10 кислот, которые циклически преобразуются одна в другую в цикле Кребса, вам могут быть известны. Это лимонная, янтарная и яблочная кислоты. Фирменные составы для подкрепления спортсменов содержат не только глюкозу, но и лимонную кислоту. Это делается для того, чтобы не просто провести вливание энергии, но и стимулировать весь цикл Кребса. Янтарная кислота сейчас активно рекламируется как лекарство, которое помогает чуть ли не от всего, в том числе укрепляет иммунитет. Однако мы убедились, что это вещество всегда (по крайней мере, пока мы дышим) присутствует в митохондриях и находится в химическом равновесии с лимонной кислотой. Как мы видели, в ходе образования ацетил-соА и цикла Кребса образуется всего одна молекула нуклеотидтрифосфата (ГТФ, что так же хорошо, как АТФ), хотя мы истратили все три атома углерода. Основной товар, добытый в ходе этой сложной коммерческой махинации, идущей через множество посредников, свободно блуждающих во внутреннем пространстве митохондрии как брокеры на бирже, состоит в восстановленных коферментах. Давайте теперь продадим их за нашу любимую валюту – АТФ. Для этого нам следует обратиться в фирму под названием «Цепь переноса электронов». В отличие от цикла Кребса, у этой фирмы есть свое производственное здание, впрочем, плавучее. Процесс, который будет иметь место, осуществляется в трех цехах, а именно – тремя агрегатами определенных белков, расположенных на внутренней мембране митохондрии. На всякий случай поясним, что таких индивидуальных аггрегатов очень много (5–20 тыс. на митохондрию, причем три их типа не находятся в стехиометрических соотношениях); каждый из них представляет собой работоспособный цех. Поскольку мембрана полужидкая (в дальнейшем мы рассмотрим ее свойства подробнее), белковые агрегаты словно плавают по мембране словно баржи, при столкновении передавая друг другу электрон вместе с одним из подвижных веществ – в одном случае с убихиноном (небольшой молекулой, включающей ароматическое кольцо), в другом – с цитохромом с (о цитохромах – немного позже). Сам же процесс, который происходит в результате переноса электронов, называется окислительным фосфорилированием. Работа цепи переноса электронов начинается с того, что молекула НАД-H отдает два электрона ферменту НАД-Н-оксидазе, превращаясь в окисленную форму НАД+. Образующийся при этом протон, несущий вотрой положительный заряд, уходит в раствор во внешнем пространстве митохондрии. НАДоксидаза – это первый из названных белковых агрегатов. Эти два электрона передаются за счет сопряженных окислительно-восстановительных реакций по цепочке белков и коферментов ( которые включают еще один специальный нуклеотид – флавинмононуклеотид). Белки в цепи переноса электронов содержат атом железа, который в ходе переноса электронов меняет степень окисления с +3 на +2 и обратно. За исключением одного из этих белков (ферродоксин), в котором атом железа соединен с серой, во всех остальных атом железа находится в уже знакомом нам по молекуле гемоглобина геме. Гем – это порфириновое кольцо – ажурная и почти симметричная органическая молекула с системой сопряженных двойных связей и четырьмя атомами азота, которая образует комплекс с атомом железа (рис. 5.7). Белки, содержащие гем, в данном случае называются цитохромы (название происходит от греческого «хромос» – цвет, так как гем имеет окраску). Последний из цитохромов при помощи фермента цитохромоксидазы (они входят в состав третьего белкового агрегата) отдает электроны молекуле кислорода (мы помним, что гем способен связывать кислород), в результате чего образуется ион О 2-. Соединяясь с протонами, этот ион образует молекулу воды. (При этом восстанавливается баланс по водороду. Мы помним, что протоны образовывались при окислении НАД-Н и ФАД-Н2, которые в свою очередь получали водород из органических веществ в цикле Кребса.) Таким образом, именно в результате переноса электронов в процессе клеточного дыхания расходуется кислород и образуется дополнительное количество вода. Зачем же все это нужно, спросите вы? Цепь переноса электронов устроена таким образом, что перенос по ней каждого электрона сопровождается переносом протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану из внутреннего пространства митохондрии в наружное (относительно внутренней мембраны митохондрии). Также наружу выделяется протон, образующийся при окислении НАД-Н. Эти процессы идет против градиента концентрации ионов водорода и соответственно против электростатической силы и требует затрат энергии, которую по мере своего продвижения и отдает электрон. В результате внутри и снаружи внутренней мембраны митохондрии образуется разность рН (т. е. концентрации протонов), а на двух поверхностях мембраны – разность электрических потенциалов – внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно, а наружная – положительно. Собственно, ради этого только и задействована столь сложная биохимия. Цепь переноса электронов представлена на рис. 5.8, где темно-серым цветом показана внутренняя митохондриальная мембрана, светло-серым – митохондриальный матрикс, белым фоном – межмембранное пространство митохондрии, компактными белыми зонами – белки, участвующие в цепи переноса электронов, FMN, FMNH2 – окисленная и восстановленная форма флавинмононуклеотида, Q, QH – окисленная и восстановленная форма убихинона, FeS – ферродоксин, строчными латинскими буквами обозначены различные цитохромы. Для чего же нужна эта разность кислотности и потенциалов по обе стороны внутренней митохондриальной мембраны? Существует еще один комплекс из двух белков, можно сказать, главный во всей системе – АТФ-синтетаза. Этот комплекс пронизывает внутреннюю митохондриальную мембрану и на него приходится около 15 % массы всех белков этой мембраны. Он устроен таким образом, что пропускает один за другим протоны обратно, из внешнего пространства митохондрии во внутреннее. Это движение происходит по градиенту концентрации и под действием электростатической силы. Энергия движущихся под действием разности потенциальной энергии протонов и используется для фосфорилирования АДФ с образованием АТФ. Эта энергия зависит от разности потенциалов на двух сторонах мембраны. Принято считать, что обычно для синтеза одной молекулы АТФ требуется пропустить три протона. Количество протонов, перекачиваемых цепью переноса электронов, также не определено точно и может зависеть от многих факторов. Сейчас считается, что при окислении одной молекулы НАД-H образуется около 2,5 молекул АТФ, а при окислении ФАД-Н2 – около полутора молекул АТФ. (Небезынтересно, что еще лет 10 назад считалось, что энергетический выигрыш от окисления этих носителей протонов составляет 3 и 2 молекулы АТФ соответственно.) Поскольку процессы перекачки протонов и синтеза АТФ за счет создаваемого градиента их концентрации разобщены, нет ничего удивительного, что между ними нет строгого количественного соответствия. К тому же энергия протонного градиента используется митохондрией и для других целей, в частности для транспорта внутрь митохондрии «топлива» - анионов, а именно пирувата и фосфатов. Поскольку внутри митохондрии рН повышена, анионы не диффундируют туда самостоятельно. Поэтому они транспортируются за счет особых мембранных белков, которые черпают энергию для этого оттуда же, откуда и АТФ-синтетаза – за счет протонов, «запускаемых» обратно внутрь митохондрии. У аэробных бактерий митохондрий нет и разность рН и потенциалов создается внешней мембраной клетки, т. е. клетка целиком выступает в той же роли, что митохондрии эукариот (гликолиз у них происходит в цитоплазме, т. е. там же, где и цикл Кребса, в чем состоит отличие от эукариот). А у анаэробных бактерий АТФ-синтетаза, наоборот, за счет гидролиза АТФ создает протонный градиент, необходимый клетке для различных биохимических целей, т. е. работает в обратном направлении. Принцип окислительного фосфорилирования отдаленно напоминает гидроэлектростанцию, в том числе и своим не очень большим КПД – и там и здесь некий носитель энергии переходит из состояния с большей потенциальной энергией в состояние в меньшей энергией и при этом совершает работу, только там гравитационная потенциальная энергия переходит в механическую и затем в электрическую. А здесь как раз электрическая энергия переходит в механическую энергию движущихся протонов, а зате в энергию химических связей. Если в плотине гидроэлектростанции проделать дыру, то вода вытечет, а ее потенциальная энергия перейдет в тепловую, не сделав никакой полезной работы. То же самое можно сделать и с митохондрией. Есть определенные вещества, растворимые в фосфолипидной мембране и способные присоединять и отдавать протон. Такие вещества могут диффундировать в мембране туда-сюда и попутно переносить протоны по градиенту концентрации. Это перемещение будет выравнивать разность электрических потенциалов и рН, не производя никакой механической работы. Это называется разобщением окисления с фосфорилированием. Кстати, таким действием, судя по всему, обладает гормон щитовидной железы, некоторые его количества «спускают пар из котла» без окислительного фосфорилирования. Казалось бы, мы говорим о какой-то диверсии, которая сводит на нет полезную работу цепи переноса электронов. Однако разобщение окисления с фосфорилированием отнюдь не бесполезно. Энергия, запасенная на внутренней мембране митохондрии, не может пропасть бесследно, даже если она не пошла ни на какую химическую работу. Она переходит в тепло. Именно таким образом в организме реализован термогенез – производство тепла. Помимо тепла, выделяющегося в ходе протекания самых разных химических процессов, имеющих энергопотери, нас специально греют наши митохондрии, также за счет энергии, образуемой цепью переноса электронов при окислении НАД-H. Термогенез особо важен для теплокровных – птиц и млекопитающих, но в какой-то степени имеется почти у всех организмов. Любопытно узнать, что хотя все наше тело изнутри имеет примерно одинаковую и довольно высокую температуру, тепло в организме выделяется в основном двумя органами – сердцем и печенью. АТФ образуется в митохондриях, но нужна всей клетке. Однако образовавшаяся АТФ не может самопроизвольно проникать из митохондрий в цитоплазму. Для этого в митохондриальной мембране имеется специальным белок – транслоказа, который производит реакцию обмена одной молекулы АТФ изнутри митохондрии на одну молекулу АДФ снаружи митохондрии, причем делает это безвоздмездно, т.е. без затрат энергии. На рис. 5.9 представлена схема, охватывающая весь процесс расщепления глюкозы, включая гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Сравним экономическую эффективность анаэробного и аэробного расщепления 1 молекулы глюкозы. В анаэробных условиях процесс заканчивается образованием лактата и дает в результате две молекулы АТФ (четыре образовалось, две затратилось). В аэробных условиях мы имеем те же две молекулы АТФ из гликолиза плюс две молекулы ГТФ, образовавшиеся в ходе цикла Кребса, – по одной на каждую из двух молекул ацетил-со-А, образовавшихся из одной молекулы глюкозы. Также мы имеем на каждую молекулу глюкозы 8 молекул восстановленного НАД-H – две при превращении двух молекул пирувата в две молекулы ацетил-со-А, шесть – в ходе цикла Кребса (опять-таки на две молекулы ацетил-со-А). Кроме того, мы имеем две молекулы восстановленного ФАД-H2. Нужно вспомнить, что у нас в ходе гликолиза при дополнительном фосфорилировании были восстановлены еще две молекулы НАД-Н. Их тоже хорошо было бы затащить в митохондрию и обменять на АТФ, однако такого механизма нет. Вместо этого происходит своеобразный обмен восстановленное состояние молекулы НАД-Н за пределами митохондрии на восстановленное состояние молекулы ФАД-Н2, осуществляемый через посредство восстановления дигидроксиацетонфосфата (уже знакомого нам по гликолизу) до глицерол-3-фосфата за пределами митохондрии и обратного процесса внутри митохондрии. Эти небольшие молекулы способны «бесплатно» проникать в митохондрию и обратно. Однако налицо некоторая потеря энергии. Молекула ФАД-Н «стоит» 1,5 молекулы АТФ. (Следует добавить, что в сердце и печени существует механизм «эквивалентного» обмена, когда окисление НАД-Н снаружи внутренней митохондриальной мембраны обменивается на восстановление НАД+ внутри.) Прямой подсчет получаемой энергии затруднен тем, что количество протонов, перекачиваемых при движении электронов, количество протонов, необходимых для синтеза одной АТФ, сама величина протонного градиента – величины не вполне постоянные и зависят от концентрации протонов, АТФ и АДФ и других веществ; к тому же энергия протонного градиента тратится на многие цели. В целом получается, что аэробное расщепление одной молекулы глюкозы дает около 30 молекул АТФ, т. е. он в 15 раз эффективнее гликолиза. Вот что означает созданная жизнью атмосфера свободного кислорода для эффективности биологических процессов. Итак, на примере глюкозы мы рассмотрели, каким образом мы окисляем органические вещества до углекислого газа и воды в целях получения энергии. Принципиально здесь то, что образование углекислого газа из углерода органики идет в одной части этого сложного процесса, а образование воды – за счет соединения освободившегося водорода со свободным кислородом – в другой части. Образование АТФ – универсального носителя энергии – происходит в основном в этой второй части. Эти процессы идут постоянно и с большой скоростью в любой клетке нашего тела. Там происходит и множество других сложных процессов, но многие из них имеют общую часть, как правило, это именно ацетил-соА и цикл Кребса. Однако следует заметить, что в ходе окислительного фосфорилирования в макроэргических связях АТФ утилизируется только около 40 % расчетной энергии, которая должна выделиться от соединения водорода с кислородом. КПД не очень велик, но это плата за то, что энергия поступает в клетку маленькими порциями, запасенная в тех энергоносителях, которые она способна обрабатывать. Только в такой форме она в принципе может использоваться живыми существами. Сам процесс окисления органических молекул в процессе клеточного дыхания разбит на множество ступеней. Углеродная цепочка глюкозы не распадается на атомы углерода, чтобы тут же связаться с кислородом, как это происходит при горении. Вместо этого мы видели, как атомы углерода постоянно перегруппировывались в молекулах, содержащих от 3 до 6 этих атомов, а углекислый газ выделялся в ходе некоторых из этих перегруппировок. Это связано с ферментативной природой всех происходящих реакций – ферментам «удобнее» работать именно с органическими молекулами таких размеров. Соответственно для полного окисления углеводов до углекислого газа потребовалась цепочка веществ-посредников, которые должны были постоянно регенерироваться, – для этого и существует цикл Кребса. Это «изобретение» удобно еще и тем, что его элементы могут участвовать в самых разных процессах, протекающих в клетке. Тем самым через цикл Кребса имеется возможность «перенаправлять ресурсы» в нужную сторону и тем самым регулировать всю «экономику клетки». Цикл Кребса – не единственный циклический биохимический процесс. На следующей лекции мы познакомимся с еще одним важным биохимическим циклом. Лекция 6. ЭНЕРГЕТИКА ЖИЗНИ. 2. ОРГАНИКА ИЗ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА: ФОТОСИНТЕЗ И ХЕМОСИНТЕЗ Фотосинтез На примере глюкозы мы рассмотрели, как в живых организмах органические молекулы расщепляются до углекислого газа и воды для получения энергии. Теперь рассмотрим обратный процесс – как эти органические вещества (та же глюкоза) образуются из углекислого газа и воды, т. е. фотосинтез. На самом деле есть и другие, менее распространенные варианты биосинтеза органики, которые мы рассмотрим далее. Однако главный – именно фотосинтез, в результате которого на Земле ежегодно образуется 150 млрд т сахаров. Суммарную реакцию фотосинтеза мы уже вспоминали: СО2 +Н2О = (СН2О) + О2. При дыхании мы расщепляли глюкозу, чтобы произвести определенное количество (около 30 штук) молекул АТФ. Логично предположить, что для синтеза глюкозы нужно затратить сколько-то молекул АТФ. Причем если учесть далеко не стопроцентный КПД биохимических реакций, скорее всего для синтеза одной молекулы глюкозы придется затратить несколько больше молекул АТФ. Естественно будет предположить, что, подобно дыханию, процесс синтеза органики будет состоять из двух частей – та, которая имеет дело с АТФ, и та, которая имеет дело с глюкозой, т. е. сначала где-то должен произойти синтез АТФ как универсального энергетического ресурса, а уже потом – синтез глюкозы за счет энергии этой АТФ. Оба этих процесса действительно имеют место. Поскольку речь идет о том, чтобы увеличить, а не уменьшить количество органики, энергию для получения АТФ мы возьмем не из расщепления органики, а из другого источника. В самом распространенном случае источником будет являться солнечный свет. Еще в начале исследований фотосинтеза было показано, что имеет место группа реакций, зависящих от освещенности и не зависящих от температуры, а есть группа реакций, которая, наоборот, не зависит от освещенности и зависит от температуры. Первая получила название световой стадии фотосинтеза, вторая – темновой стадии фотосинтеза. Не следует понимать это в том смысле, что одна идет днем, а другая – ночью. Оба набора реакций протекают одновременно, просто для одной свет нужен, а для другой – нет. Довольно естественно для реализуемых задач то, что световая фаза фотосинтеза напоминает окислительное фосфорилирование, а темновая фаза представляет собой цикл, в чем-то похожий на цикл Кребса. Для ознакомления со световой фазой фотосинтеза нам необходимо рассмотреть такое химическое явление, как пигменты. Что такое пигменты? Это окрашенные вещества. А почему некоторые вещества окрашены, в то время как большинство веществ бесцветно? Что означает наше видение некоего цвета? Это означает, что от вещества нам приходит свет, в котором соотношение фотонов с разной длиной волны отличается от дневного белого света. Как вы знаете, белый свет представляет собой смесь фотонов в буквальном смысле всех цветов радуги. Окраска света означает преобладание определенных длин волн над другими. Мы рассматриваем вещества при дневном свете. Соответственно, если мы видим вещество окрашенным, значит, оно избирательно поглощает фотоны с определенными длинами волн. Не имея массы покоя, поглощенные фотоны перестают существовать. Куда же девается их энергия? Она идет на возбуждение молекулы, на перевод ее в новое, более энергетически насыщенное состояние. Чтобы иметь способность поглощать свет и переходить в энергетически насыщенное состояние, молекула должна представлять собой систему, в которой такое состояние возможно. Большая часть органических пигментов представляет собой вещества с регулярным чередованием двойных и одинарных связей между углеродами, т. е. с сопряженными двойными связями. Эти связи образуют резонансные системы, в которых электроны, участвующие в образовании двойных связей (образованных орбиталями, не задействованными в sp2-гибридизации), могут перемещаться по всей системе и находиться в нескольких энергетических состояниях. Число таких состояний и энергия, необходимая для перехода электрона из одного в другое, строго фиксированы для каждой молекулы. Это следует из квантовой физики – науки, наиболее трудной для понимания неподготовленного человека, каковыми мы с вами являемся. Поэтому примем это на веру, доверившись критическим свойствам научного сообщества, которое в свое время приняло квантовую теорию не без сопротивления, но ее огромные успехи развеяли все сомнения. Энергия, различающая состояния электрона в резонансных системах, такова, что близко соответствует энергии фотонов той или иной длины волны в пределах видимой части спектра. Поэтому резонансные системы будут поглощать те фотоны, энергия которых равна или немного больше перевода их электронов в одно из более энергетически насыщенных состояний. (Так как энергия фотона крайне редко в точности равна энергии возбуждения электрона, остаток энергии фотона после того, как основная ее часть отдана электрону, переходит в тепло). Именно поэтому вещества с резонансными системами как правило имеют окраску, то есть являются пигментами. Давайте посмотрим на молекулы некоторых важных для нашего случая пигментов. Для начала на самый важный пигмент – хлорофилл. Как и в случае гема, который присоединен к молекулам гемоглобина и цитохромов, мы видим ажурную и почти симметричную органическую конструкцию, включающую несколько двойных связей – порфириновое кольцо. В ее центре также находится атом металла, но не железа, как в случае гема, а магния. Он связан с четырьмя атомами азота (магний и порфириновое кольцо образуют комплекс). Мы вполне можем ожидать, что такая молекула будет окрашена, и не ошибемся. Эта молекула поглощает фотоны в фиолетовой и синей, а затем в красной части спектра, и не взаимодействует с фотонами в зеленой и желтой части спектра. Поэтому хлорофилл и растения выглядят зелеными – они попросту никак не могут воспользоваться зелеными лучами и оставляют их гулять по белу свету (делая его тем самым зеленее). К порфириновому кольцу в молекуле хлорофилла приделан длинный углеводородный хвост. На рис. 6.1 он немного похож на якорную цепь. Он и является таковой. Не имея электроотрицательных атомов, эта часть молекулы неполярна и, следовательно, гидрофобна. При помощи нее хлорофилл заякоривается в гидрофобной средней части фосфолипидной мембраны. Хлорофилл растений представлен двумя формами – a и b. В зеленых растениях примерно четверть хлорофилла представлена формой b. Он отличается тем, что одна метильная группа по краю порфиринового кольца -CH3 замещена на группу -CH2OH. Этого оказывается достаточно, чтобы сместить спектр поглощения молекулы. В ходе световой фазы фотосинтеза энергия поглощенных фотонов солнечного света преобразуется в возбужденное состояние электронов молекулы хлорофилла и в дальнейшем используется для синтеза АТФ – мы уже видели, как живые системы умеют приручать возбужденные электроны, ловко и с выгодой для себя с ними обращаясь. Несколько другую структуру имеют каротиноиды – красные и желтые пигменты. (Именно каротиноиды окрашивают морковку и рябину, они же являются витамином А.) Но и у них есть система сопряженных двойных связей, несколько более простая (рис. 6.2). Каротиноиды тоже участвуют в фотосинтезе, но в качестве вспомогательных молекул. Нам снова нужно сделать пространственную оговорку. Подобно тому как клеточное дыхание идет в митохондриях, фотосинтез идет в хлоропластах. Хлоропласты – это органеллы, похожие на митохондрии, но они крупнее и имеют более развитую внутреннюю структуру; наполнены плоскими пузырьками – тилакоидами, которые собраны в стопки – граны (рис. 6.3). Пигменты фотосинтеза располагаются на внутренней стороне мембраны тилакоидов. Они организованы в фотосистемы – целые антенные поля по улавливанию света – каждая система содержит 250–400 молекул разных пигментов. Но среди них принципиальное значение имеет одна молекула хлорофилла а – она называется реакционным центром фотосистемы. Все остальные молекулы пигментов называются антенными молекулами. Все пигменты в фотосистеме способны передавать друг другу энергию возбужденного состояния. Энергия фотона, поглощенная той или иной молекулой пигмента, переносится на соседнюю молекулу, пока не достигнет реакционного центра. Когда резонансная система реакционного центра переходит в возбужденное состояние, она передает два возбужденных электрона молекуле-акцептору и тем самым окисляется и приобретает положительный заряд. У растений существует две фотосистемы – 1 и 2. Молекулы их реакционных центров несколько различаются – первая имеет максимум поглощения света на длине волны 700 нм, вторая – 680 нм (оговорка сделана для того, чтобы пояснить изображения на схемах), обозначаются они Р700 и Р680. (Различия в оптимумах поглощения обусловлены небольшими различиями в структуре пигментов.) Обычно эти две системы работают сопряженно, как конвейер, состоящий из двух частей и называющийся нециклическим фотофосфорилированием (рис. 6.4). Производственный цикл начинается с фотосистемы 2. С ней происходит следующее: 1) антенные молекулы улавливают фотон и передают возбуждение молекуле активного центра Р680; 2) возбужденная молекула Р680 отдает два электрона кофактору Q (очень похожий на тот, который участвует в цепи переноса электронов в митохондриях), при этом она окисляется и приобретает положительный заряд; 3) под действием определенных ферментов, содержащих марганец, окисленная молекула Р680 восстанавливается, отнимая два электрона от молекулы воды. При этом вода диссоциирует на протоны и молекулярный кислород. Для создания одной молекулы кислорода нужно восстановить две молекулы Р680, потерявшие в сумме четыре электрона. Эти электроны в свою очередь заимствуются у атомов водорода, пребывавших в составе воды, в результате чего образуются четыре протона. Обратим внимание – именно здесь в ходе фотосинтеза образуется кислород. Поскольку он образуется путем расщепления молекул воды под действием света, этот процесс называется фотолизом воды; 4) эти протоны образуются во внутреннем пространстве тилакоида, где создается избыточная концентрация протонов по сравнению с окружающим пространством (т. е. более кислая среда). Таким образом, формируются наши старые знакомые – протонный градиент и мембранный потенциал. Мы уже знаем, как все это будет использовано: АТФ-синтетаза будет парами выпускать протоны наружу и синтезировать АТФ из АДФ. Обратим внимание на одно кажущееся отличие от митохондрий – при окислительном фосфорилировании в митохондриях протоны выкачиваются из пространства, ограниченного внутренней митохондриальной мембраной, и входят обратно через АТФ-синтетазу. В нашем случае протоны закачиваются во внутреннее пространство тилакоида и выходят оттуда через АТФ-синтетазу. Однако внутреннее пространстно тилакоида соответствует пространству между двумя мембранами хлоропласта – это как бы отшнуровавшиеся складки (подобные кристам митохондрий) внутренней мембраны; таким образом топологически он эквивалентен внешнему к хлоропласту пространству, то есть все процессы обмена протонами идут точно так же, как и в митохондрии. 5) между тем два электрона, поступившие к кофактору Q, передаются далее по цепочке белков, которая очень похожа на цепь переноса электронов. В ней тоже участвуют хиноны, цитохромы – белки, содержащие гем в комплексе с атомом железа, белки, содержащие железо и серу, опять-таки хлорофилл и пластоцианин – фермент, содержащий медь. И прохождение электронов по ней также сопровождается транспортом протонов против градиента концентрации сквозь мембрану тилакоидов, что опять-таки льет воду на мельницу АТФ-синтетазы; 6) в конце концов, электроны поступают от пластоцианина к реакционному центру фотосистемы 1 – молекуле Р700. В фотосистеме 1 происходит следующее: 1) антенные молекулы ловят фотон и передают энергию в резонансную систему реакционного центра Р700, который возбуждается и отдает два электрона акцепторному железосодержащему белку (Р430). Как и в случае фотосистемы 2, Р700 тем самым окисляется и приобретает положительный заряд; 2) эта молекула восстанавливается и теряет заряд, получив два «успокоившихся» (но не до исходного состояния – их энергия еще не до конца израсходована!) электрона, изначально поступивших от фотосистемы 2. В этом случае необходимости в фотолизе нет и его не происходит; 3) Р430 отдает электроны другому железосодержащему белку, который называется ферродоксин; 4) получив электроны, этот белок восстанавливает кофермент НАДФ+ до НАДФ-Н. Данный кофермент представляет собой фосфорилированный НАД. Процесс происходит на внешней мембране тилакоида. Для него необходим протон, который берется из внутреннего пространства хлоропласта, внешнему по отношению к тилакоиду. Тем самым протонный градиент только усиливается. Последний этап вам ничего не напоминает? Да, он напоминает то, как НАД-Н окислялся до НАД+ и отдавал электроны по цепи переноса электронов. Только тут все происходит в обратном порядке. Там НАДН передавал энергию электрону, который ее терял, проходя по цепи переноса электронов. А здесь, наоборот, электрон, возбужденный энергией солнечного света, накопленной двумя последовательно сопряженными фотосистемами, передает ее НАДФ+, восстанавливая его до НАДФ-Н. Действительно, вся световая фаза фотосинтеза похожа на окислительное фосфорилирование в митохондриях тем, что в ходе него по сходной цепи белков передаются электроны, в результате чего в некоем ограниченном мембраной пространстве – в данном случае внутреннем пространстве тилакоида – создается избыточная концентрация протонов, а на мембране – разность потенциалов. Возникающая потенциальная энергия электростатических сил используется для синтеза АТФ за счет движения протонов по градиенту, осуществляемого АТФ-синтетазой. Отличие от окислительного фосфорилирования состоит в том, что если там для возбуждения электронов использовалась восстановленная молекула НАД-Н, то здесь для этого используется свет, а НАДФ+, наоборот, восстанавливается и используется в темновой стадии фотосинтеза (а может быть далее использован и в тех же митохондриях). В целом получается, что протоны образуются во внутреннем пространстве тилакоида при фотолизе воды, закачиваются туда же в ходе работы фотосистемы 2 и черпаются из внешнего пространства тилакоида для восстановления НАДФ+ до НАДФ-Н, через посредство которого водород поступает в синтезируемые в ходе фотосинтеза углеводы. Однако фотосистема 1 может работать и автономно. При этом используется обходной путь переноса электронов от возбужденного реакционного центра – а именно та же цепь переноса электронов, которая ведет из фотосистемы 2. Электроны проходят по ней, вызывая сопряженный транспорт протонов из внешней среды тилакоида во внутреннюю, чем усиливается протонный градиент, и возвращаются обратно к реакционному центру фотосистемы 1 – Р700. Таким образом, здесь свет словно крутит колесо протонного насоса, не окисляя воды и не восстанавливая НАДФ. Это называется циклическим фотофосфорилированием (рис. 6.5). Оно может идти параллельно с нециклическим. Кроме того, оно используется некоторыми фотосинтетическими бактериями, которые в процессе фотосинтеза не выделяют кислорода. Приблизительный результат световой фазы фотосинтеза при нециклическом фотофосфорилировании можно записать в виде такой реакции: 2НАДФ+ 2АДФ + 2Ф- + 2H2O + 4 hv = 2НАДФ-Н + 2АТФ + O2. Здесь hv – условное обозначение энергии одного фотона, Ф – условное обозначение остатка фосфорной кислоты из раствора. Приблизительный он потому, что, как и при окислительном фосфорилировании, количество АТФ, синтезируемое АТФ-синтетазой, не связано жесткой зависимостью от количества электронов, пропущенных по цепочке белков в фотосистеме II. Наш приблизительный гешефт в результате световой фазы фотосинтеза, полная схема которой приведена на рис. 6.6, – одна АТФ и один восстановленный кофермент (который, как мы помним, при дыхании «стоит» 2,5 АТФ) на два фотона, т. е. почти две АТФ на один квант энергии, позаимствованной у одного пошлощенного фотона. Неплохо! Итак, мы рассмотрели, откуда в ходе фотосинтеза берется энергия (т. е. АТФ). Осталось рассмотреть, как с использованием этой энергии делается органика. Один из способов универсален и используется всеми автотрофами - организмами, которые способны самостоятельно производить органику из неорганики: растениями, сине-зелеными водорослям, фотосинтетическими и хемосинтетическими бактериями. Он называется циклом Кальвина (рис. 6.7). Это еще один замкнутый цикл взаимопревращения органических веществ одно в другое под действием специальных ферментов, подобный циклу Кребса. И кстати, еще одна Нобелевская премия, 1961 года – открывшему его Мелвину Кальвину. Цикл начинается с сахара, имеющего цепочку из пяти атомов углерода и несущего две фосфатные группы – рибулозо-1,5-бифосфат (и им же кончается). Процесс начинается, когда специальный фермент – рибулозобифосфаткарбоксилаза – присоединяет к нему молекулу СО2 (рис. 6.8). Образующаяся на короткое время шестиуглеродная молекула немедленно распадается на две молекулы глицерат-3-фосфата (он же 3фосфоглицерат, с этим веществом мы уже встречались в гликолизе). Каждая из них содержит три атома углерода (поэтому цикл Кальвина называется также C3-путь фиксации углекислого газа). Фактически фиксацию угелкислого газа в органике осуществляет именно этот фермент – рибулозобифосфаткарбоксилаза. Это на удивление медленный фермент – он карбоксилирует всего три молекулы рибулозо-1,5-бифосфата в секунду. Для фермента это очень мало! Поэтому самого данного фермента требуется много. Он фиксирован на поверхности тилакоидных мембран и составляет около 50 % от всех белков хлоропласта. Про него известно, что это самый распространенный белок в мире (подумайте почему). Глицерат-3-фосфат с затратой одной молекулы АТФ фосфорилируется до дифосфоглицерата. Тот, в свою очередь, дефосфорилируется до глицеральдегид-3-фосфата, причем в ходе этой реакции одна молекула восстановленного НАДФ-Н окисляется до НАДФ+. Снова затраты энергии! Получившееся соединение – глицеральдегид-3-фосфат – наш старый знакомый. Оно образуется в ходе расщепления глюкозы в процессе гликолиза, а именно при расщеплении фруктозо-1,6-бифосфата. Из него же в ходе ферментативных реакций, идущих без затраты энергии, можно получить глюкозу. Некоторые из реакций гликолиза необратимы (а именно те, в ходе которых дефосфорилируется АТФ), поэтому задействуются другие реакции и другие посредники. Казалось бы, вот и весь фотосинтез. Но для того чтобы он продолжался, нам нужно каким-то образом регенерировать рибулозо-1,5-бифосфат – основной субстрат фиксирующего углекислый газ фермента. Поэтому на каждые 12 молекул образовавшегося глицеральдегид-3-фосфата только две идут на синтез глюкозы, а 10 направляются на восстановление шести молекул рибулозо-1,5-бифосфата. В этом процессе участвует 12 х 3 = 6 х 5 = 30 атомов углерода, которые перегруппируются из 10 трехуглеродных молекул в 6 пятиуглеродных. При этом на входе мы имеем 10 фосфатных групп (по одной на каждую молекулу глицеральдегид-3-фосфата), а на выходе должны иметь их 12. Однако на 6 молекул глицерат-3-фосфата дополнительно тратится не 2, а 6 молекул АТФ. Если вычесть регенерирующие в ходе цикла вещества (которые дополнительно не синтезируются и не тратятся), то суммарное уравнение фиксации углекислоты получается таким: 6CO2 + 12НАДФ-Н +18 АТФ = 1 глюкоза + 12НАДФ+ + 18АДФ + 18Ф-+ 6H2O (здесь Ф – это свободная фосфорная группа). Мы получаем затраты 12 восстановленных коферментов и 18 АТФ на одну молекулу глюкозы. Если мы вспомним «цену» восстановленного кофермента в фирме «Цепь переноса электронов» в 2,5 молекулы АТФ, то получение одной молекулы глюкозы – единой межклеточной валюты – нам обходится, в единой клеточной валюте, в 48 АТФ. При ее расщеплении мы получали всего около 30 АТФ. Кажется, разница в курсе покупки и продажи называется «маржа». В данном случае она весьма немаленькая! Около 1/3 энергии теряется за счет КПД биохимических процессов. (В технике это было бы прямо-таки огромное значение КПД.) Как мы могли заметить, фотосинтез вообще немного напоминает клеточное дыхание, вывернутое наизнанку. Там в ходе замкнутого в цикл взаимопревращения небольших органических веществ некоторые из них расходовались с выделением углекислого газа и восстанавливались коферменты, которые потом окислялись, отдавая электроны в цепь переноса электронов, откуда они в конечном счете поступали к молекуляному кислороду с образованием воды. Здесь процесс начинается с отнятия электронов у воды с образованием молекулярного кислорода, оттуда они (получив энергию от света) поступают в цепь переноса электронов и в конечном счете идут на восстановление коферментов. Восстановленные коферменты и углекислый газ же вступают в циклическое взаимопревращение органических веществ, в которой они синтезируются с затратой АТФ. Даже участки внешнего по отношению к органелле пространства оказались вывернутыми наизнанку и стали внутренним пространством тилакоида. Заметим, что рассмотренного нами самого ходового варианта фотосинтеза есть один подводный камень. Рибулозобифосфаткарбоксилаза устроена так, что способна превращать рибулозо-1,5-бифосфат не только в желательные нам (т. е. растениям) две молекулы глицерат-3-фосфата, но и осуществлять прямо противоположную вещь – окислять ее при помощи кислорода до одной молекулы глицерат-3-фосфата, молекулы фосфогликолевой кислоты и молекулы углекислого газа (рис. 6.9). Фосфогликолевая кислота затем превращается в гликолевую кислоту и окисляется с помощью кислорода до еще двух молекул углекислого газа (это происходит в специальных органеллах клетки – пироксисомах, которые для этой цели тесно прилегают к пластидам). Вместо фиксации углекислоты в органической молекуле мы, наоборот, производим ее из органической молекулы. Этот процесс, поскольку он состоит в потреблении кислорода с высвобождением углекислого газа, называется фотодыханием, но в отличие от настоящего дыхания при этом не запасается никакой полезной энергии. Желательный процесс – н фиксация углекислого газа – преимущественно катализируется рибулозобифосфаткарбоксилазой при высоких концентрациях углекислого газа и низких – кислорода, а нежелательный – отщепление углекислого газа – наоборот, при низких концентрациях углекислого газа и высоких – кислорода, но именно эти условия и преобладают в атмосфере и клетках мезофилла – растительной ткани, в которой происходит фотосинтез. В результате за счет фотодыхания теряется до половины только что фиксированного углерода. Чтобы обойти это препятствие, многими неродственными растениями был выработан обходной путь фиксации СО2. Он называется С4-путь. При нем углекислый газ фиксируется дважды – сначала на молекуле фосфоенолпирувата с образованием яблочной кислоты, или малата (у других растений – аспарагиновой кислоты), которая имеет 4 атома углерода (рис. 6.10). Этот процесс катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой, который не фиксирован на мембране, а растворен в цитоплазме клеток мезофила. Кроме того, он использует не молекулу СО2 как таковую, а ее гидратированную форму - ион угольной кислоты СО3-, находящийся в равновесии с СО2 при его растворении воде. Затем яблочная кислота мигрирует в другие клетки (обкладки сосудистых пучков), где от нее молекула углекислого газа снова отщепляется, и тут же, как ни в чем не бывало, снова фиксируется обычным способом, то есть рибулозобифосфаткарбоксилазой, и вступает в цикл Кальвина. Образующийся при этом пируват возвращается в клетки мезофила, где фосфорилируется с затратой АТФ и преобразуется в фосфоенолпируват, который тем самым регенерирует - и все повторяется по циклу. Весь фокус в том, что в клетках обкладки, куда не проникает так много кислорода, создется повышенная концентрация углекислого газа, чтобы рибулозобифосфаткарбоксилаза катализировала нужную реакцию. Заметим, что, задействовав С4-путь мы вынуждены тратить дополнительную молекулу АТФ для того, чтобы фосфорилировать пируват. Обращую ваше внимание на то, что пируват и яблочная кислота уже встречались нам в цикле Кребса, т. е. для «спасения» темновой стадии фотосинтеза от фотодыхания была задействована какая-то часть этого старого доброго цикла. Типичный пример того, как обстоят дела в биохимии. Фактически С4-путь есть всего лишь надстройка над С3-путем для обеспечения его эффективности с использованием пространственной неоднородности условий. С3-путь сложился на заре существования жизни, когда в среде еще не было свободного кислорода, и оказался настолько базовой технологией в деле производства органики, что ни одно живое существо не изобрело с тех пор полностью альтернативной технологии. Надо сказать, что С4-путь эффективен при высоких температурах, но неэффективен при низких. Поэтому доля растений, которые им пользуются, повышается к югу. Есть еще и так называемый «путь толстянковых» – он реализован в семействе толстянковых и кактусовых. Это действительно очень толстые растения, которые растут там, где жарко и мало воды. Экономя воду, в течение жаркого дня они закрывают свои устьица (это отверстия, по которому в листья проникают газы) и поэтому не могут поглощать СО2. Фиксация СО2 у них происходит только ночью, в ходе которой в больших количествах запасается яблочная кислота. Днем, при закрытых устьицах, она декарбоксилируется, и регенерировавший СО2 вступает в цикл Кальвина (хоть он и относится к темновой фазе фотосинтеза). Так что эти растения тоже используют обходной С4-путь, фиксируя углекислый газ дважды, но у них его первичная фиксация разделена с циклом Кальвина не в пространстве (в разных клетках), как в предыдущем варианте, а во времени. Мы преднамеренно рассматриваем эти тонкости с тем чтобы отметить взаимосвязь биохимии с экологией – наукой о взаимодействиях организмов с внешней средой и друг с другом. Таким образом, темновая стадия фотосинтеза, т. е. именно синтез органики, существует в нескольких вариантах. Световая же фаза организована одинаково у всех зеленых растений и у цианобактерий (синезеленые водоросли). Однако у другого типа фотосинтезирующих бактерий, или фототрофных бактерий, не являющихся цианобактериями, – пурпурных и зеленых бактерий, реализованы и другие типы световой стадии фотосинтеза. Эти два типа фототрофных бактерий различаются структурой своих хлорофиллов и их набором. Причем пурпурный (или коричневый, желтый) цвет пурпурных бактерий обусловлен, как и у высших растений, каротиноидами. Самое интересное, что хлорофилл пурпурных бактерий способен поглощать фотоны и осуществлять фотосинтез в невидимой инфракрасной части спектра. Это очень важно на глубинах, в которые видимый свет не проникает. Внутреннее пространство клеток фототрофных бактерий заполнено фотосинтезирующими мембранными структурами, в некоторых случаях напоминающими тилакоиды. Общее уравнение фотосинтеза у фототрофных бактерий остается почти тем же самым, что и у зеленых растений: СО2 + Н2Х = (СН2О) + 2Х. Только кислород заменен на Х, в данном случае H2X – это не вода, а любое вещество, способное окисляться с передачей электрона в фотосистему и одновременно отдавать протон. Таким веществом может выступать сероводород, тиосульфат, молекулярный водород (в этом случае Х = 0) и органические соединения. У зеленых и пурпурных бактерий существуют фотосистемы только одного типа. Они могут осуществлять как циклическое фотофосфорилирование, при котором не нужен экзогенный донор электронов и водорода, так и нециклическое, при котором такой донор необходим. Зачем же растениям и цианобактериям потребовалось сопряженная работа двух фотосистем?. Дело в том, что для синтеза органики в цикле Кальвина необходима не только энергия, которая может поступать в виде АТФ, но и восстановленные коферменты НАДФ в качестве донора не только энергии, но и водорода. Для того, чтобы перевести электрон в состояние с настолько высокой энергией, которого будет достаточно для восстановления молекулы НАДФ+ до НАДФ-Н, необходимо последовательное использование двух фотосистем. Энергии двух фотонов также оказалось достаточно для того, чтобы отнять электроны от атома кислорода в составе воды. Примечательно, что в сопряженной паре двух фотосистем, которую впервые изобрели цианобактерии (сине-зеленые водоросли), фотосистема 1 происходит от фотосистемы зеленых бактерий, а фотосистема 2 – от фотосистемы пурпурных бактерий. Объединив два этих готовых механизма, цианобактерии оказались способны к окислительному фотолизу воды и восстановлению НАДФ+. Бактерии легко обмениваются генетическим материалом, и подобное объединение двух неродственных эволюционных линий для них не является чем-то исключительным. Растения унаследовали спаренную фотосистему от сине-зеленых водорослей. Каким образом – мы увидим это в лекции 8. Самый распространенный у фототрофных бактерий вариант фотосинтеза – это когда вместо воды используется соединение водорода с элементом из той же группы кислорода – сера. Фототрофные серные бактерии, у которых реализован такой вариант, поглощают сероводород, а выделяют серу. Серными бактериями является часть пурпурных и почти все зеленые бактерии. Где же такие бактерии должны жить? Следует полагать, что в областях активного вулканизма. Вулканы выделяют много серы, преимущественно в ее соединении с кислородом (сернистый газ SO3) и водородом (сероводород H2S). Да, в кратере активного вулкана особо не поживешь. Однако поблизости от него, а также у подножия потухших вулканов всегда есть места истечения вулканических газов – фумаролы. Обычно они располагаются в трещинах изверженных пород, которым соответствуют углубления поверхности, где соответственно скапливается вода. Эта вода насыщена сероводородом, что и являются благоприятной средой для фотосинтетических серных бактерий. В какой форме выделяется сера? Все серные фототрофные бактерии окисляют восстановленные соединения серы до минеральной серы – твердого вещества. У одних бактерий сера накапливается внутри клеток в виде твердых частиц. По мере гибели бактерий они выходят в окружающую среду. Другие способны выделять серу сразу в окружающую среду. Многие зеленые и пурпурные серные бактерии способны окислять серу дальше, вплоть до сульфатов, но в качестве субстрата для световой стадии фотосинтеза используется именно сероводород и некоторые другие соединения восстановленной серы с водородом. Однако фототрофные серобактерии встречаются не только в фумаролах – они могут появляться везде, где только ни встречается сероводород. А он часто образуется при анаэробном разложении органики другими бактериями. В частности, они развиваются, иногда в больших количествах, в придонном слое прудов, озер и морей. Большинство фототрофных бактерий – строгие (облигатные) анаэробы. Однако есть среди них и факультативные аэробы, способные жить присутствии кислорода. В приведенном уравнении Х может и равняться нулю. Такие фотосинтетические бактерии потребляют чистый молекулярный водород. Реакционный центр фотосистемы отнимает два электрона у атома водорода и превращает его в два протона. Бактерии, использующие в качестве восстановителя водород, менее распространены, чем серные бактерии. Большинство фототрофных бактерий способны к фотоокислению органических веществ (здесь Х – это органический радикал), но это уже вряд ли можно назвать фотосинтезом, так как органические вещества тут больше тратятся, чем образуются. Не надо забывать про существование циклического фотофосфорилирования – процесса, при котором не требуются молекулы-доноры ни протонов, ни электронов. Можно предположить, что это была исторически первая действующая схема световой стадии фотосинтеза, так как она самая простая, включающая всего одну фотосистему и не требующая дополнительных восстановителей. В ходе циклического фотофосфорилирования образуется не очень много АТФ, а в классическом его случае НАДФ+ не восстанавливается вовсе (но у некоторых фототрофных бактерий может и восстанавливаться). Наверняка, будучи «изобретено», циклическое фосфорилирование служило только лишь некоторым энергетическим подспорьем своим носителям. Но поскольку весь механизм работает на создании разницы концентрации протонов внутри и вне некоего мембранного пространства, то оказалось удобно усилить этот градиент путем окисления некоего водородсодержащего вещества – молекулярного водорода, воды или сероводорода. Наконец, достаточно недавно открыта совсем другая система фотосинтеза у галобактерий – микроорганизмов, развивающихся в концентрированных растворах поваренной соли и окрашивающих их в красный цвет. На самом деле они относятся к археобактериям – особым микроорганизмам, которые по многим признакам столь же отдалены от бактерий, как и от эукариот. Окраска обусловлена пигментом ретинальдегидом, который относится к классу каротиноидов. Этот пигмент родствен светочувствительному пигменту, ответственному за наше зрение. Он присоединен к белку бактериопсину на правах кофермента. Этот белок пронизывает мембрану клетки семью альфа-спиралями. Энергия фотона зеленого цвета отсоединяет ретинальдегид от бактериопсина. При этом бактериопсин срабатывает как протонная помпа и проталкивает протон сквозь мембрану. После этого ретинальдегид может реассоциировать с бактериопсином. Мы снова видим тот же принцип – создание градиента протонов и мембранного потенциала для синтеза АТФ. Причем градиент протонов создается самим фотосинтезирующим белком. При этом, как и при циклическом фосфорилировании, никакого дополнительного вещества не восстанавливается. Похоже, это самый простой из существующих в настоящее время путей фотосинтеза. Какой мы можем сделать вывод? Разные фотосинтетические системы могли изобретаться неоднократно и основываться на разных ключевых пигментах. Рассмотренный нами тандем из двух фотосистем, основанных на хлорофилле, – один из многих вариантов и, по-видимому, наиболее эффективный. Обе фотосистемы были изобретены фототрофными бактериями, объединены цианобактериями (сине-зелеными водорослями) и унаследованы растениями (как именно – мы увидим дальше). Надо заметить, что не все фототрофные бактерии являются автотрофами в полном смысле этого слова, т. е. способны развиваться на чисто минеральных средах. Большинство из них все же нуждается в тех или иных готовых органических веществах, так что фотофиксация углекислоты является для них всего лишь дополнительным источником органики. Именно так обстоит дело у галобактерий. Причем у них есть еще одна поразительная особенность – они не способны поглощать сахара и из экзогенной органики фактически «питаются» одними аминокислотами. Хемосинтез Синтез органики может происходить не только за счет солнечного света, но и за счет ресурса, освоение которого не требует такой продвинутой антенной техники, как фотосистемы на основе пигментов сложного строения, – за счет энергии, запасенной в химических связях неорганических веществ. Это так называемый хемосинтез. Организмы, способные к хемосинтезу и не нуждающиеся во внешнем источнике органических веществ, называются хемоавтотрофы. Хемоавтотрофы встречаются только среди бактерий, причем в современном мире разнообразие хемосинтетических бактерий невелико. Они были открыты в конце XIX в. отечественным микробиологом С. Н. Виноградским. Однако, как и в случае с зелеными и пурпурными бактериями, многие бактерии, способные к хемосинтезу, все же нуждаются в определенных органических веществах и к автотрофам формально отнесены быть не могут. В то же время понятно, что принципиальна сама способность к хемосинтезу, которая может служить основой для становления хемоавтотрофии. Рассматривая варианты бактериального фотосинтеза, мы с вами коснулись вулканизма, имеющего прямое отношение к данной теме. И действительно, те же самые вещества, которые фототрофные бактерии использовали в качестве доноров электронов в ходе фотосинтеза, могут быть использованы хемоавтотрофами для получения энергии путем их окисления без привлечения энергии света. Хемоавтотрофные бактерии могут использовать в качестве источника энергии, т. е. в качестве восстановителей: 1) соединения серы; 2) водород; 3) соединения азота; 4) соединения железа; и предположительно: 5) карбонат марганца MnCO3 до оксида марганца Mn2O3; 6) оксид трехвалентной сурьмы Sb2O3, окисляя его до пятивалентной Sb2O5. Так называемые бесцветные серные бактерии развиваются в сероводородных источниках, в том числе и горячих (некоторые имеют температурный оптимум около 50 оС), и даже в источниках, представляющих собой слабую (вплоть до однонормальной, рН = 0) серную кислоту или насыщенный раствор поваренной соли. Некоторые из этих бактерий встречаются в почве, в месторождениях серы и в некоторых разрушающихся горных породах (способствуя их так называемому сернокислому выветриванию). Естественно, к разным условиям приспособлены разные виды этих бактерий. Многие из них не только способны окислять одно какое-то соединение серы, а последовательно повышать ее степень окисления, т. е. окислять сероводород (H2S) до молекулярной серы (S), а молекулярную серу – до тиосульфата (S2O3-), тиосульфат – до сульфита (SO3-), сульфит – до сульфата, т. е. серной кислоты (SO4-). При этом степень окисления серы увеличивается от –2 до +6. Немудрено, что для хемосинтеза выбран такой элемент, как сера, степень окисления которого способна варьировать в столь широких пределах. Некоторые способны окислять серу даже из нерастворимых сульфидов тяжелых металлов. Такие бактерии используются для разработки обедненных месторождений этих металлов. Воду с бактериями пропускают через измельченную руду, представленную сульфидами, и собирают ее, обогащенную сульфатами соответствующих металлов. Как мы знаем, все, что нам нужно от любых источников энергии, это получить АТФ. Получение АТФ на основе восстановления серы может идти двумя путями. Самый поразительный путь – почти прямой. Он реализуется как минимум при окислении сульфита. Сульфит взаимодействует с АМФ с образованием аденозинфосфосульфата (АФС). Именно в этой реакции степень окисления серы меняется с +4 до +6, причем высвободившиеся электроны передаются в цепь переноса электронов для окислительного фосфорилирования. Молекула АФС, в свою очередь, заменяет сульфатную группу на остаток свободной фосфорной кислоты из раствора с образованием АДФ, тогда как сульфат высвобождается в раствор. (На всякий случай напомним, что каждая такая реакция катализируется специальным ферментом.) АДФ уже содержит одну макроэргическую связь. Фермент аденилаткиназа из двух молекул АДФ делает одну молекулу АТФ и одну АМФ. Мы видим здесь простейший из всех рассмотренных нами путей синтеза АТФ – всего в три этапа. Фермент катализирует соединение непосредственного источника энергии – соединения серы – с АМФ, а следующий фермент – замещение остатков одной кислоты на другую с образованием АТФ. Отнятые у серы электроны могут направляться в цепь переноса и без фосфорилирования АМФ – в этом случае окисление серы производится непосредственно одним из цитохромов. Как видим, в обоих процессах задействовано окислительное фосфорилирование, требующее свободного кислорода. Поэтому бактерии-хемосинтетики – это, как правило облигатные аэробы. Данный пример нам показывает, что: 1) пути получения АТФ при хемосинтезе отличаются разнообразием и 2) среди них есть и очень простые; возможно, они эволюционно возникли самыми первыми. Кстати, КПД хемосинтеза на основе серы невысок – при нем используется от 3 до 30 % энергии, заключающейся в восстановленных формах серы. Чтобы окислять серу и извлекать из одного этого энергию без привлечения ее дополнительных источников, современные хемосинтетические бактерии нуждаются в сильном окислителе, и им является кислород. Это или молекулярный кислород воздуха, или кислород нитратов (NO3-). Как вы знаете, нитраты, т. е. селитра, очень хороший окислитель и используется при изготовлении пороха. Бактерии, использующие в качестве единственного источника энергии окисление водорода, – водородные бактерии, живут в почве и водоемах. Окисление водорода происходит через цитохромы с использованием цепи переноса электронов, т. е. с использованием молекулярного кислорода как акцептора электронов. Таким образом, для жизни этих бактерий необходимо присутствие в среде не только водорода, но и кислорода – фактически они живут на гремучей смеси и используют энергию, которая могла бы выделиться в результате сгорания водорода. Это довольно большая энергия, и используют они ее достаточно эффективно – до 30 %. Общее уравнение водородного хемосинтеза таково, что на шесть молекул окисленного водорода приходится одна фиксированная в синтезируемых органических соединениях молекула СО2. Любопытно, что водород, используемый водородными бактериями, выделяется в качестве побочного продукта жизнедеятельности другими бактериями – обычными гетеротрофными, которые используют в качестве источника энергии готовую органику. Одновременное присутствие водорода и кислорода – опятьтаки очень редкая экологическая ситуация. Возможно, именно поэтому все водородные бактерии могут усваивать уже готовые биологические органические вещества Хемосинтез на основе азота осуществляют нитрифицирующие бактерии. Как вы знаете, азот, как и сера, относится к элементам, легко меняющим степень окисления. Имеется две группы нитрифицирующих бактерий. Одна восстанавливает аммоний (NH4+) до нитритов (NO2-), при этом степень окисления азота меняется с –3 до +3. Вторая группа окисляет нитриты до нитратов (NO3-), повышая степень окисления азота до +5. Все нитрифицирующие бактерии – облигатные аэробы. Электроны от азота передаются в цепь переноса электронов посредством флавопротеина (содержащего флавин) либо через цитохромы. Имеются также бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трехвалентного. Из них способность к автотрофному существованию доказана только для нескольких видов, являющихся одновременно серными бактериями и способных окислять молекулярную серу и различные ее соединения с кислородом и тяжелыми металлами. Общее уравнение хемосинтеза в этом случае выглядит так: 4Fe2+SO4 + H2SO4 +O2 = 2Fe3+2(SO4)3 + 2H2O. Такие бактерии, живущие в болотах, образуют болотные месторождения железа. Все рассмотренные хемоавтотрофы получают энергию путем окисления неорганических веществ и запасают ее в виде молекул АТФ. Энергия, запасенная в АТФ, используется ими для фиксации углекислоты и построения биологических органических молекул. Для этого все они используют уже рассмотренный нами цикл Кальвина. Вспомним, однако, что в этом цикле, помимо АТФ, необходим еще и НАДФ-Н. В то же время энергетического выигрыша от окисления всех используемых для хемосинтеза веществ недостаточно для восстановления НАДФ-Н из НАДФ+. Поэтому его восстановление идет в виде отдельного процесса с затратой части АТФ, полученной в ходе хемосинтеза. Итак, хемосинтез представляет заманчивую возможность использования энергии неорганических соединений элементов, которые легко меняют степень своего окисления, для получения АТФ и синтеза органических веществ путем фиксации углекислого газа. Отметим, однако, четыре обстоятельства. 1. Большинство известных случев хемоавтотрофии требуют свободного кислорода в качестве окислителя, в редких случаях он замещается кислородом нитратов. А как вы помните, кислород в атмосфере является продуктом фотосинтеза. Все это означает, что с точки зрения геохимического круговорота веществ хемосинтез на Земле сейчас вторичен по отношению к фотосинтезу. 2. Такие вещества, как аммиак, сероводород и водород часто сами образуются в результате жизнедеятельности бактерий, правда совсем других, которые используют для получения энергии и построения вещества своего тела такой эффективный ресурс, как уже готовая органика. Таким образом, во многих случаях за счет хемоавтотрофов общее количество органики не прирастает. Они просто являются элементами общей цепи ее расщепления, включающей множество микроорганизмов – просто на этом этапе добавляется локальный ресинтез органики из СО2 за счет энергии каких-то промежуточных соединений, образованных в процессе ее глобального разложения. 3. Преобладающий в настоящее время на планете тип хемосинтеза - окисление сероводорода вулканического происхождения. 4. Кислород воздуха легко окисляет сероводород «самостоятельно», без помощи микроорганизмов. Поэтому эти два газа почти не встречаются вместе. К примеру, глубинные слои почвы характеризуются восстановительной средой, там есть метан и сероводород, но нет кислорода. Восстановительная среда сменяется окислительной, где присутствует кислород, но нет сероводорода – в очень узком слое, здесь есть оба газа – буквально несколько миллиметров. Именно и только там и могут развиваться почвенные хемосинтетические серобактерии. (Еще более экзотично одновременное присутствие кислорода и водорода.) Однако на планете есть места, где оба газа – сероводород и кислород – присутствуют в достаточных концентрациях одновременно. И даже в настоящий момент большое количество органики образуется там в результате хемосинтеза. Давайте выясним, откуда вообще берется вулканизм. Вы слышали о дрейфе континентов? Кто не слышал, вспомните карту мира и обратите внимание на то, что, если Африку сдвинуть на запад, ее очертания очень хорошо впишутся в берега обеих Америк. Да, континенты медленно плывут! Африка и Америки раскололись и плывут друг от друга. Азия и Северная Америка плывут навстречу друг другу. Индия относительно недавно откололась от Африки, рванулась на северо-восток и врезалась в Азию. В результате в месте столкновения выросли Гималаи и Тибет, а недавнее землетрясение на Алтае произошло оттого, что она все еще не может остановиться. Земная кора под океанами гораздо тоньше, чем под континентами. Континенты плавают по ней как льдины. Когда континенты наступают на океан, как, например, Евразия и Америка на Тихий, происходит субдукция – континенты подминают под себя земную кору, она погружается в мантию и расплавляется. Именно в зонах субдукции – например по всей периферии Тихого океана – имеет место вулканизм, который достаточно легко наблюдать в виде вулканов и горячих источников, богатых серой, в которных мы находим хемосинтезирующие бактерии. Там же, где континенты расходятся, а океан раскрывается, как, например, Атлантический, континенты растаскивают океаническую земную кору за собой. В результате посередине океана имеется трещина – рифтовая зона, по которой из мантии поднимается расплавленная магма, застывает и образует новую океаническую кору. Это область скрытого от наших глаз, но гораздо более мощного вулканизма. По сторонам трещины вырастают подводные вулканические горы, а сама трещина все же выглядит как впадина между двумя горными цепями. Это называется – срединный океанический хребет. Здесь имеется множество истечений вулканических газов, богатых соединениями серы и углекислым газом. Они получили название черных курильщиков. Почему курильщиков и почему черных? Соединения серы с металлами – сульфиды – как правило, окрашены в черный цвет. (Кстати, кто знает, почему море Черное? Потому что на определенной глубине его вода насыщена сероводородом и все металлические предметы там чернеют.) Источники рифтовой зоны выбрасывают очень много сульфидов, растворенных и взвешенных в горячей воде – такие струи отдаленно напоминают клубы черного дыма, а выпавшие в осадок сульфиды образуют вокруг источников причудливые постройки высотой в несколько десятков метров. В Черном море не идет активный хемосинтез, так как на той глубине практически нет кислорода – все это потому, что его конфигурация способствует застою воды. А в рифтовых зонах океанов вода подвижна и кислород есть. Немаловажно, что черный курильщик подогревает воду и тем приводит ее в движение, способствующее газообмену. Этот ресурс не проходит незамеченным для морских обитателей, поэтому вокруг черных курильщиков формируются процветающие сообщества морских организмов. Их основу составляют хемосинтетические бактерии, которые покрывают эти самые сульфидовые постройки черных курильщиков ровным слоем. Там идет интенсивнейший хемосинтез, в ходе которого большие количества углекислого газа фиксируются и переходят в биологические органические молекулы. В рифтовой зоне Тихого океана, на периферии черных курильщиков располагаются колонии совершенно поразительных животных – вестиментифер. Их открыли всего около 20 лет назад, сейчас известно десятка два видов. Они представляют собой нечто вроде червей длиной от 15–30 см до 2,5 м, живущих в трубках, через открытый конец которых высовывается венец алых щупалец (рис. 6.11). Они принадлежат к особому семейству многощетинковых кольчатых червей – сибаглидам, хотя весьма и отичаются от остальных кольчатых червей по строению тела; это семейство раньше даже считались отдельным типом – погонофорами. У них хорошо развита кровеносная система, но нет ни рта, ни кишечника. Вдоль тела у них проходит так называемая трофосома (по-гречески трофос – питание, сома – тело) – тяж, состоящий из особых клеток и кровеносных сосудов. Внутри клеток находятся хемосинтезирующие серные бактерии – только одного вида (из около двухсот во внешней среде курильщиков). Они окисляют сероводород до серной кислоты (которая нейтрализуется карбонатами). Вестиментиферы самопереваривают часть этих своих клеток и таким образом питаются. Спрашивается, а как сероводород попадает в трофосому? Он транспортируется туда гемоглобином крови вместе с кислородом. Кислород связывается с гемом, сероводород – с белковой частью гемоглобина. Красные (от гемоглобина) щупальца служат жабрами – они поглощают кислород и сероводород. Таким образом, вестиментиферы существуют за счет симбиоза – взаимовыгодного сожительства с организмами другого типа. И строят свое тело из органики, полученной в результате хемосинтеза (но с использованием хемосинтетического кислорода). В колониях вестиментифер за счет хемосинтетической органики (в основном просто питаясь вестиментиферами) живут крабы, креветки, усоногие ракообразные, двустворчатые моллюски, осьминоги, рыбы и т. п. И заметьте, никаких растений! Только бактерии и животные. Напомним, что на этих глубинах солнечный свет полностью отсутствует. Все это соседствует с практически безжизненными океанскими глубинами, куда почти не достигает фотосинтетическая органика, поступающая с океанской поверхности, поскольку почти вся она утилизируется микроорганизмами по дороге. Там донная биомасса составляет всего 0,1–0,2 г / м2 (оценка плотности биомассы возле курильщиков мне не встречалась, но она на несколько порядков больше). Такое буйство жизни возможно потому, что за счет конвекционного перемешивания в черных курильщиках имеется довольно широкая зона вод, в которых присутствует одновременно и сероводород, и кислород, тогда как зона одновременного присутствия этих газов в почве составляет всего несколько миллиметров. Геологи давно находили загадочные трубки в месторождениях серебряных, медных и цинковых руд, которые образовались 350 млн лет назад. Месторождения формировались из сульфидов рифтовой зоны. Вестиментиферы тогда уже были. Для сравнения: динозавры вымерли 65 млн лет назад. Сделаем одно отступление. Несколько раньше вестиментифер были открыты их родственники – погонофоры – в основном глубоководные морские организмы схожего строения. Вместо трофосомы у них имеется так называемый срединный канал – нечто вроде закрытого с обоих концов кишечника. В нем тоже живут симбиотические бактериии, но не хемосинтетические, а метанотрофные. Они «питаются» метаном (CH4). А что мы знаем о метане? Это один из основных компонентов природного газа. Судя по всему, погонофоры живут в районах расположения подводных месорождений нефти и газа и могут на них указывать. Что характерно, в рифтовой зоне Атлантического океана вестиментифер нет. Скорее всего они просто не успели туда попасть за время существования этого океана. Зато там, как и в Тихом океане, имеются: 1) креветки, у которых сероводородные симбионтные бактерии живут на поверхности ротовых конечностей; 2) двустворчатые моллюски, у которых они живут в жабрах; 3) ярко-красные многощетинковые черви, у которых они живут на поверхности тела (причем червь может их каким-то образом усваивать через поверхность). Как сказано ранее, все организмы сообщества черных курильщиков сделаны из органики, полученной из углекислого газа вулканического происхождения посредством энергии соединений серы вулканического же происхождения. Однако, поскольку все они (включая бактерии) использовали в качестве окислителя свободный кислород, все же нельзя сказать, что они существуют независимо от фотосинтеза. Де-факто в жизнь этих экосистем на паритетных началах вложились хемосинтез и фотосинтез. Недра Земли доставили в эти экосистемы восстановитель, а Солнце (через фотосинтезирующие растения) – окислитель. Надо заметить, что источник окислителя – более молодой, чем источник восстановителя. Энергия Солнца берется из термоядерного синтеза гелия из водорода. Энергия же химических соединений недр Земли была запасена в них, грубо говоря, при формировании Земли, а она формировалась из космического газа и пыли одновременно с Солнцем, в составе Солнечной системы в целом. Солнце – звезда второго поколения, следовательно, Солнечная система, включая землю, сформировалась в результате конденсации вещества, выброшенного при взрывах сверхновых звезд первого поколения. История эволюции биологических процессов обмена вещества и энергии на Земле Мы с вами, как животные, окруженные в основном животными и растениями, не должны забывать о разнообразии возможных вариантов организации обмена вещества и энергии у живых существ. Все они (и даже наверняка такие, о которых мы не догадываемся) были реализованы у прокариот, тогда как эукариоты унаследовали только два из них – «животный» и «растительный». Вообще же «экономическая» сторона жизни имеет, подобно марксизму (хотя эта шутка вряд ли сейчас актуальна), имеет три источника: энергии, углерода и электронов (т. е. вещество, используемое как восстановитель; из элементов донором электронов чаще всего является водород). По источнику энергии все живые существа делятся на фототрофов – использующие энергию света, и хемотрофов – использующие энергию химических связей. По источнику углерода они делятся на автотрофов – использующих углекислый газ, и гетеротрофов – использующих органические вещества. По источнику электронов они делятся на органотрофов – использующие водород органики, и литотрофов – использующих неорганические вещества – производные литосферы. Это могут быть молекулярный водород, аммиак, сероводород, сера, угарный газ, соединения железа и др. Скажите, кто по этой тройственной классификации мы с вами? Мы не используем энергию света непосредственно, мы используем энергию питательных веществ. Значит, мы хемотрофы. Откуда мы берем углерод для построения молекул своего тела? Тоже из пищи, значит, мы гетеротрофы. А откуда мы берем электроны? Какое вещество мы окисляем? Наверное, самый нетривиальный вопрос. Давайте догадаемся. Выше не раз было сказано, что кислород является сильным окислителем. Можно догадаться, что окисление происходит там, где используется кислород. Где он используется? Во всех вариантах: и в бытовом, и в биохимическом этот процесс называется дыханием. Вспомним обобщенное уравнение дыхания: (CH2O) + O2 = CO2 + H2O. Мы видим, что кислород отнял водород от углевода, при этом его окислив. И здесь исходным источником электронов служит органика пищи. Стало быть, мы, животные – хемоорганогетеротрофы. А растения? Они фототрофы, это понятно. Они автотрофы, это мы тоже усвоили. А что они в конечном счете окисляют? Давайте теперь снова вспомним уравнение фотосинтеза. Собственно, вспоминать ничего и не надо, просто переставим правую и левую части предыдущего уравнения: CO2 + H2O = (CH2O) + O2. Окисляется же здесь сам великий окислитель – кислород. В молекулярном кислороде степень окисления у него 0, во всех веществах слева – -2. А восстанавливается углерод (который окисляется в обратной реакции). Он находится в неорганическом веществе – углекислом газе. Вспомним, однако, что фотосинтез идет в две стадии и кислород образуется в процессе фотолиза воды, когда электроны отрываются от молекулы воды. Вода тоже неорганическое соединение, таким образом, растения – фотоавтолитотрофы. Наша лекция посвящена получению энергии и фиксации углерода из углекислого газа в органику. Но в биологической органике есть и другие важные элементы. Многие из них, такие как фосфор, сера, доступны в водорастворимых веществах. Другое дело азот. Он тоже доступен в водорастворимых веществах, таких как соли аммония, нитриты и нитраты. Однако почти все они в современном мире (за исключением продуктов вулканизма) сами биогенного происхождения, а абиогенный азот существует только в молекулярной форме. Поэтому фиксация атмосферного азота – сама по себе важная проблема. Ее умеют решать только бактерии, в том числе и цианобактерии. Не будем вас обременять биохимическими схемами фиксации азота. (Заметим, что во всех таких схемах все самые важные действующие лица – ферменты – всегда остаются за кадром ввиду своей необыкновенной сложности: в схемах рисуют только взаимопревращения субстратов и продуктов ферментативных реакций). Мы только что ознакомились с физико-химическими механизмами, при помощи которых живые существа добывают энергию и производят органические вещества, из которых они состоят. Нам известна их необыкновенная сложность. Как и в случае белков и нуклеиновых кислот, нас не может не поражать универсальность этих сложных процессов. У всех живых существ, кроме некоторых археобактерий, есть гликолиз. Практически у всех нынешних организмов (за исключением некоторых совсем деградировавших паразитических прокариот), даже анаэробных, есть АТФ-синтетаза, работающая на разности концентраций протонов как гидроэлектростанция на разности уровня воды. У всех организмов, которые дышат молекулярным кислородом или производят его, имеется цикл Кребса, цепь переноса электронов, в которую входят многие цитохромы, а также У всех автотрофов, производящих органику, будь то бактерии или растения, есть цикл Кальвина. Здесь следует задаться немаловажным вопросом: как или хотя бы в какой последовательности вся эта немыслимая механика возникла? Совершим небольшой мысленный экскурс в проблему возникновения жизни. Как вы думаете, кто появился раньше – автотрофы или гетеротрофы? В голову может прийти простая мысль, что поскольку автотрофы создают органические вещества, а гетеротрофы их только едят, то жизнь должна была начинаться с автотрофов, так как гетеротрофам, появись они первыми, просто нечего было бы «есть». Эта мысль совершенно неверная. Она представляет собой доведение до абсурда принципа актуализма – реконструкции ситуаций прошлого на основе того, что есть сейчас. Гетеротрофы должны были появиться раньше автотрофов, поскольку они элементарно могут быть гораздо проще устроены – ведь получать энергию путем разрушения сложных молекул проще, чем строить эти сложные молекулы из простых, получая при этом энергию из какого-то другого источника. Принцип «ломать – не строить» абсолютно универсален, поскольку представляет собой достаточно точное отражение второго начала термодинамики. У нас нет никаких оснований допускать, что жизнь изначально возникла как нечто сразу очень сложное, поэтому мы должны рассматривать возникновение и эволюцию жизни как путь от простого к сложному. Откуда вообще возникла жизнь? В общем, если отбросить сказочные варианты, то единственное, что приходит на ум и нам, и серьезным ученым – это то, что самые первые живые системы самоорганизовались из какой-то «неживой» органики, которой для этого должно было быть довольно много. Согласно современным данным науки, так оно и было: на поверхности Земли тогда существовало очень много достаточно сложных органических соединений, появившихся внебиологическим путем. Вот и «еда» для первых гетеротрофов! Но она должна была бы достаточно быстро кончиться. Гетеротрофы некоторое время могли бы есть друг друга, но при всех подобных процессах идут неизбежные потери вещества и энергии. Их запасы в биосфере должны были каким-то образом пополняться. Вот здесь уже ситуацию спасло появление автотрофов. Наверняка это не были фотоавтотрофы. Фотосинтез слишком сложно организован. Все ученые единодушны во мнении, что первыми автотрофами были хемоавтотрофы. Мы уже убедились, что химические пути извлечения энергии из неорганических веществ даже сейчас отличаются разнообразием. Совершенно очевидно, что на заре становления жизни это разнообразие было еще больше, как было больше и разнообразие химических ситуаций. Тогда был гораздо активнее вулканизм и бомбардировка космическими телами, в атмосфере отсутствовал в значимых концентрациях свободный кислород, что позволяло существовать на земной поверхности разнообразным неорганическим восстановителям (аммиак, водород и др.), в конце концов присутствовала органика абиогенного происхождения. Атмосфера тогда имела восстановительный характер и в дефиците был скорее окислитель. Все это должно было провоцировать организмы, исходно возникшие из абиогенной органики именно как потребители этой самой органики, переходить на самые разнообразные неорганические источники энергии. Но и хемоавтотрофы отличаются весьма сложной биохимией. Любая автотрофность требует существования систем, связанных с созданием и использованием разности концентрации протонов по сторонам мембраны, прежде всего цепи переноса электронов и АТФ-синтетазы. Как же все это возникло? На этот счет есть весьма правдоподобная, хотя и довольно неожиданная, теория о том, какие стадии проходило развитие первоначальной жизни на нашей планете. 1. Изобретение гликолиза. Единственный универсальный и при этом весьма малоэффективный механизм получения энергии у живых существ – это гликолиз. По всей видимости, первые живые существа существовали за счет того, что получали некоторое количество АТФ посредством подобных современному гликолизу процессов окисления имевшейся в среде богатой водородом абиогенной органики (из которой они сами и самоорганизовались), иными словами, за счет брожения. В ходе этих процессов водород через посредство НАД-Н или НАДФ-Н переносится с одних органических молекул на другие. Как правило, восстановленные молекулы идут на построение живого вещества, а окисленные выбрасываются в окружающую среду в виде «отходов производства». Такие молекулы обычно представляют собой органические кислоты (молочная, уксусная, муравьиная, пропионовая, масляная, янтарная – все эти варианты встречаются у современных бактерий). 2. Изобретение протонного насоса. Как следствие этой первичной химической активности жизни окружающая среда неуклонно закислялась. Можно предположить, что на какой-то стадии развития жизни богатые органикой воды Земли – как минимум насыщенные ими грунты или даже весь Мировой океан – в буквальном смысле прокисли. Закисление водной среды потребовало развитие систем активной откачки протонов из клеток в целях поддержания их внутренней среды. Такая откачка велась с затратой АТФ специальными белковыми насосами, пронизывавшими клеточную мембрану. Живые организмы на этой стадии продолжали оставаться гетеротрофами. 3. Изобретение цепи переноса электронов. Абиогенная органика была невозобновимым ресурсом. Ее оставалось все меньше, добывать АТФ путем гликолиза становилось все труднее. А сопротивление прогрессировавшему закислению посредством протонных насосов требовало все больше АТФ. Для решения проблемы закисления иным способом были изобретены системы связанных с мембранами белков, которые осуществляли трансмембранный транспорт протонов против градиента концентрации за счет энергии окислительно-восстановительных реакций, связанных с переносом электронов с одних имевшихся во внешней среде в избытке веществ на другие, но уже без посредства НАД-Н или НАДФ-Н. Такими веществами были накопившиеся в среде органических кислоты и неорганические вещества. Системы трансмембранного экспорта протонов, о которых шла речь, и были прообразом цепи переноса электронов. Бактерии, живущие в кислой среде, до сих пор используют цепь переноса электронов для поддержания менее кислой внутренней среды. За счет возникновения цепи переноса электронов была достигнута экономия АТФ, поэтому носители этой цепи получали несомненное преимущество перед теми организмами, которые ее не имели. 4. Изобретение АТФ-синтетазы. Системы экспорта протонов через мембрану, использующие окислительно-восстановительные реакции, постепенно совершенствовались и в конце концов превзошли по эффективности АТФ-зависимые мембранные насосы. Это дало возможность обратить работу последних. Теперь они, наоборот, запускали протоны внутрь клетки, синтезируя при этом АТФ из АДФ. Так возникла АТФ-синтетаза, использующая для синтеза АТФ разницу в концентрации протонов. Как сказано выше, действие АТФ-синтетазы обратимо – при высоких концентрациях АТФ и небольшой разнице потенциалов по обе стороны мамбраны, она, наоборот, создает градиент концентрации протонов. Именно в качестве протонного насоса АТФ-синтетаза (а этот белковый комплекс имеется у всех без исключения современных живых существ) работает у анаэробных бактерий. Создание АТФ-синтетазы было важнейшим прорывом. На этой стадии организмы решили и проблему поддержания внутренней среды, и проблему получения энергии, впервые став из гетеротрофов автотрофами, а именно хемоавтотрофами. Подобно современным хемоавтотрофам, они получали энергию за счет окислительно-восстановительных реакций с использованием цепи переноса электронов. Однако помимо энергии для жизни необходим синтез восстановленной органики. Ее абиогенные запасы были к тому времени практически исчерпаны. Для синтеза такой органики de novo необходимы сильные доноры водорода, такие как восстановленный кофермент НАДФ-Н. Восстановление этого коферментаможет идти, как и синтез АТФ, за счет разности концентрации протонов путем обращения цепи переноса электронов и работы фермента, аналогичного современной НАД-Н-дегидрогеназы, который тогда работал в обратном направлении – восстанавливал НАД-Н из НАД+. Обращаем ваше внимание на то, что эти организмы были анаэробными хемотрофами, которые в современном мире встречаются исключительно редко. В отсутствие такого сильного окислителя, как кислород, скорее всего первые схемы хемосинтеза были основаны на окислительно-восстановительных реакциях с незначительным энергетическим выигрышем. Идея использования протонного градиента состояла в том, что небольшой выигрыш многих таких реакций суммировался в нем и мог быть использован в таких реакциях, требующих значительных затрат энергии, как восстановление НАДФ-Н. 5. Изобретение фотосинтеза и фотосистемы 1. Как видим, многие предпосылки для фотосинтеза к этому времени уже существовали – были изобретены АТФ-синтетаза, цепь переноса электронов и биохимические пути синтеза органики с использованием НАД-Н. До фотосинтеза оставался один шаг – появление пигментов, способных улавливать энергию фотонов и передавать ее в систему окислительновосстановительных реакций, связанных с цепью переноса электронов. Антенные системы современных фотосинтетиков отличаются большой сложностью, у первых же они наверняка должны были быть довольно просты. Мы уже рассмотрели простой механизм использования энергии света галобактериями. Существует мнение, что самыми первыми антеннами, способными улавливать энергию фотонов, были все те же наши старые знакомые – азотистые основания нуклеиновых кислот. Как вы помните, там тоже существуют резонансная система из чередующихся двойных и одинарных связей, хотя и не таких впечатляющих масштабов, как у хлорофиллов. Вероятно, из дошедших до наших дней фотосистем первой возникла фотосистема 1, что привело к появлению зеленых серных бактерий. Возможно опять-таки, что исторически первым возникло циклическое фотофосфорилирование, не требующее внешних окислителей и восстановителей. Однако наиболее важным была приобретенная этой фотосистемой способность прямо восстанавливать НАДФ+ до НАДФ-Н за счет энергии солнечного света, отнимая электрон, к примеру, у сероводорода и окисляя его до атомарной серы, как у современных зеленых серобактерий. Обратим внимание на то, что сера играет важную роль в составе белков фотосистемы 1. Кстати, это произошло 3–4 млрд лет назад, т. е. спустя всего миллиард лет после возникновения Земли. Время хемоавтотрофов прошло, началось время фотоафтотрофов. 6. Изобретение фотолиза воды. Проблемой первых фотосинтетиков был дефицит хороших неорганических восстановителей. Вода – «очень плохой» восстановитель, зато имеется в неограниченном количестве. Объединение двух фотосистем, унаследованных от зеленых (фотосистема 1) и пурпурных (фотосистема 2) серных бактерий в одну сопряженную систему, произошедшее у сине-зеленых водорослей, (цианобактерий) позволило, путем соединения энергии двух последовательно уловленных фотонов, окислять воду, отнимая электроны у атомов кислорода. Это было важным прорывом в энергетике первых организмов, имевших поистину чудовищные последствия. С объединением двух фотосистем у предков цианобактерий, или сине-зеленых водорослей, появились организмы с минимальными потребностями в химических веществах окружающей среды. Это привело к появлению большого количества биогенной восстановленной органики – жизнь стала процветать. Однако на земной поверхности стал появляться такой страшный яд, как свободный кислород. Поначалу весь кислород, выделявшийся в ходе фотосинтеза, уходил на окисление ионов двухвалентного железа, в изобилии содержавшихся в Мировом океане, до трехвалентного, которое стало осаждаться в виде окислов железа. Этот процесс начался 2,7 млрд лет назад и закончился около 2 млрд лет назад. Все эти 700 млн лет (напомним, что динозавры вымерли всего 65 млн лет назад) на Земле существовал фотосинтез современного типа, сопровождавшийся фотолизом воды, свободный кислород образовывался, однако в атмосфере он отсутствовал. Это значит, что на Земле еще не было изобретено дыхание. И это значит опятьтаки, что на планете не было предпосылок для существования эффективных гетеротрофов. Не могло идти речи не только о «животных», но и об аэробных бактериях, которые в современном мире играют такую важную роль в расщеплении биогенной органики. Можно сказать, что все это время на Земле существовал некий золотой век, земной рай, в котором никто никого не ел (и не ел даже трупы). Его населяли самые совершенные и воистину безгрешные живые существа, «питавшиеся» солнечным светом, водой, углекислым газом и азотом воздуха. Это были цианобактерии, или сине-зеленые водоросли (те самые, которые прекрасно существуют и поныне). В качестве наиболее автономных живых существ они совершеннее растений, поскольку, подобно многим бактериям, умеют фиксировать азот атмосферного воздуха. (Растения этого не умеют и вынуждены использовать окисленный азот нитратов или восстановленный азот аммония, который сейчас имеет биогенное происхождение.) Сине-зеленые водоросли жили и процветали в виде колоний на мелководьях. Эти колонии имели более или менее шарообразную форму и нарастали с поверхности. На них оседали мелкие частички грунта, обогащенного трехвалентным железом, которые в конце концов погребали отмершие клетки внутри колонии. В отсутствие «животных» возраст индивидуальной колонии мог быть очень большой. Такие колонии сохранились в виде окаменелостей, называемых строматолитами (переводится с греческого как «слоистые камни»), камнями, имеющими структуру концентрических слоев, часто обогащенных железом. 7. Изобретение дыхания. Однако «безгрешность» цианобактерий была кажущейся. Выделяя в ходе фотолиза воды такой сильный окислитель, как кислород, они исподволь отравили Мировой океан и подготовили крах своего мирного райского царствования, быстро сменившегося тем привычным для нас адом голодных демонов, где живые существа непрерывно пожирают друг друга. (Это все конечно же метафора. Но вот недавно вышел учебник биологии, изданный Православной церковью, где говорится, что до грехопадения Адама самки комаров, возможно, питались нектаром цветов, который-де мог содержать гемоглобин. Вот это уже не смешно, это попытка вернуть нас во времена дичайших суеверий путем воспитания детей с привлечением лжи и безумных фантазий.) Примерно 2 млрд лет назад двухвалентное железо в океане закончилось и кислород стал поступать в атмосферу. Современного содержания в атмосфере он достиг между 1,5 и 0,5 млрд лет назад. Появление кислорода потребовало перестройки всей биохимии практически всех живших тогда существ, так как он в прямом смысле отравлял многие ферменты (вернее, коферменты). В то же время в среде появился мощный окислитель, который был приспособлен в качестве акцептора электоронов в цепях переноса электронов, чем существенно повысил их эффективность. Так возникло клеточное дыхание. Многие современные пурпурные бактерии умеют перестраиваться с фотосинтеза на дыхание с использованием одних и тех же цепей переноса электронов. Только на этой стадии стало возможным появление гетеротрофов, пользующихся процессами более эффективными, чем гликолиз, причем гораздо более эффективными (вспомните – в 18 раз!). Начался ренессанс гетеротрофов. Вы знаете, что в настоящее время существует огромное количество аэробных бактерий. Все они происходят от фотосинтетических бактерий, утративших способность к фотосинтезу, но сохранивших цепь переноса электронов. Даже наша кишечная палочка происходит от пурпурных бактерий! Возникли предпосылки появления организмов, живущих за счет эффективного окисления органики, произведенной автотрофами. Тем самым безраздельному царствованию автотрофов был положен конец. Немаловажно, что вместе с прекращением отложений трехвалентного железа в это время катастрофически сократилось нефтенакопление. Если раньше биогенной органики образовывалось так много, что ее излишки после долгих химических преобразований отлагались в недрах в виде нефти, которая послужила бонусом для таких отдаленных потомков организмов тех дней, как мы с вами, то с появлением дыхания возник ажиотажный спрос на эту органику, которую новый агрессивный потребитель начал забирать прямо от производителя. Вспомним, сколько проблем растениям доставляет фотодыхание – отщепление молекулы углекислого газа от молекулы рибулозобифосфата ферментом рибулозобифосфаткарбоксилазой вместо фиксации молекулы углекислого газа из окружающей среды на ней же, которое происходит в условиях избытка кислорода и недостатка углекислого газа - то есть в преобладающих условиях нашей планеты. И тем не менее, все растения используют именно этот фермент в качестве ценрального для фотосинтеза, хотя в поисках обходных путей для преодоления фотодыхания некоторые научились фиксировать углекислый газ и другими способами. Нам следует заключить, что за 700 миллионов лет существования фотосинтеза современного типа в почти анаэробных условиях, несмотря на выделение в ходе него кислорода, этот процесс был настолько отлажен и стандартизован, что альтернативных механизмов аэробного фотосинтеза не было выработано, появлялись лишь некоторые надстройки к нему. 8. Появление митохондрий и пластид. Около 1,5 млрд лет назад некоторые аэробные бактерии стали жить в клетках примитивных (и изначально анаэробных!) эукариот и со временем превратились в митохондрии. С этого момента стало возможным появление животных, первоначально одноклеточных. Все современные эукариоты имеют митохондрии, и все эти митохондрии родственны между собой и явно были «одомашнены» только один раз. Лишенные митохондрий первичные анаэробные эукариоты до наших дней не дошли. Позже некоторые цианобактерии, также перейдя к жизни внутри эукариотических клеток, превратились в пластиды водорослей, причем это происходило у разных водорослей как минимум трижды. От зеленых водорослей впоследствии произошли растения. Во всех случаях пластиды были приобретены клетками, митохондрии уже имевшими. Эти клетки «умели дышать», но не умели синтезировать органику, т. е. это были животные клетки. Таким образом, растения, т. е. способные к фотосинтезу эукариоты, имеющие пластиды и митохондрии, произошли от животных (конечно, это происходило на одноклеточном уровне). Мы видим, что развитие, или эволюция жизни на Земле (о значении слова «эволюция» мы подробнее поговорим в 15-й лекции), проходила очень неравномерно. Периоды длиной в сотни миллионов лет, когда ничего принципиально нового не происходило, сменялись быстрыми конструктивными прорывами, в результате которых лик Земли кардинальнейшим образом преображался. Каждый из этих прорывов сопровождался изобретением способа преодоления какого-то дефицита – сначала это был дефицит восстановителей, а потом и дефицит окислителей. Каждого из таких «изобретений» приходилось ждать сотни миллионов или миллиарды лет, что говорит лишь о том, что они происходили случайно – любая «целенаправленная» инженерная деятельность была бы гораздо эффективнее. В результате жизнь на земле научилась обходиться самыми недефицитными ресурсами – водой, углекислым газом, атмосферным азотом, а главным источником энергии – невозобновляемым (!), но практически неиссякаемым стал являться солнечный свет. Возможно, лику Земли еще предстоит изменяться, и не исключено, что теперь уже вследствие «разумной» деятельности человека. А вот насколько она окажется целесообразной и не приведет ли человека и жизнь в известных нам формах к гибели – это еще вопрос. Заканчивается шестая лекция. Первая была посвящена определению жизни, а пять остальных – всяческой химии. И это правильно! Вспомним то определение жизни, на котором мы тогда остановились: совокупность самоподдерживающихся открытых систем, существующих, в виде особых структур, за счет постоянного протока вещества и притока энергии и способных к более или менее точному самовоспроизведению. Большая часть из того, о чем здесь говорится, реализуется на рассмотренном нами химическом уровне. За более или менее точное самовоспроизведение отвечают нуклеиновые кислоты, способные к матричному биосинтезу. Проток вещества и приток энергии реализуется посредством ферментативных реакций с участием довольно простых органических кислот, особых нуклеотидов, коферментов-посредников и более сложных белково-пигментных систем, таких как фотосистемы и цепь переноса электронов. Пожалуй, за рамки рассмотренной нами химии выходит только оговорка «в виде особых структур». Нам с вами в двух схожих между собой случаях уже были нужны особые структуры – пространство, ограниченное мембраной, по разные стороны которой создается разница в концентрации протонов – внутреннее пространство митохондрии в процессе окислительного фосфорилирования и внутреннее пространство тилакоида в случае световой стадии фотосинтеза. На самом деле за кадром нашего рассмотрения все время оставалась как минимум еще внешняя мембрана клетки, которая отграничивала наш химический реактор с тонко настроенной концентрацией различных веществ от внешнего пространства. Таким образом, мы рассмотрели почти всю сущность жизни, которую нам необходимо дополнить ее структурной организацией. К этому мы и перейдем в следующей лекции, потому что, по сути, вся биология сверх биохимии – это наука о биологических структурах. Мы начнем со структур на так называемом клеточном уровне. Лекция 7. КЛЕТКА 1. КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА, КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА, ЯДРО Перейдем от структурных формул к рассмотрению структур, которые можно увидеть хотя бы под микроскопом, пусть и электронным. Мы ознакомились с жизнью как со сложнейшим биохимическим предприятием по преобразованию сотен тысяч, если не миллионов, разных сложных органических молекул. Большое количество этих процессов происходит одновременно и совместно в одних и тех же растворах, и они разделены и предопределены исключительно специфичностью осуществляющих их ферментов. Но и из общих соображений ясно и мы уже встречались с тем, что во многих ситуациях разные части этого производства должны быть расположены в специальных цехах, в которых поддерживается специальная химическая среда (та же кислотность) и на поверхности которых определенным образом организованы ферменты. И первое, в чем нуждается живая система, – это в локализации собственного пространства и отграничении от пространства окружающего. Иначе все вещества, включая ферменты, разойдутся по градиенту своей концентрации в окружающую среду (несомненно, водную, так как все живые процессы идут в водных растворах или гелях) и не смогут встретиться друг с другом. По-видимому, жизнь возникла не в воде как таковой, иначе бесконечное разведение не позволило бы ей сложиться, а в какой-то капельной среде – в грунте, пористых горных породах и т. д., где пространственная ограниченность обеспечивалась извне. О возникновении жизни можно говорить с того момента, когда первые самовоспроизводящиеся системы научились хоть в какой-то мере ограничивать себя самостоятельно. Основные теории, описывающие, как все это происходило, достойны специального рассмотрения, а пока нам нужно принять хозяйство по описи и рассмотреть, что мы имеем сегодня. А сегодня мы имеем, что все живое организовано на основе элементарной и более или менее самодостаточной структурно-функциональной единицы – клетки. Причем каждый живой организм либо является клеткой, либо состоит из многих клеток и является колонией или государством клеток, как мы с вами (мы являемся государством ни много ни мало из миллиона миллиардов клеток). Почти каждая клетка проявляет все основные свойства живого организма: она питается, растет, реагирует на внешние сигналы, взаимодействует с другими клетками, иногда движется и обычно (но не всегда!) размножается. Размножаются клетки посредством деления (иногда почкования, что, по сути, является неравным делением). Важно, что каждая клетка происходит от клетки же и не может возникнуть иным путем. Все биохимические процессы, связанные с получением энергии и синтезом биологических органических веществ, происходят внутри клетки. Внутри клетки же хранится и реализуется генетическая информация. Внутри клетки находятся сотни тысяч различных ферментов и других белков, но ограниченное число их видов может специально выделяться во внешнюю среду. Углеводы находятся как внутри клеток, так и снаружи. Жиры и липиды, как правило, находятся внутри клеток, если они и выделяются из организма (допустим, в наших сальных железах), то только после разрушения накопивших их клеток. А вот нуклеиновые кислоты в норме всегда находятся только внутри клеток. Поговорим о самом простом – о размере клеток. Исключения как в большую, так и в меньшую сторону поразительны, но обычные размеры клеток прокариот – 0,5–5 мкм, а эукариот – 10–50 мкм. Мы все хорошо знаем миллиметр – одна тысячная метра. Микрометр – это одна тысячная миллиметра. Таково подавляющее большинство клеток. Потому что именно это – оптимальный размер всего хозяйства, организованного, как живая клетка, из полимерных макромолекул. Исключения представляют собой особые случаи. Давайте же их рассмотрим. Желток любого яйца – одна клетка – а именно яйцеклетка. Соответственно яйцеклетка вымершего (не без помощи человека) мадагаскарского страуса эпиорниса достигала в объеме 6 л. У таких клеток основное клеточное хозяйство размазано в виде пластиночки на одной из сторон, все остальное пространство занято запасным веществом – желтком, представляющим собой определенные запасные белки (преимущественно лецитин), кроме того, в нем довольно много запасенной впрок матричной РНК. Однако все это вместе – одна клетка, окруженная клеточной мембраной. Вы знаете, что нервные клетки общаются друг с другом при помощи особых отростков, являющихся частью клетки. При этом многие отростки, по которым сигнал собирается (дендриты), короткие, а один отросток, по которому передается (аксон), длинный. Нервная система моллюсков устроена таким образом, что сигналы от мозга передаются клеткам тела фактически без посредников. Соответственно длина аксонов гигантских кальмаров достигает пары десятков метров. Кроме яиц вы постоянно сталкиваетесь и с другими клетками, которые можно увидеть невооруженным глазом – в переспевшей мякоти яблока или арбуза. Там клетки немногим меньше миллиметра, но они в основном заполнены огромными пузырьками с соком. Клетки, в которых практически нет «ничего лишнего», т. е. которые представляют собой фабрики, но не склады – невелики. Особенно это касается клеток, которые активно делятся, прежде всего, клеток зародышей животных или растущих верхушек растений. Самые мелкие клетки – 0,1 мкм в поперечнике – наблюдаются у микоплазм – своеобразных бактерий, до крайней степени упростившихся за счет своего образа жизни внутриклеточных паразитов. Главные свойства всех клеток одинаковы. Основные различия существуют между двумя типами организмов (мы уже знакомы с ними – это прокариоты и эукариоты), различия же между клетками одноклеточных и многоклеточных эукариот незначительны. Рассмотрим важнейшие компоненты клетки. 1. Клеточная мембрана Рассмотрим сначала, что есть общего у всех без исключения клеток. Пожалуй, главный атрибут клетки, который делает ее таковой, это внешняя клеточная мембрана, или плазмалемма. Она отграничивает клетку от внешней среды, часто наряду с клеточной стенкой. Однако клеточная стенка есть только у прокариот, растений и грибов, тогда как у животных ее нет. А мембрана присутствует всегда. Толщина клеточной мембраны – 5–7 нм. Как сказано ранее, микрометр – это одна тысячная миллиметра, а нанометр – одна тысячная микрометра. Вот о таких тонких материях мы с вами сейчас и рассуждаем. Мембрана – это оболочка с весьма примечательными свойствами. Она не имеет постоянной формы, а ограничиваемое ею пространство – постоянного объема, и, вообще-то говоря, она жидкая, хотя и вязкая. Внутренний объем клетки она ограничивает силами поверхностного натяжения. Устройство мембраны замечательно. Ее основу составляют уже знакомые нам фосфолипиды – вещества с длинным двойным неполярным и, следовательно, гидрофобным хвостом и полярной головкой (рис. 7.1). Фосфолипиды выстраиваются в два слоя – хвостами внутрь, головами наружу. Это называется липидный бислой. Их хвосты образуют другую, не смешивающуюся с водой и водными растворами, но тем не менее жидкую гидрофобную фазу в виде пленки. «Головы» же фосфолипидов ориентированы к водной среде снаружи и внутри клетки. В водной среде фосфолипиды всегда располагаются в виде бислоя и образуют пузырьки. Это свойство обеспечивает замкнутость клеточной мембраны: если ее целостность нарушить, то она тут же восстанавливается. Так же устроены молекулы детергентов – веществ, составляющих основу стирального порошка. Они потому и стирают, что связываются гидрофобной частью молекулы с гидрофобными, нерастворимыми в воде веществами грязи, а за счет гидрофильной части молекулы этот комплекс – грязь+ детергент – растворяются в воде. Все видели бензиновую пленку на лужах. Это тоже гидрофобная фаза, которая не смешивается с водой и располагается на поверхности. Но она очень текучая и не имеет упругости, а мембрана – вязкая и достаточно упругая на растяжение. С химической точки зрения клеточная мембрана больше похожа на пленку, образующую пузыри стирального порошка. Но опять-таки она более вязкая и упругая и по этим свойствам больше похожа на воздушный шарик. Кстати, в живой клетке непременно присутствует определенное избыточное давление. Это так называемое осмотическое давление. Природа его такова. Во внутриклеточной среде в растворе находится довольно много гидрофильных веществ – полярных органических веществ (например, сахара) и ионов (органические кислоты, аминокислоты и соли). Вода имеет сродство к ним за счет своего дипольного момента и водородных связей. Поэтому молекулы воды стремятся занять все свободные места возле молекул этих веществ – это выгодное энергетическое состояние. По этой причине каждая такая молекула гидратируется – окаймляется максимально большим количеством рыхло связанных с ней молекул воды. Как следствие вода притягивается к гидрофильным молекулам в клетке, накапливается внутри нее и создает там избыточное давление. В клетке поддерживается такая концентрация гидрофильных веществ, чтобы некоторое осмотическое давление имело место, но не такое сильное, чтобы оно могло разорвать клетку. Прочность мембраны и осмотическое давление, т. е. концентрация гидрофильных веществ во внутренней среде, подогнаны под оптимальное значение, которому соответствует определенный объем клетки. Объемы нормальных функциональных клеток в нормальных для них условиях достаточно постоянны. Если поместить их в среду, где концентрация гидрофильных веществ вне клетки будет существенно меньше, чем внутри (такая среда называется гипотоничной), то клетка начнет разбухать, пока не лопнет, вследствие того что фосфолипидов мембраны не хватит на всю ее поверхность. Если же концентрация гидрофильных веществ во внешней среде будет много выше, чем в клетке, т. е. среда будет гипертоничной, то клетка начнет терять воду и сдуется. Возможно, вам знакомо такое понятие – физиологический раствор (физраствор). Это раствор поваренной соли, в котором ее содержится ровно столько, чтобы живые клетки не набухали и не сдувались, а их внутреннее осмотическое давление всегда слегка превосходило осмотическое давление раствора. Чтобы не нарушить осмотическое давление внутри организму, именно физраствор используется для инъекций. Осмотическое давление создают любые гидрофильные вещества. Это могут быть соли, а могут быть незаряженные вещества, например тот же сахар. И это используется в повседневной практике консервации продуктов – именно из-за высокого осмотического давления бактерии не живут в варенье. Они там просто обезвоживаются. Мало кто может жить и в крепких растворах соли. Это обстоятельство, в частности, используется при засолке (а вернее – заквашивании) продуктов – благодаря давно выверенным практикой рецептам, в среде создается такая концентрация поваренной соли, при которой не могут жить большинство бактерий, но успешно живут дрожжи. Для извлечения энергии из углеводов засаливаемых продуктов они осуществяют знакомый нам гликолиз, в данном случае сопровождающийся выделением молочной кислоты, а заодно обогащают продукт витаминами (собственного тела). Кстати, не вызвало ли вышесказанное такой вопрос: как вода проникает в клетку, если она окружена гидрофобной внутри мембраной? Детали этого процесса до конца не выяснены, но нужно принять во внимание, что двойной слой фосфолипидов – это не все, что есть в мембране, и гидрофобная пленка – не сплошная. Здесь не раз было сказано, что некие белки фиксированы на мембране. Так вот, мембрана вся насыщена белками и белковыми комплексами. В клеточной мембране белки могут уступать по массе фосфолипидам, а могут и превосходить. Как вы помните, у белков весьма велик диапазон варьирования гидрофильность / гидрофобность за счет варьирования аминокислотного состава гидрофильности. Белки, локализованные на мембране, заякориваются в гидрофобном слое фосфолипидных хвостов, а их гидрофильные, как правило, реакционноспособные части торчат внутрь и наружу клетки. При этом белок, погруженный в мембрану, за счет гидрофобного взаимодействия с фосфолипидами имеет совсем другую конформацию, чем тот же белок в водной среде. Вообще, расположение белков на мембране дало повод назвать описывающую ее модель плодоовощной – они там сидят, как огородные растения, имеющие корнеплоды, с глобулярной гидрофобной частью, погруженной в «почву» мембраны, и с гидрофильными частями в виде ботвы (рис. 7.3). Участки некоторых белков пронизывают мембрану насквозь. Это так называемые трансмембранные белки. Иногда это целые белковые комплексы – поры. Вода и растворенные в ней простые вещества могут проникать через мембрану сквозь систему в той или иной степени гидрофильных белков и пор – путем диффузии. Направление диффузии таково, что вещества идут из области с большей их концентрацией в область с меньшей. Это называется – по градиенту концентрации, или по химическому градиенту. Если вещества заряжены, то имеет значение и электрическое поле. Разные стороны клеточной мембраны могут иметь разный заряд, и это влияет на диффузию заряженных веществ – они идут по электрохимическому градиенту. Некоторые липиды могут проникать в клетку путем диффузии непосредственно сквозь фосфолипидный слой. Все упомянутые способы перемещения веществ через мембрану путем диффузии объединяются термином пассивный транспорт. Но большая часть сложных веществ, включая, между прочим, и жирные кислоты с углеводородными цепочками свыше 10 атомов углерода, обмениваются через клеточную мембрану посредством специальных транспортных белков. Часть таких переносов проходит самопроизвольно, а часть требует затраты энергии, т. е. гидролиза молекулы АТФ. Первый случай называется облегченным транспортом через мембрану, а второй – активным транспортом. Если скорость диффузии зависит только от разности концентрации самого вещества, то скорость облегченного и активного транспорта – также и от концентрации транспортного белка в мембране, а скорость активного транспорта – еще и от концентрации АТФ. Разные типы трансмембранного транспорта представлены на рис. 7.2. Кроме того, бывают случаи так называемого котранспорта – когда транспорт одного вещества через мембрану непременно связан с транспортом другого вещества, в том же самом или в противоположном направлении. Во втором случае транспортный белок фактически обменивает одно вещество на другое по разные стороны мембраны. Однако активным транспортом переносятся не только «тяжелые грузы» – крупные и сложные органические молекулы. До 30 % всей энергии клетки затрачивается на поддержание разности концентраций внутри и снаружи неорганических ионов. Наиболее известный случай, и при этом пример котранспорта – это так называемый натрий-калиевый насос. Концентрация калия в наших клетках составляет около 100–150 ммоль, а в крови и плазме – в 30 раз меньше, всего около 5 ммоль. Концентрация натрия, наоборот, составляет 10–20 ммоль внутри и в 15 раз больше – около 145 мм – вовне. Как достаточно простые молекулы, ионы калия и натрия проникают за счет диффузии по градиенту своей концентрации наружу и внутрь соответственно. Причем ионы калия делают это в десятки раз быстрее: атом калия больше по диаметру, но за счет этого его ион меньше притягивает воду, поэтому он менее гидратирован, т. е. окружен меньшим количеством прилипших к нему молекул воды) – как следствие, эффективный диаметр иона калия в воде меньше, чем иона натрия. Натрий-калиевый насос катализирует гидролиз АТФ, при этом он фосфорилируется сам и одновременно открывается вовне клеточной мембраны, выталкивает связанный с ним ион натрия. Там он может связаться с ионом калия, что катализирует дефосфорилирование насоса и открывание его внутрь клеточной мембраны, с высвобождением иона калия внутрь. Таким образом, натрийкалиевый насос обменивает ионы натрия на ионы калия, делая это против градиента концентрации, тем самым поддерживая это далекое от равновесия со средой состояние клетки. Оно не является самоцелью – разница в концентрациях этих ионов используется в самых различных процессах. Вот, к примеру, как организован транспорт глюкозы в клетку. Имеется белок – насос, перекачивающий глюкозу. Это некий трансмембранный белок, имеющий центр, связывающий молекулу глюкозы. Кроме того, белок имеет два состояния: «пинг» – когда он открыт внутрь клетки, и «понг» – когда он открыт наружу. Причем белок переключается между этими состояниями случайным образом и безо всякой затраты энергии. Однако центр связывания устроен таким образом, что сила связывания молекулы глюкозы напрямую зависит от присутствия ионов натрия в среде. Соответственно молекула глюкозы прочно связывается с белком при большой концентрации ионов натрия, и непрочно – при маленькой. В состоянии «понг» белок открыт наружу клетки, где концентрация натрия гораздо выше, чем внутри. Поэтому в этом состоянии он преимущественно связывается с глюкозой. Если после этого он перейдет в состоянии «пинг» и откроется внутрь клетки, где натрия мало, молекула глюкозы тут же отсоединится от него. Таким образом, данный трансмембранный белок осуществляет транспорт глюкозы с той стороны мембраны, где концентрация ионов натрия велика, на ту сторону, где она низка, хотя у самого его нет никакого предпочтительного направления именно переноса глюкозы. И более того, работа этого насоса идет без всякой затраты энергии. Однако сам транспорт глюкозы идет с затратой энергии, а именно энергия тратится на создание самой разницы в концентрациях ионов натрия посредством натрий-калиевого насоса. Такое явление называется вторичный активный транспорт. Разница в концентрации ионов натрия и калия используется также при передаче возбуждения по нервным клеткам. А разница в концентрации ионов кальция важна для мышечного сокращения. Мы уже сталкивались с одним, пожалуй, наиболее важным специализированным трансмембранным транспортным комплексом – АТФ-синтетазой. Она не просто осуществляет пассивный транспорт протонов по градиенту концентрации, но и умудряется за счет этого синтезировать АТФ (причем работу этого фермента можно обратить). Кроме транспортной функции, мембранные белки могут осуществлять передачу сигнала извне клетки внутрь нее. Этим занимаются рецепторы – гормонов, медиаторов или физических воздействий. Рецепторы гормонов и медиаторов взаимодействуют со своими субстратами, в результате чего меняют конформацию, связываются с другими белками и вместе с ними погружаются внутрь клетки, передавая сигнал в ядро. Необходимо отметить, что молекулы фосфолипидов и белков могут беспрепятственно перемещаться вдоль мембраны – это называется текучесть мембраны. Но они почти не перемещаются поперек, т. е. не переходят из внутреннего слоя во внешний и наоборот. И фосфолипидный состав слоев часто довольно существенно отличается. В частности, на внутреннем слое мембраны обычно преобладают фосфолипиды с отрицательно заряженными головками. Аналогично, а частично и в силу этого мембранные белки не меняют свою ориентацию – внутрь или наружу – относительно клеточной мембраны. Далее, текучесть мембраны зависит от температуры – как вы догадываетесь, связь этих параметров прямая. Фосфолипиды с предельными жирными кислотами дают более вязкую мембрану, чем с непредельными. Так что у клетки есть возможность влиять на текучесть своих мембран (а значит, и на крепость своей внешней границы) путем синтеза тех или иных фосфолипидов. Многие белки мембраны несут на своих частях, обращенных вовне, нерегулярные олигосахариды строго определенной структуры – такие белки называют гликопротеидами. Это своего рода опознавательные знаки клетки. Через них осуществляется ее специфическое узнавание другими клетками или специальными белками. Иногда специфические олигосахариды присоединены к липидам – это гликолипиды. Например, группа крови определяется присутствием либо отсутствием одного из двух или обоих олигосахаридов определенной структуры на внешней стороне мембраны эритроцитов. 2. Клеточная стенка Как вы понимаете, плазмалемма – очень непростая оболочка. Она может менять форму и площадь поверхности. Благодаря разнообразным белкам она может пропускать или не пропускать самые разные наборы вещества. Но это полужидкая и неизбежно очень нежная оболочка, которая вряд ли может предотвращать клетку от серьезных механических повреждений. Поэтому у многих организмов клетка окружена еще и клеточной стенкой. Это жесткое мало- или совсем нерастяжимое образование, внешнее по отношению к клетке. Как правило, она в той или иной степени сохраняет форму, упруга и прочна, в ряде случаев – очень прочна и обладает изрядной толщиной. Она состоит из веществ, вырабатываемых внутри клетки, выделяемых ею наружу и там затвердевающих. Чаще всего основу клеточной стенки составляют полисахариды. Но иногда большая часть стенки представлена другими твердыми органическими веществами. Именно клеточные стенки наблюдали создатели первых микроскопов, и именно им, клеточным стенкам древесины, мы обязаны самим словом «клетка», так как сначала ученые увидели только стенки и лишь много позже получили представление о содержимом. Можно было бы сказать, что клеточная стенка – явление универсальное, если бы не одно важнейшее исключение. Клеточной стенки нет у животных. Ни у одного животного и ни у одной клетки! И у нас с вами, естественно, тоже. Индивидуальные клетки животных могут нести на внешней поверхности определенные структурные белки, которые никогда не образуют плотной стенки. У многоклеточных животных могут быть сколь угодно прочные и толстые внешние покровы всего организма и отдельных органов, но их нет у индивидуальных клеток. Нет клеточной стенки и у одноклеточных животных – простейших. Именно поэтому возможны такие существа, как амебы, которые меняют форму своего тела, перетекая в выпячивания своего тела произвольной формы. Многие простейшие окружены известковой (в том числе и некоторые амебы) или кремниевой раковиной, часто очень сложного строения, но никогда плотной органической оболочкой. Кроме животных на свете, как вы знаете, существуют растения, грибы и бактерии. Хороший вопрос: где граница между животными и растениями? Вы, наверное, слышали, что есть такая эвглена зеленая – то ли животное, то ли растение, которая плавает при помощи жгутика, зеленая и фотосинтезирующая на свету и бесцветная (только что не пушистая) и питающаяся бактериями и тому подобным в темноте. Ее часто выдают за «промежуточное звено между растениями и животными». У нее клеточной стенки нет. Похоже, на самом деле эвглена – это животный жгутиконосец, который носит в себе бывшую водоросль в виде хлоропласта с тройной мембраной. Обычно хлоропласты имеют двойную мембрану, еще одна мембрана, возможно, указывает на происхождение того, что под ней, от другого одноклеточного организма – водоросли, имевшей единственный хлоропласт. (А откуда взялись нормальные хлоропласты – мы еще рассмотрим.) Другие одноклеточные зеленые жгутиконосцы (а их не так и много) клеточную стенку имеют и в этом смысле являются растениями. Наверняка они не очень-то и родственны «животным» жгутиконосцам, потому что плавание при помощи жгутика – вещь достаточно универсальная, и свободноживущие фотосинтезирующие жгутиконосцы могли возникнуть даже за счет упрощения каких-то многоклеточных форм, к примеру из их половых клеток, которые «начали самостоятельную жизнь». Итак, животные отличаются от всех прочих живых существ тем, что утратили клеточную стенку. Это сделало их уязвимыми, но дало гибкость и подвижность, что немаловажно для их по сути хищнического существования – за счет поедания других организмов. Клеточная стенка бактерий и растений состоит в основном из полисахаридов. У растений основу клеточной стенки составляет целлюлоза, гемицеллюлоза и пектин. Последнее – аморфное, не очень плотное вещество. Клеточная стенка растений обычно организована как железобетонная конструкция: волокна целлюлозы выполняют роль стальной арматуры, а пектин – цемента. Все знают, что такое волокна целлюлозы и где мы с ними сталкиваемся? Вата, хлопчатобумажные и льняные ткани, бумага (в последнем случае мы фактически имеем дело с их обрывками). В клетках древесины к полисахаридам добавляется лигнин – сложный полимер органических спиртов, который составляет значительную часть их чрезвычайно толстой клеточной стенки. У бактерий основным компонентом клеточной стенки является гликопептид муреин – полимер, в состав которого входят сахара, несущие аминогруппы, и короткие пептиды по 4–5 аминокислотных остатков. Может быть, будет полезно знать, что по типу клеточной стенки бактерии делятся на грамположительные и грамотрицательные (это различия в окраске при методе окрашивания по Граму). У грамположительных бактерий стенки толще, но внутренняя структура не выявляется: кроме муреина там есть другие полисахариды. У грамотрицательных стенки тоньше, но в них выявляются слои: внутренний состоит из муреина, затем идет слой неплотно упакованных молекул белка, а потом – из липополисахаридов. Снаружи многие бактерии окружены слизистой капсулой. В клетках бактерий поддерживается очень высокое осмотическое давление, которому толстая клеточная стенка призвана противостоять. Именно клеточная стенка придает бактериям характерную форму, по которой прежде всего и идет их классификация: форму шариков имеют кокки, форму палочек – бациллы, форму запятых – вибрионы, форму плавных спиралей – спириллы, тонких частых спиралей – спирохеты, форму с многими нитчатыми отростками – актиномицеты. Клеточная стенка грибов состоит в основном из хитина – это, как вы помните, также азотсодержащий полисахарид, очень прочный и инертный. Поразительна клеточная стенка археобактерий, состоящая в основном из полимера на основе изопрена – непредельного пятиуглеродного углеводорода, являющегося основной для каучука, т. е. резины! (Еще конденсация изопрена используется при синтезе терпенов и стероидных гормонов.) Получается, что химически их клеточная стенка родственна пластмассам и полиэтиленам. Вспомним, что галобактерии из археобактерий не умеют усваивать сахара, а утилизируют только аминокислоты. Судя по всему, эта форма жизни не умеет как следует обращаться с углеводами. Клеточная стенка одноклеточных диатомовых водорослей состоит из неорганического вещества – кремнезема (оксид кремния), поэтому ее, возможно, следовало бы считать не клеточной стенкой, а раковиной. Но так как диатомовые водоросли, как фотосинтезирующие эукариоты с хлоропластами, все же приходится относить к растениям, то и их покровы принято считать клеточной стенкой. Для жизни клетка должна химически взаимодействовать с окружающей средой, а клеточная стенка как раз призвана это взаимодействие прервать, так как в отличие от плазмалеммы она непроницаема для большинства веществ. Поэтому в определенных, удобных для данной клетки местах в клеточных стенках имеются поры. Сквозь поры проходят цитоплазматические мостики, соединяющие растительные клетки друг с другом – плазмодесмы. Некоторые (допустим, мужские половые) клетки растений не имеют клеточной стенки. Другие (почти все) их клетки можно лишить клеточной стенки искусственно (такая клетка называется «протопласт»), и это вполне совместимо с жизнью. Такая клетка строит себе новую клеточную стенку. А ее «голое» состояние бывает необходимо в технологиях, связанных с культурой клеток. Собственно, на этом клеточные структуры, общие прокариотам и эукариотам заканчиваются, и дальше мы будем в основном иметь дело со структурами эукариотических клеток. Ну и начнем с главного, что делает их эукариотами (в переводе с греческого – «истинноядерными»), – с ядра. 3. Ядро Внутреннее содержимое клетки выглядит бесструктурным, и чтобы визуализовать различные структуры перед тем, как рассматривать под микроскопом клетки, их обычно окрашивают теми или иными красителями. Применение большинства их них (даже неспецифических) к клеткам эукариот выявляет прежде всего ядро как крупную структуру, находящуюся чаще всего близко к середине клетки и более или менее сферической формы, как на рис. 7.4 (здесь бывают поразительные исключения). Преобладание сферической формы понятно – если мы внутри жидкости изолируем каплю другой жидкости жидкой же мембраной, то она примет сферическую форму. Это своего рода форма по умолчанию, которая может видоизменяться в случае особой внутриклеточной структуры. Эукариотические клетки без ядра представляют собой такое же исключение, как всадник без головы. Это значит, что дни такой клетки сочтены и она скоро выполнит свою функцию и погибнет. Самый яркий и едва ли не единственный пример – красные кровяные клетки (эритроциты) млекопитающих. Что характерно, у наших ближайших родственников – рептилий и птиц – ядра в эритроцитах есть. Такая обязательность ядра связана с тем, что ядро действительно является головой клетки – местом, где хранится и обрабатывается информация. Хранится там информация генетическая, а обрабатывается внешняя, пришедшая в виде тех или иных химических сигналов. Что находится в ядре? Понятно, что там должна находиться ДНК, но есть еще и хороший ответ на все случаи жизни – белки. Белков там хватает самых разных – вспомним хотя бы ДНК- и РНК-полимеразы, белки – генные активаторы и репрессоры. Однако больше всего там структурных белков, которые связываются с ДНК и обеспечивают ее правильную упаковку. Комплекс ДНК и белков в ядре принято называть хроматином. (Название «хроматин» вводилось для обозначения вещества хромосом, а слово «хромосома» переводится как «цветное тело» – такое название они получили за счет интенсивного прокрашивания цитологическими красителями). Кстати, такой вопрос: какое вещество в клетке имеет наибольшую молярную концентрацию? Вода конечно же! Немногим меньшую, чем в чистой воде. Молярная концентрация имеется не только у растворенных в воде веществ, но и у самой воды. Молярная концентрация воды в воде составляет– 18,5 моль / л. А какое вещество имеет наименьшую молярную концентрацию? ДНК! Сколько молекул ДНК содержится в ядре клеток человека? 46 или 92! Ровно столько, сколько у человека хромосом, или вдвое больше (угадайте почему). Каждая хромосома – это одна молекула ДНК. И в этих-то 46 молекулах, в каждой клетке, дважды записана информация о всех белках (а их сотни тысяч) и РНК (короткие некодирующие РНК пока никто не сосчитал) всего человеческого организма. Суммарная длина молекул ДНК человека достигает в длину около 2 м. О хромосомах мы поговорим несколько позже, а сейчас просто осознаем тот факт, что 2 м ДНК нам нужно упаковать в ядро диаметром 5– 10 мкм (т. е. в 500 тыс. раз меньше). Причем упаковать так, чтобы она имела возможность осмысленно работать – синтезировать нужные белки в нужном месте, в нужное время и в нужном количестве! И заметим, что гены почти равномерно раскиданы по всей ДНК, в том числе и нужные в любой конкретный момент. Это достигается несколькими уровнями упаковки нити ДНК, для которой у меня нет подходящей аналогии из нашей обыденной жизни. Магнитная лента не подойдет, так как, чтобы прочитать с нее какое-то место, до него нужно последовательно домотать. Натянутая, но более верная аналогия будет тут с книгой. Суммарная площадь книжных страниц в сотни раз больше площади поверхности закрытой книги. При этом книгу можно раскрыть в любом нужном месте и прочитать все, что нужно. А сделав закладки, – даже в нескольких местах сразу. Но это один уровень упаковки. Вообразим теперь книгу, все страницы в которой представляют собой раскладные вклейки. Мы получим два уровня компактной упаковки информации. Чтото такое имеет место и с ДНК, только информация там записана не на плоскости, а на линии, и уровней упаковки больше. Более того, нужно вспомнить, что ДНК – какая-никакая, а все же кислота. Если мы вознамеримся плотно упаковать полианион, нам придется действовать против электростатического отталкивания и мы вряд ли преуспеем. Следовательно, чтобы упаковать ДНК, необходимо также нейтрализовать ее отрицательный заряд каким-то положительным зарядом. Такая многоуровневая упаковка ДНК достигается за счет белков. Два самых нижних уровня упаковки обеспечиваются белками, имеющими в хроматине наибольшее количественное содержание и называемыми гистоны. Молекулы гистонов в целом положительно заряжены, за счет этого они и связываются с отрицательно заряженной ДНК. Cуществует пять типов гистонов – четыре аргинин-богатых и один лизинбогатый. Молекулы первых четырех (они обозначаются Н2a, H2b, H3 и H4) формируют единый белковый комплекс диаметром около 10 нм – коровую частицу, на которую наматывается (2,5 оборота) кусок ДНК. Коровая частица с намотанной на нее ДНК называется нуклеосомой. Нуклеосомы располагаются на частично свернутой ими молекуле ДНК как бусинки. Кстати, конкретное расположение нуклеосом на ДНК связано с тем, должна или не должна на этом участке идти транскрипция. Когда хроматин становится транскрипционно-активным, расположение нуклеосом на нити ДНК меняется. Более того, существует явление, образно называемое гистоновым кодом. Коровые гистоны подвержены различным вторичным модификациям – к ним присоединяются метильные группы, остатки фосфорной кислоты, ацетильные группы, небольшой белок убиквитин. Это присоединение возможно лишь в строго определенных позициях гистонов (как правило, указанных группы присоединяются к положительно заряженным остаткам лизина или аргинина). Состав модифицированных гистонов в хроматине определяет его транскрипционную активность – по сути она сводится к плотности упаковки и доступности для РНК-полимераз. Так, модификации с присоединенными остатками кислот уменьшают общий заряд молекулы и как правило способствует разрыхлению хроматина. За счет так называемого кооперативного эффекта – а данном случае речь идет о том, что посадка молекул определенного типа на ДНК облегчает посадку таких же молекул во время ее репликации – состав модифицированных гистонов , а следовательно, определенное определенное состояние отдельных участков хроматина, может эпигенетически наследоваться в ряду клеточных поколений. Этим во многом объясняется тот факт, что клетки определенного типа как правило дают при делении клетки того же типа, то есть в дочерней клетке работают обычно те же гены, что работали в материнской, притом что каждая клетка имеет всю ДНК, характерную для данного вида. С участком ДНК между нуклеосомами связывается пятый, лизин-богатый гистон Н1. В результате нить бусинок сворачивается в фибриллу диаметром 30 нм. Цепочку нуклеосом и фибриллу диаметром 30 нм можно увидеть даже под электронным микроскопом. В свою очередь, фибрилла диаметром 30 нм еще несколько раз сворачивается в упаковку более высокого порядка при помощи других, негистоновых белков хроматина, которые пока хуже изучены и не так широко известны. На рис. 7.5 сделана попытка показать уровни упаковки ДНК в хроматин. Ядро окружено не одной мембраной, а двумя. Сложные белковые механизмы – ядерные поры – пронизывают обе ядерные мембраны, которые в области пор замыкаются друг на друга. Становится ясно, что обе ядерные мембраны, по сути, представляют одну и ту же мембрану. Вероятно, она происходит от замкнувшегося на себя впячивания внешней клеточной мембраны вокруг области, занятой ДНК. На такие мысли наталкивает строение этой области у бактерий. Действительно, интересно посмотреть, чем обходятся вместо ядра прокариоты. У них тоже есть ДНК и с ней тоже связаны белки, но это не гистоны, да и количество их в расчете на ДНК существенно меньше, чем у эукариот. Молекула ДНК прокариот многократно короче (так как, в отличие от эукариот, в ней нет ничего лишнего) и не требует такой сильной упаковки. (Тем не менее, ДНК покоящихся бактерий часто упакована, опять-таки при помощи белков, практически до кристаллического состояния.) У большинства бактерий большинство генов заключается в одной молекуле ДНК, которая замкнута в кольцо. Она по аналогии с эукариотами обычно тоже называется хромосомой, хотя ее нельзя увидеть под световым микроскопом так, как бывает видно эукариотические хромосомы. Кроме того, в бактериальной клетке обычно имеется произвольное количество небольших кольцевых ДНК, называемые плазмиды. Бактерии легко обмениваются плазмидами, которые часто кодируют отдельные ситуационно-полезные признаки, например устойчивость к какому-то антибиотику. Несколько лет назад в журнале Nature был опубликован полный геном спирохеты, которая вызывает бореллиоз, или болезнь Лайма. (Эта болезнь, передающаяся клещами и распространенная у нас не менее энцефалита, но не такая знаменитая.) У этой спирохеты ДНК представлена фрагментами самого разного размера, частично кольцевыми, частично линейными, причем размерной границы между «хромосомами» и плазмидами не существует. ДНК в клетке бактерий не распределена по всему объему, а собрана в довольно большой центральной области клетки. Под микроскопом эта область выглядит как имеющая другую плотность. Она получила название нуклеоид, т. е. «подобный ядру». Рядом с нуклеотидом есть так называемая мезосома – образование из множества плотно упакованных мембран, которые считаются впячиванием внешней мембраны. Известно, что бактериальная «хромосома» прикреплена к внешней клеточной мембране и рост последней обеспечивает расхождение двух «хромосом» после их репликации, так что при образовании перетяжки и делении бактерии на две в каждую попадает одна копия. Считается, что мезосома имеет ко всему этому непосредствнное отношение – именно здесь хромосома присоединяется к мембране и именно мезосома участвует в ее росте. Мезосомы играют роль в репликации хромосомы и ее последующем расхождении по дочерним клеткам, участвуют в процессе инициации и формирования поперечной перегородки при делении. Не исключено, что после удвоения ДНК участок клеточной мембраны, который должен вырасти между ними, формируется именно в мезосоме. Имеются данные, что мезосомы же играют роль в клеточном дыхании (мы помним, что для этого нужны мембранные компартменты). У эукариот хромосомы тоже присоединяются концами к определенным местам ядерной оболочки. Получается, что мезосома прокариот в каких-то функциях сходна с ядерной оболочкой эукариот. Только представляет собой мембрану, не одевающую нуклеоид, а сложенную рядом, как надетая и снятая одежда. Вернемся к эукариотам, а именно к ядерным порам. Они нам были нужны как места, где мембрана замыкается на себя, теперь взглянем на них как на сложные шлюзы для транспорта веществ в ядро и обратно. Все, что находится внутри наружной клеточной плазматической мембраны, но не является ядром, называется цитоплазмой. Одно из главных функциональных отличий ядра и цитоплазмы состоит в том, что синтез РНК идет только в ядре, а синтез белков – в цитоплазме (хотя в последнее время появились данные, что до 15% синтеза белка идет в ядре). А как вы, надеюсь, помните, для синтеза РНК нужны определенные ферменты, которые тоже белки. Кроме того, в ядре нужны такие белки, как гистоны, и другие белки, упаковывающие ДНК в хроматин, ферменты, участвующие в репликации ДНК, а также множество специфичных генных регуляторов – активаторов и репрессоров – также белковой природы. Это означает, что ядерные поры должны пропускать наружу мРНК в комплексе со специальными белками, а внутрь – белки, необходимые в ядре. Еще важная статья ядерного экспорта – субъединицы рибосом. Они, как вы помните, состоят из рРНК и нескольких десятков белков. Это продукты из разных стран происхождения. Цех по сборке почему-то находится именно в ядре и называется ядрышко. Субъединицы рибосом транспортируются обратно в цитоплазму. Таким образом, ядерные поры аналогичны не дыркам в заборе, через которые что-то может быть утащено, нет, это сложно устроенные таможни, где компетентные белковые структуры обслуживают строго регламентированный трансграничный транспорт. Для того чтобы быть импортированным в ядро, белок должен нести особую акцизную марку – пептид ядерного транспорта. Это короткий пептид, состоящий из нескольких аминокислотных остатков. Он навешивается на готовые белки, которые должны быть перенесены в ядро после их синтеза, причем неважно, на какое именно место его навесили. Когда такой белок случайно оказывается рядом с ядерной порой, она опознает его по пептиду ядерного транспорта и затаскивает внутрь. При транспорте мРНК через ядерную пору связанные с ней ядерные белки заменяются на цитоплазматические, т. е. мРНК следует как транзитный багаж, передаваясь из рук в руки разными компаниями грузчиков. (Можно также представить это как переодевание РНК в национальную одежду при пересечении границы.) Ядерные поры достаточно велики, и отдельные их белковые элементы могут быть видны в электронном микроскопе. В Институте цитологии и генетики новосибирского Академгородка этими исследованиями с успехом и во взаимодействии с англичанами занимается группа под руководством Е. В. Киселевой. На рис. 7.6 приведена схема ядерной поры, взятая из работы этой группы. Лекция 8. КЛЕТКА 2. ЦИТОПЛАЗМА, ПЛАСТИДЫ И МИТОХОНДРИИ, ЦИТОСКЕЛЕТ, ЖГУТИКИ 4. Цитоплазма Формально все, что находится внутри клетки, называется «протоплазма», однако вряд ли кто-то пользуется этим термином. Отличие цитоплазмы от протоплазмы таково: исключается все, что находится в ядре. У прокариот тоже говорят о цитоплазме, подразумевая все, что находится в клетке. В цитоплазме эукариот находится очень много различных структур, она включает разнообразные мембраны и более сложные структуры – органеллы. Так что понятие «цитоплазма» достаточно расплывчатое. Органеллы, такие как митохондрии, пластиды, вакуоли, комплекс Гольджи, базальные тельца жгутиков, описывать легко, ибо это оформленные компактные структуры (в чем и состоит их определение). Разберемся в менее очевидной структуре цитоплазмы. Клетка заполнена достаточно концентрированным водным раствором белков и других веществ, и ее содержимое имеет вид очень вязкой жидкости – коллоидного раствора или геля. Гель – это вариант коллоидного раствора, проявляющий свойства и жидкости, и твердого тела за счет того, что в жидкости присутствует сетка полимерного вещества («желе» – это французский вариант слова «гель»). Клетки бактерий, как правило, почти не имеют внутренней структуры и выглядят как единый, не подразделенный на отсеки химический реактор. Цитоплазма эукариот, наоборот, напичкана множеством эндоплазматических мембран, строение которых вполне аналогично таковому внешней мембраны – плазмалеммы, однако конкретный состав фосфолипидов и, главное, мембранных белков – в каждом конкретном случае отличается. Наличие внутренних (эндоплазматических) мембран обычно рассматривают как одно из свойств, отличающих эукариот от прокариот. Однако изобретены они как раз прокариотами. Мы уже упоминали мезосому. Кроме того, есть прокариоты, которым необходимо подразделять свои клетки на отсеки. Это, прежде всего, фотосинтезирующие зеленые и пурпурные бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Мы помним, что для фотосинтеза необходимы ограниченные мембраной пространства, в которых за счет фотосинтеза создается повышенная концентрация протонов. И такие структуры конечно же возникают либо в виде тилакоидов, как в пластидах растений, либо в виде трубочек и других структур у фотосинтезирующих прокариот. Таким образом, слабое развитие эндоплазматических мембран у большинства современных эукариот – скорее всего явление вторичное. Наличие множества эндоплазматических мембран у эукариот имеет одно простое объяснение. Мы упоминали, что множество биохимических процессов в клетке проходит под действием ферментов, локализованных на мембранах. Соответственно эти процессы должны обеспечиваться определенной площадью мембран в расчете на определенный объем цитоплазмы. Размеры эукариотических клеток в 10– 100 раз больше размеров прокариотических. Однако заметим, что при сохранении геометрического подобия площадь поверхности объемной фигуры растет пропорционально квадрату линейных размеров, а объем – пропорционально кубу, т. е. существенно быстрее. Поэтому при увеличении размеров клетки общей площади поверхностной мембраны быстро становится недостаточно для предоставления посадочных мест ферментам, обеспечивающим реакции, происходящие в объеме. Поэтому приходится специально добавлять общую площадь мембран за счет внутренних мембран. И одновременно такая находка, как избирательно проницаемая текучая двуслойная белковофосфолипидная мембрана, постоянно используется во всех случаях, когда клетку следует подразделить на отсеки, т. е. для так называемой компартментализацией. У прокариот такая необходимость возникает в особых случаях. Эукариоты же избрали такое устройство в качестве магистрального пути развития, их клетка представляет собой структурно более сложно организованную фабрику. В эукариотических клетках плазматических мембран так много, что они получили название эндоплазматического ретикулума (ЭПР) (ретикулум означает «сеточка»). Это хорошо видно на картинках, где ЭПР представляется чем-то очень похожим на лабиринт. Казалось бы, его мембраны дают простор для инженерной фантазии и с их помощью можно сделать сколько угодно всяких резервуаров, находящихся в сколь угодно сложных отношениях друг к другу. Но ничего подобного! В цитоплазме существует только два уровня компартментализации – множество замкнутых мембранных резервуаров погружены в общее внутреннее пространство клетки, ограниченное внешней мембраной. Это общее внутреннее пространство, внешнее для погруженных резервуаров и внутреннее по отношению к внешней границе клетки, называется цитозоль. Хотя это и общее пространство, объем его не очень велик – менее половины объема цитоплазмы, причем у растений – гораздо меньше половины. Внутренних резервуаров – резервуаров эндоплазматического ретикулума – очень много, но все они топологически эквивалентны друг другу и погружены в физически единый цитозоль. Резервуары ЭПР могут находиться по соседству друг с другом, они могут изолироваться друг от друга и открываться друг в друга. Хотя химический состав внутри разных полостей может сильно отличаться, если мы проследим их в динамике, то придем к выводу, что существует некое в принципе единое внутреннее пространство ЭПР, которое живет своей сложной жизнью, дробясь и воссоединяясь. Принципиально то, что внутренняя полость ЭПР нигде не открывается в цитозоль, т. е. содержимое резервуаров всегда отделено от цитозоля мембраной и никогда не смешивается с ним. И в то же время существует множество случаев, когда внутренняя полость ЭПР открывается во внешнюю среду и смешивается с нею. Вы знаете, что некоторые клетки способны питаться, захватывая пищевые частички или капли жидкости. Таковы почти все простейшие (амебы, жгутиконосцы, инфузории), таковы некоторые клетки нашей крови, участвующие в иммунном ответе. Такие процессы, все вместе называемые эндоцитоз, происходят на основе одного принципа: внешняя клеточная мембрана образует впячивание, куда углубляется пищевая частичка (это называется фагоцитоз) или капля жидкости (пиноцитоз – это единственный способ эндоцитоза у растений). Затем впячивание отшнуровывается и пищевой субстрат оказывается погруженным в мембранный пузырек, плавающий в цитоплазме. Такой пузырек топологически эквивалентен любой из полостей ЭПР. Дальнейшая его судьба такова: к нему подходит другой пузырек, топологически ему эквивалентный, но содержащий пищеварительные ферменты – лизосома, они объединяются в один. Ферменты получают доступ к частице или капле пищи и делают свою работу. Кроме того, вы знаете, что многие клетки нашего организма производят и выделяют наружу какие-то вещества – те же пищеварительные ферменты, желчь, гормоны. Эти вещества по мере своего синтеза запасаются в определенных резервуарах ЭПР. Когда они созревают, то от этих резервуаров отшнуровываются мембранные пузырьки, содержащие данное вещество. Они подходят к поверхности клетки и в точке контакта их мембрана сливается с внешней клеточной мембраной так, что полость резервуара объединяется с внешней средой, а его мембрана становится частью внешней мембраны клетки (плазмалеммы). Эти процессы называются соответственно общим словом – экзоцитоз. Получается, что внутреннее пространство ЭПР топологически эквивалентна внешней среде и представляет собой химически видоизмененный определенным образом ее кусочек. Причем именно внутреннее пространство ЭПР выполняет роль химических реакторов клетки. Часть ее полостей – это шлюзы обмена с внешней средой, часть – склады, где запасаются определенные вещества, а часть – непосредственно химические реакторы. Цитозоль же можно сравнить с коридорами и цехами, где находится обслуживающий персонал. Все эти процессы явно указывают также на происхождение ЭПР – он развился из впячиваний плазмалеммы. Таким образом, внутреннее пространство ЭПР представляет собой прирученную и помещенную внутрь часть внешней среды, которая, однако, по мере необходимости и используется для контакта с ней. А цитоплазма представляет собой сложным образом чередующееся первичное истинное внутреннее пространство клетки цитозоль – и вторичное пространство, преобразованное из фрагментов внешнего – внутреннее пространство ЭПР. Когда мембранный пузырек достаточно велик, его называют вакуоль. Так, если захваченная пищевая частица велика, то говорят о фагоцитарной вакуоли. Некоторые вакуоли имеют очень большие размеры. Вакуоли характерны для растений, где обычно занимают большую часть объема клетки и играют важную роль в регуляции осмотического давления и поддержания клеточного тургора (избыточного давления), выполняя таким образом важную механическую функцию. Они же выполняют и запасную функцию в случае, когда запасается жидкий продукт – именно в вакуолях содержится сок плодов (например, почти весь объем огромных клеток в плодах цитрусовых занят одной вакуолью). В некоторых вакуолях из жидкости выпадают кристаллы тех или иных веществ (к примеру, щавелевой кислоты). Вакуоли важны и разнообразны, но имеют одинаковую природу – это очень крупные мембранные пузырьки, представляющие собой изолированную частицу внутреннего пространства ЭПР. ЭПР принято разделять на «гладкий» и «шероховатый». Что означает шероховатый и отчего он таков? Это мембраны, на которых локализовано множество рибосом. Причем рибосомы лежат друг за другом цепочками, называемыми полисомы. Но сами по себе рибосомы на мембране не фиксированы, а природа полисом состоит в следующем. Рибосомы есть только в цитозоле. Соответственно синтез белка тоже идет только в цитозоле – это сугубо внутренние дела клеточного государства и могут проходить только на его исконной внутренней территории. Если мы посмотрим на электронные микрофотографии, то увидим, что рибосомы сидят только на одной стороне мембран. Это та сторона, которая обращена к цитозолю. Однако выше мы рассмотрели случаи эндои экзоцитоза, которые предполагали наличие белков во внутренней полости ЭПР. Это, например, пищеварительные ферменты в лизосоме, либо белки, которые клетка выделяет (говорят, секретирует) наружу. Откуда они берутся? Выяснение этого вопроса и открывает секрет рибосом, фиксированных на ЭПР в виде полисом. Белки изначально подразделяются на две большие группы – те, которые предназначены для цитозоля, и те, которые предназначены для внутреннего пространства ЭПР. В первую, между прочим, входят и белки, предназначенные для ядра, так как туда они поступают из цитозоля. Кстати, внутреннее пространство ядра топологически эквивалентно цитозолю. Их разделяет двойная ядерная мембрана, эквивалентная впячиваниям плазмалеммы и в этом аналогичная цистернам ЭПР. Можно сказать, что ядро, окруженное специализированной для этой функции плоской цистерной ЭПР., есть особая часть цитозоля. Белки, предназначенные для цитозоля и ядра, синтезируются в цитозоле свободно плавающими в нем рибосомами, которые связываются с находящейся в цитозоле же мРНК. Этот процесс происходит совершенно так же, как и у прокариот. Все белки, предназначенные для внутреннго пространства ЭПР, начинаются с сигнального пептида – акцизной марки экспортного товара. Как только этот сигнальный пептид синтезирован, он опознается специальным белковым комплексом, пронизывающим мембрану ЭПР и служащим транспортной порой. Он захватывает сигнальный пептид и направляет его сквозь мембрану. В результате синтезируемая полипептидная цепь сразу же по мере синтеза уходит во внутреннее пространство ЭПР, а синтезирующая ее рибосома оказывается через эту самую цепь, которая прошила мембрану, связанной с этой самой мембраной (рис. 8.1). Как известно, рибосомы по мере трансляции скользят по мРНК. Если рибосома фиксирована, то ее движение относительно мРНК никак не изменяется, поэтому получается, что она проталкивает мРНК сквозь себя. Та же мРНК тут же связывается с другими рибосомами, которые также немедленно фиксируются на мембране синтезируемой полипептидной цепью. Образуется цепочка рибосом, объединенных одной нитью мРНК и фиксированных на мембране синтезируемыми ими пептидами, уходящими сквозь нее. Такие цепочки рибосом на мембране и видны как полисомы. Логично и понятно, что если синтезируемый белок предназначен для встраивания в мембрану, то он также будет иметь сигнальный пептид, синтезироваться фиксированными полисомами, уходить в мембрану и оставаться в ней в соответствии со своими физико-химическими свойствами. Следует отметить, что в клетке существует специальный класс белков – шапероны, способствующие правильной укладке (вторичной и третичной структуре) вновь синтезируемых белков. Это касается всех типов белков – и цитозоля, и внутреннего пространства ЭПР, и мембранных. Некоторые шапероны также облегчают транспорт веществ в определенные органеллы – допустим, пластиды и митохондрии. Шапероны должны быть не очень специфичны и действовать на основе каких-то общих физико-химических принципов. Иначе на каждый белок потребовался бы свой шаперон, а каждый шаперон – тоже белок и на него тоже нужен был бы свой шаперон, и у нас получилась бы порочная бесконечность. Количество шероховатого ЭПР в клетке зависит от интенсивности синтеза белка и ее состояния. В клетках активно работающей молочной железы до 70 % рибосом фиксировано на шероховатом ЭПР и только около 25 %, когда она не работает. В отличие от шероховатого, гладкий эндоплазматический ретикулум просто не имеет прилипших к нему рибосом. Он в основном несет ферменты, занятые в метаболизме (синтезе и расщеплении) жиров и липидов. В клетках печени на нем же локализованы ферменты, окисляющие растворенные в крови вещества, которые могут представлять опасность. В мышцах на гладком ЭПР расположены белковые насосы для ионов кальция. Рассмотренные нами случаи экзоцитоза и эндоцитоза включали перенос веществ или частиц с помощью мембранных пузырьков. Что это такое – понятно, откуда они берутся и куда деваются – тоже: они отшнуровываются от резервуаров ЭПР или от впячиваний внешней мембраны и прекращают существование, вливаясь в резервуары ЭПР или внешнюю среду, причем содержимое объединяется с содержимым / средой, а мембрана – с мембраной. Транспорт веществ с помощью пузырьков – явление, весьма широко применяемое в самых разных клеточных процессах. Но транспорт транспортом, а где-то же должно быть и производство! Мы рассмотрели синтез полипептидов во внутреннее пространство ЭПР, который идет на рибосомах, фиксированных на шероховатом ЭПР, но это еще не все. Чтобы принять свой окончательный вид, белки должны пройти разнообразные посттрансляционные модификации: расщепление, сшивка, присоединение сигнальных пептидов, фосфорилирование, гликозилирование (присоединение олигосахаридов), ацилирование (присоединение жирных кислот). Где-то должны синтезироваться и полисахариды, предназначенные для вывода наружу – допустим, при построении клеточной стенки у растений и грибов. Можно было бы подумать, что все это делается в разных резервуарах ЭПР. В какой-то степени это так и есть, но все эти производственные резервуары собраны в одно место и формируют поразительную по своим возможностям структуру – комплекс Гольджи, или диктиосому. Он представляет собой стопку плоских резервуаров, окруженную мембранными пузырьками, одни из которых в них вливаются, а другие от них отшнуровываются (рис. 8.2). Здесь происходят все упомянутые выше технологические процессы, здесь же происходит сортировка и упаковка товара и отправка его по назначению. К комплексу Гольджи все время подходят пузырьки, наполненные белками, синтезированными в шероховатом ЭПР. От разных резервуаров комплекса Гольджи, в свою очередь, отходят пузырьки различных типов. Одни пузырьки, отходящие от комплекса Гольджи, 100–500 нм в диаметре, наполнены разнообразными ферментами гидролиза – гидролазами. Это и есть лизосомы, вернее первичные лизосомы, призванные сливаться с фагоцитозными вакуолями или с любыми структурами, которые надлежит переварить. После слияния лизосомы с фагоцитозной или иной вакуолью она называется вторичной лизосомой. Низкомолекулярные продукты гидролиза мигрируют путем диффузии или специфического переноса в цитозоль. Пузырек с непереваренными остатками может сливаться с другими лизосомами или фагоцитарными вакуолями, в итоге они могут объединяться в остаточное тельце (фактически помойку), которое обычно опорожняется во внешнюю среду (рис. 8.3). У некоторых простейших у клетки есть не только «рот» – определенное место, где всегда и формируется фагозитозная вакуоль, но и порошица – место, где остаточные тельца сливаются с внешней средой. Но в некоторых клетках остаточные тельца так и остаются в цитоплазме. Иногда клетке необходимо переварить какую-то собственную часть (органеллу), к примеру ставшую ненужной. Этот процесс называется автофагией. Органелла сначала окружается мембраной и преобразуется в автофагическую вакуль, которая опять-таки сливается с лизосомой и преобразуется в автофагосому. Высвобождение ферментов лизосом в цитозоль означает немедленную гибель клетки, так как они переварят все ее содержимое. Такое бывает, когда организму необходимо избавиться от каких-то ставших ненужными клеток (к примеру, головастикам при превращении в лягушку – от хвоста). Из этого примера становится более понятно само явление внутренних полостей клетки, топологически соответствующих внешнему пространству. Клетке действительно нужны резервуары с веществами, которые могут быть опасны ее «сердцевине». Кстати, у многих бактерий гидролитические ферменты находятся в клеточной стенке, т. е. опять-таки отделены от цитозоля мембраной, только это в данном случае внешняя мембрана клетки. Некоторые мембранные пузырьки, отходящие от комплекса Гольджи, доставляют по назначению не содержимое, а саму мембрану с определенными свойствами. Другие пузырьки, отходящие от комплекса Гольджи, доставляют к поверхности клетки те вещества, которые должны секретироваться наружу – определенные белки, полисахариды клеточной стенки и т. п. (Примечательно, что полисахариды, не предназначенные для секреции, синтезируются и накапливаются вообще вне внутреннего пространства ЭПР. Гликоген в клетках печени синтезируется в цитозоле, а крахмал в запасающих органах растений – в пластидах.) Каким образом в комплексе Гольджи происходит регуляция того, что и где должно синтезироваться и куда отправляться – понять довольно трудно. Вся информация поступает из ядра в виде тех или иных синтезирующихся белков. Каким-то образом они должны регулировать кругооборот мембран и заключенного в них содержимого, причем очень многое происходит в одном месте и именно в этой органелле. По-видимому, система из полужидких сливающихся и разделяющихся мембран – это та механическая основа, которая лучше всего подходит для управления при помощи химических агентов. Важно подчеркнуть, что комплекс Гольжи – структура динамическая, его цистерны формируются из сливающих мембранных пузырьков, продвигаются в составе комплекса по мере созревания находящихся в них веществ и в итоге снова распадаются на пузырьки. Итак, повторим некоторые общие структурные положения, связанные с отличием прокариот от эукариот. Прокариотическая клетка представляет собой единый компартмент. Она содержит область, где находится ДНК – нуклеоид, синтезирует белки свободными рибосомами в цитоплазме, пользуется внешней мембраной для расположения тех белков, которые должны быть расположены на мембране и для создания разницы рН и мембранного потенциала при клеточном дыхании. У нее есть сложное образование, включающее сложное впячивание внешней мембраны – мезосома, которая каким-то образом организует удвоение нуклеоида и направляет деление клетки. Мембранную организацию эукариотической клетки можно получить из прокариотической путем добавления отшнуровывающихся впячиваний внешней мембраны. Такие впячивания окружили нуклеоид и изолировали его от цитозоля, тем самым разделив область синтеза ДНК и РНК с одной стороны (двойной мембраны) и область синтеза белка с другой ее стороны. Другие впячивания превратились в химические реакторы, являющиеся фактически приспособленными под разные функции филиалы внешней среды – они существенно умножились в числе, приобрели различную специфику и довели до больших значений свои суммарные площадь и объем. Выработались специальные механизмы доставления белков из цитозоля в ядро и мРНК и субъединиц рибосом из ядра в цитозоль, а также синтеза белка из цитозоля непосредственно во внутреннее пространство ЭПР. Предки эукариотических клеток довольно сильно отличались от бактерий размерами, строением рибосом и наличием интронов в генах. Однако, чтобы стать теми эукариотами, которых мы с вами представляем, они совершили еще один или два дополнительных шага, которые сделали их действительно самыми гротескно устроенными и в то же время на удивление эффективными клетками – приобрели митохондрии и пластиды. 5. Митохондрии и пластиды Митохондрии есть практически у всех эукариотических клеток (микроспоридии – простейшие, живущие в анаэробных условиях кишечника, возможно, произошли от каких-то протоэукариот, еще не имевших митохондрии). Пластиды присутствуют только в клетках растений, по сути делая их таковыми (в наличии пластид, собственно, и состоит определение растения). В структуре митохондрий и пластид есть важные общие черты. И те и другие окружены двойной мембраной, причем внутренняя мембрана по свойствам отличается от внешней. И у тех и у других есть своя система внутренних структур, образованных внутренней мембраной: у митохондрий это кристы – складки внутренней мембраны, у пластид тилакоиды – замкнутые мембранные резервуары, топологически эквивалентные отшнуровавшимся складкам внутренней мембраны. Структура всех митохондрий похожа и функция их неизменно одна и та же – это энергетические станции клетки. Именно и только в митохондриях происходит такой процесс, как клеточное дыхание. Именно во внутреннем пространстве митохондрий имет место цикл Кребса, в ходе которого расходуется пируват, выделяется углекислый газ, производится часть АТФ и восстанавливается кофермент НАД+. И именно во внутренней мембране митохондрий располагается цепь переноса электронов, происходит окисление НАД-H и синтезируется остальная АТФ. Структура и функции пластид более разнообразны. Различают так называемые пропластиды – мелкие нефункциональные ювенильные пластиды, из которых развиваются другие типы пластид; лейкопласты – бесцветные пластиды, участвующие в синтезе жиров; амилопласты – пластиды, запасающие крахмал; в конечном счете они превращаются в крахмальные зерна, в каких, например, запасен крахмал у картофеля; хромопласты – пластиды, наполненные пигментами каротиноидами; их можно найти, к примеру, в плодах рябины. И наконец, наиболее известный и важный тип – хлоропласты – зеленые пластиды, в которых осуществляется фотосинтез, как световая, так и темновая его фазы. Основной структурной особенностью хлоропластов являются граны – стопки тилакоидов. Таким образом, хлоропласты имеют наиболее развитую внутреннюю мембранную структуру, что и понятно, так как в мембране хлоропластов, как вы помните, располагаются и фотосистемы, и фермент рибулозофосфаткарбоксилаза. И митохондрии, и большинство пластид являются овальными или цилиндрическими структурами. Однако многие неродственные друг другу водоросли имеют единственный хлоропласт на клетку, он может иметь самую необычную форму. Допустим, у нитчатой водоросли спирогиры он представляет собой длинную спиральную ленту, идущую вдоль всей клетки. Впрочем, встречаются и митохондрии с преобразованной структурой – опять-таки одна спирально закрученная митохондрия имеется в шейке сперматозоида, т. е. она обвивает основание его жгутика. Самой потрясающей общей особенностью митохондрий и пластид является то, что они имеют свою, независимую от ядра, генетическую систему. И эта генетическая система очень похожа на генетическую систему прокариот. В ее состав входит прежде всего собственная, соответственно митохондриальная или пластидная, ДНК. У митохондрий, как и у бактерий, ДНК имеет кольцевую структуру (лишь у некоторых простейших – линейную). ДНК пластид организована в сложные букетоподобные структуры, состоящие из частично спаренных друг с другом кольцевых и линейных фрагментов, но исходной структурной единицей ее также является элементарная кольцевая ДНК. ДНК пластид и митохондрий не имеет характерной хроматиновой упаковки, здесь нет нуклеосом и гистонов, вообще здесь гораздо меньше белков. Иначе говоря, все устроено как у прокариот. Промоторы и терминаторы также бактериального типа. Далее, в пластидах и митохондриях имеются рибосомы, причем рибосомы именно прокариотического типа. Как и у прокариот, при трансляции синтез полипептидной цепи начинается с аминокислоты формилметионина. У пластид к прокариотическому типу принадлежат также и свои тРНК, РНК-полимеразы, регуляторные последовательности. Впрочем, некоторые гены как пластид, так и митохондрий содержат интроны, подобно ядерным генам эукариот и в отличие от генов бактерий. Поэтому считываемая с них во время транскрипции РНК должна быть подвергнута сплайсингу. Возможно, эти гены «заразились» интронами от ядерного генома. Все эти факты относительной автономии пластид и митохондрий и их глубинного сходства с прокариотами, которое не может быть случайным, свидетельствуют об одном – пластиды и митохондрии на самом деле неродственны эукариотической клетке. Они произошли от каких-то прокариот, которые когда-то поселились внутри эукариотической клетки. Считается, что это были эндосимбионты – организмы, которые живут внутри других организмов и находятся с ними в отношениях симбиоза – взаимной выгоды. Таковы, например, зеленые водоросли, живущие внутри кораллов и некоторых плоских червей. Митохондрии произошли от каких-то аэробных (способных к дыханию кислородом) бактерий, к каковым относится большинство современных бактерий. Вспомним, что аэробные бактерии, в свою очередь, произошли от фотосинтезирующих бактерий, утративших фотосинтез. Об этом говорит поразительное сходство цепи переноса электронов в системе клеточного дыхания и при фотосинтезе. Предполагают, что митохондрии произошли именно от каких-то пурпурных бактерий, утративших способность к фотосинтезу. Это произошло около 1-1,5 млрд лет назад, когда в атмосфере впервые появился в достаточных концентрациях свободный кислород, наработанный цианобактериями (сине-зелеными водорослями), господствовавшими в то время на мелководьях. Предками пластид наверняка были какие-то цианобактерии (сине-зеленые водоросли), об этом говорит сходный набор пигментов и те же самые две сопряженные фотосистемы. Причем хлоропласты красных водорослей, динофлагеллят + бурых + золотистых водорослей и зеленых водорослей + зеленых растений происходили от разных прокариот и были «одомашнены» независимо. Хлоропласты красных водорослей по составу пигментов прямо соответствуют цианобактериям. Открыты и свободноживущие и симбиотические бактерии, по составу пигментов соответствующие двум другим типам хлоропластов (бактерия Prochloron с хлорофиллами a и b, как у зеленых водорослей и растений, является симбионтом оболочников). В настоящее время мы имеем поразительные свидетельства реальности процесса приобретения эукариотической клеткой прокариотических эндосимбионтов. Существует амеба, лишенная митохондрий, но «приютившая» определенную аэробную бактерию, которая взяла на себя функции митохондрий. Другие одноклеточные содержат внутри своей цитоплазмы симбиотические цианобактерии, которые функционирует в точности как хлоропласт. Мы уже упоминали традиционный пример относительности понятий «животное» и «растение» – жгутиконосец эвглена, лишенный клеточной стенки и способный иметь или не иметь хлоропласты, т. е. будто бы представлять собой в первом случае растение, а во втором – животное. Так вот, видимо это всетаки животное. Хлоропласт эвглены окружен тройной мембраной и, возможно, произошел от симбиотической зеленой водоросли (эукариоты), содержавшей в себе обычный двухмембранный хлоропласт. Приобретя митохондрии, эукариоты обзавелись мощными энергетическими станциями, которые намного повысили энергообеспеченность клетки. А приобретя пластиды, часть эукариотических клеток получила возможность к автотрофии и стала тем, что мы называем растениями. Но симбиоз предполагает взаимную выгоду. Какую выгоду получили «одомашненные» прокариоты? Почему такой альянс протоэукариот (гипотетических эукариот без пластид и митохондрий, в чем-то родственных археобактериям) оказался более выгодным, чем просто свободноживущие прокариоты? Обычно говорят о защите (но животная клетка даже не имеет клеточной стенки!) и стабильной среде. Эукариотическая клетка гораздо больше прокариотической, но сейчас неясно, не является ли сам этот размер следствием наличия митохондрий, т. е. энергообеспеченности. Не исключено, что предки пластид и митохондрий были просто съедаемы эукариотами путем фагоцитоза, но смогли выживать во внутриклеточной среде вместо того чтобы перевариваться. Однако имеется одно явное преимущество комбинированной протоэукариотической + прокариотической клетки (т. е. современной эукариотической клетки с митохондриями, а у растений и с пластидами) перед свободноживущей прокариотической клеткой, способной к дыханию и фотосинтезу. Это свободная от энергетических функций внешняя клеточная мембрана. У прокариот окислительное фосфорилирование, фотосинтез, синтез АТФ АТФ-синтетазой происходят на внешней мембране или ее впячиваниях. Мембрана «занята» – она должна иметь мембранный потенциал и нести на себе фотосистемы, цепь переноса электронов и т. д. Перенесение энергетически занятых мембран внутрь комбинированной клетки высвободило внешнюю мембрану для множества других функций. В частности, внешняя мембрана не должна была поддерживать мембранный потенциал, и это открыло широкие возможности для изменения заряда ее в целом и ее отдельных участков. Это эндо- и экзоцитоз, двигательная функция (те же псевдоподии у амебы). Кроме того, мембрана высвободилась для различных межклеточных взаимодействий, что позволило эукариотам перейти к многоклеточности. Освобождение внешней мембраны от функции поддержания мембранного потенциала привело к развитию возможности менять ее заряд за счет определенных ионных насосов. Изменение потенциала внешней мембраны лежит в основе процессов, определяющих поведение одноклеточных эукариот – простейших, а также проведение нервных импульсов и управления мышечным сокращением. Далее, следует вас несколько разочаровать – пластиды и митохондрии давно утратили свою автономность. Большая часть белков, функционирующих в этих органеллах, кодируется генами, находящимися в ядре. У пластид даже часть рибосомальных РНК и белков, часть субъединиц РНКполимеразы и целиком белки репликации – все прокариотического типа – кодируются в ядре. Судя по всему, в ходе эволюции шел непрерывный процесс экспроприации генов ядром из органелл, перенесения их из органелльного генома в хромосомы. Так что митохондрии и пластиды подобны каким-нибудь банановым республикам, зависящим от больший империи, с виду возглавляемые марионеточными правительствами, но фактически управляемые из столицы большого брата. Геном (т. е. суммарная длина ДНК) пластид содержит немногим более сотни генов, которые кодируют: 30 тРНК (это – на одну меньше, чем в цитозоле), несколько рибосомных РНК, около двух десятков рибосомных белков, субъединицы хлоропластной РНК-полимеразы, несколько белков фотосистем 1 и 2, АТФ-синтетазу, одну из двух субъединиц рибулозобифосфаткарбоксилазы, часть белков электронотранспортной цепи и несколько десятков других белков. Размер генома пластид более или менее сходен: 120–200 тыс. пар оснований. Размер генома митохондрий весьма изменчив – сопоставим с размером ДНК пластид у растений или даже превосходит их, а у животных он в 100–150 раз меньше – у млекопитающих, к примеру, он составляет около 16 500 пар оснований, т. е. в 10 000 раз меньше ядерного. Причем у растений геном митохондрий часто существует в виде нескольких кольцевых фрагментов. Однако митохондрий в клетке много, поэтому доля митохондриальной ДНК среди всей ДНК клетки по количеству бывает немалой. Так, она составляет около 1 % у млекопитающих, 15 – у дрожжей и до 99 % – в яйцах лягушки. В отношении количества и расположения генов геном пластид в течение сотен миллионов лет изменялся весьма медленными темпами. Геном митохондрий очень изменчив. У животных замены нуклеотидов идут в нем примерно в 10 раз чаще, чем в ядре. Так как низкая точность копирования, возможно, связана с тем, что митохондрии имеют всего 20 разных тРНК, строго по количеству аминокислот (в цитозоле их 31, у пластид 30). Таким образом, почти во всех случаях третий нуклеотид в кодоне практически никак не влияет на кодируемую аминокислоту (два нуклеотида позволяют закодировать 16 разных аминокислот + стопкодоны). Более того, генетический код митохондрий несколько видоизменен по сравнению с кодом, универсальным для прокариот, пластид и ядер эукариот. Изменены значения некоторых кодонов, причем – по-разному у разных организмов. Таким образом, митохондрии имеют самую простую генетическую систему, работающую к тому же с не очень большой точностью. Это привело к изменениям генетического кода, так как небольшие отклонения не имели критических последствий, ибо генов у митохондрий вообще мало, и могли фиксироваться в эволюции. Это же, возможно, приостановило дальнейшую деградацию их генетической системы путем миграции генов из митохондриального генома в ядро, так как нынешние митохондриальные гены не могут быть правильно транслированы в цитозоле. Бόльшая степень деградации генетической системы митохондрий по сравнению с пластидами отражает, по-видимому, их соответственно бόльшую древность. Далее, митохондриям и в меньшей степени пластидам свойственно такое уникальное явление, как редактирование матричной РНК. Среди всех генов пластид имеется около двух десятков позиций, в которых после транскрипции мРНК уридин заменяется особыми ферментами на цитидин. У генов митохондрий таких сайтов – более сотни. Смысл этого явления неясен, возможно, что он и отсутствует, а возможно это был довольно неуклюжий метод скомпенсировать случайные нуклеотидные замены. Следует отметить, что в большинстве случаев (но далеко не всегда) митохондрии и пластиды наследуются по материнской линии, так как часто отсутствуют или (в случае митохондрий) сильно видоизменены в спермиях. Однако у некоторых растений нормой является двуродительское наследование пластид. 6. Цитоскелет До сих пор мы все явления, которые мы разбирали, касались структур жидких или полужидких. Даже ядро, вакуоли, пластиды и митохондрии чаще всего имеют форму, приближающуюся к шару или эллипсоиду, как и положено телам, ограниченным эластичными полужидкими мембранами (допустим, эластичной мембраной окружен воздушный шар). Однако вы уже наверняка знаете, что клетки бывают самой разной формы – это и плоские фибробласты, и нервные клетки с ветвистыми отростками, и мышечное волокно, которое может сокращаться, и , наконец, амеба, способная менять свою форму по собственному произволу. За форму клеток и ее изменения ответственно несколько независимых клеточных структур, так или иначе сводящихся к нитям или трубкам и объединяемым под общим названием цитоскелет. Под этим понятием скрывается три основных объекта: актиновые филаменты или микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты (рис. 8.4). Актиновые филаменты, или микрофиламенты, образованы молекулами глобулярного белка актина, которые могут собираться в спиралеобразную нить диаметром 7–8 нм, называемую микрофиламентом. Актин составляет до 5 % всего белка клетки. Актиновые нити соединяются между собой определенными белками и формируют сложную сеть, которая является структурной основой геля. Актиновые филаменты – довольно нестабильные структуры. Полимеризация и деполимеризация актина – обратимая реакция, зависящая от концентрации в растворе мономеров и некоторых веществ – молекул АТФ, необходимых для полимеризации актиновых филаментов, ионов кальция и определенных белков, способствующих деполимеризации филаментов. При этом концы каждого актинового филамента неравноценны – имеются плюс- и минус-концы (данные обозначения не имеют никакого отношения к электрическому заряду), которые при полимеризации нарастают с разной скоростью – плюс-конец растет гораздо быстрее. Существует так называемое равновесное состояние – такие концентрации мономеров актина и прочих важных в данном случае веществ, когда филамент будет с одинаковой скоростью расти на плюс-конце и разрушаться на минус-конце, т. е. длина его сохраняется, а мономеры актина продвигаются по этой длине от плюс-конца к минус-концу. Разборка актиновых филаментов (под действием специальных дефрагментирующих белков и ионов кальция) превращает гель в золь – вязкий коллоидный раствор, не имеющий свойств твердого тела. Гельзоль переходы лежат в основе направленных потоков цитоплазмы и амебоидного движения клеток, там, где они имеются. Актин участвует во многих процессах клеточного движения. К примеру, мышечное сокращение основано на движении актиновых филаментов относительно филаментов, состоящих из другого белка – миозина. Соокращение немышечных клеток, в том числе и при амебоидном движении, также происходит с участием миозина (который достигает до 1 % всего белка клетки), не организованного, однако, в собственные филаменты. При всех таких движениях относительно актина миозин гидролизует макроэргическую связь в молекуле АТФ, используя ее как источник энергии для движения. Сеть актиновых филаментов особенно густа вблизи поверхности клетки. Тесно взаимодействуя с внешней мембраной (опять-таки при помощи специальных белков), они формируют так называемый клеточный кортекс – довольно прочную внутреннюю механическую основу ее поверхности. Механические свойства кортекса довольно любопытны. Он хорошо противостоит резким кратковременным нагрузкам, ведя себя как твердое тело, но податлив к медленным и постепенным нагрузкам, в том числе и весьма слабым, в этом случае ведя себя как вязкая жидкость. Причина этого состоит в следующем. Белки, сшивающие между собой актиновые филаменты, с определенной скоростью спонтанно диссоциируют от филаментов и ассоциируются с ними снова. При медленной нагрузке в моменты диссоциации происходит смещение ранее связанных друг с другом актиновых филаментов друг относительно друга в направлении нагрузки, поэтому постепенно актиновая сеть перестраивается. При резких воздействиях связывающие белки не успевают диссоциировать. Микротрубочки – более толстые структуры, их диаметр – около 25 нм. Их структурной единицей является димер из двух белков - α- и β-тубулинов. Общая суммарная длина микротрубочек в клетке, как правило, в 10 раз меньше, чем суммарная длина актиновых микрофиламентов. По содержанию тубулина больше всего в головном мозге позвоночных – до 10–20 % всего растворимого белка, так как они формируют структуру аксонов нервных клеток. Как и у актиновых филаментов, у микротрубочек есть плюси минус-концы, растущие с разной скоростью. Для полимеризации микротрубочек необходима ГТФ. Однако у микротрубочек равновесное состояние невозможно – они спонтанно переходят от медленного нарастания на плюс-конце к быстрому разрушению с того же плюс-конца. Чтобы предотвратить микротрубочку от неминуемого разрушения, ее плюс-конец должен быть защищен связью с каким-то определенным веществом. Поэтому в клетке стабильны только те микротрубочки, которые присоединены к чему-либо. В отличие от актиновых филаментов, микротрубочки не формируют сетей. Важнейшей особенностью микротрубочек является то, что они не образуются в клетке сами по себе – все микротрубочки радиально отходят от так называемого клеточного центра, или центросомы. Это небольшая плотная область, расположенная возле ядра, внутри которой находятся две примечательные структуры – центриоли. Центриоль представляет собой цилиндрическую органеллу толщиной около 0,2 мкм и длиной 0,4 мкм. Стенку центриоли составляют девять параллельных групп из трех слившихся микротрубочек, причем каждый такой триплет наклонен к окружности центриоли под углом 45 % (рис. 8.5). В клеточном центре всегда имеется две центриоли, лежащие рядом, но под прямым углом друг к другу (см. рис. 8.5). При делении клетки центриоли расходятся, и возле каждой старой центриоли возникает молодая центриоль. у которой поначалу вместо девяти триплетов имеется девять одиночных микротрубочек по периферии. В дальнейшем они дозревают до центриоли нормальной структуры. Каким-то еще не выясненным образом существующая центриоль служит матрицей для образующейся возле нее второй центриоли. Поперечного деления центриоли на две, что было бы логично ожидать в качестве такого способа, не имеет места. Следует отметить, что в клеточном центре растений центриоли отсутствуют и он выглядит как недиффиренцированная плотная структура, сохраняя, однако, функцию организатора всех клеточных микротрубочек. Клеточный центр является затравкой для сборки всех микротрубочек клетки, причем единовременно от клеточного центра отходит довольно строго определенное число микротрубочек – допустим, у фибробластов человека около 250. Их минус-концы погружены в перицентриолярное вещество, а плюсконцы нарастают в случайных направлениях, пока микротрубочка не разрушится или не соединится с органеллами, кортексом и т. д. и тем самым не зафиксируется. Фиксация «зрелых» микротрубочек усиливается специальными белками. Тем не менее, и такие микротрубочки со временем разрушаются и создаются вновь, и эти процессы влияют на рост и движение клеток. Важнейшая функция микротрубочек – служить рельсами для перемещения мембранных пузырьков и органелл клетки, таких как митохондрии, которое происходит посредством специальных транспортных белков. Причем одни белки осуществляют транспорт по направлению от минус-конца к плюс-концу, а другие – в обратном направлении. Таким образом, микротрубочки направляют все процессы экзо- и эндоцитоза, а также определяют местоположение ЭПР и комплекса Гольджи. Другая важнейшая функция микротрубочек – направлять и обеспечивать правильное деление клетки – будет рассмотрена на следующей лекции. Промежуточные филаменты имеют диаметр 8–10 нм и напоминают переплетенные канаты, образованные фибриллярными белками. Этот элемент цитоскелета ригиден и неэластичен и предназначен для выдерживания механических нагрузок на разрыв. Поэтому их много в клетках, подвергающихся физическому воздействию. Промежуточные филаменты расположены пучками или по отдельности. Сеть промежуточных филаментов гуще всего возле ядра, откуда она простирается к периферии клетки, причем в этом ее распространении, судя по всему, играют роль микротрубочки, опять-таки в качестве транспортных рельсов. Промежуточные филаменты гораздо стабильнее актиновых филаментов и микротрубочек, но также могут подвергаться разборке, связанной с фосфорилированием их компонентов. Особый класс промежуточных филаментов образует ядерную ламину – структуру в виде решетки с прямоугольными ячейками, подстилающую изнутри ядерную мембрану. К промежуточным филаментам принадлежат и волокна кератина – того самого белка, из которого состоят волосы, ногти, чешуи, рог. Клетки, составляющие эти органы, синтезируют огромное количество таких филаментов. Кератиновых промежуточных филаментов много и в любых клетках эпидермиса – верхнего слоя нашей кожи. Таким образом, в любой эукариотической клетке имеется сложная трехмерная структура, состоящая из белковых элементов трех типов, обладающих совершенно разными свойствами, функциями и способами образования. Эта структура ответственна не только за механические свойства клетки, но и за все, что связано с движением как самой клетки, так и ее внутренних элементов. Именно за счет элементов цитоскелета одноклеточные организмы – простейшие – могут достигать той сложности строения, которая делает из независимыми свободноживущими организмами. 7. Жгутики эукариот Почти у всех эукариот хотя бы некоторые клетки имеют реснички или жгутики. Они представляют собой органы плавания клетки в жидкой среде (у одноклеточных форм и стадий и у не очень крупных многоклеточных) или, наоборот, перемещения жидкой среды вдоль клетки (у многоклеточных форм). Что, по сути, есть одно и то же. Отличие ресничек от жгутиков состоит в длине и характере движения. Ресничка короткая, ее движение состоит из резкого изгиба у основания при сохранении прямизны по остальной длине (при этом она действует как весло), сменяющейся медленным изгибом основания в обратном направлении и расслабленного состояния основной длины (так что она принимает форму, максимально ослабляющую сопротивление жидкости). Как правило, ресничек много и их движения скоординированы и волнообразны. Жгутики длинны и совершают постоянные волнообразные движения. Диаметр жгутиков или ресничек – около 0,25 мкм, а длина варьирует от 10 до 200 мкм. Структура и у жгутиков, и у ресничек одинаковая и весьма стандартная. В ее основе лежит красивая структура из микротрубочек (которые мы рассмотрели выше) – по периметру расположено девять пар сдвоенных микротрубочек (дублетов) и еще две отдельные микротрубочки проходят по центру образованного ими цилиндра (рис. 8.6). При этом обе центральные микротрубочки полноценны, в то время как в боковых парах только одна микротрубочка полная, другая же пристроена к ней и в месте контакта не имеет собственной стенки. С интервалом в 24 нм от боковых дублетов по направлению к соседнему дублету отходят «ручки», состоящие из одной молекулы белка динеина, другой белок образует эластичные связки между дублетами. От них же по направлению к центральной паре микротрубочек отходят «спицы», состоящие из другого белка. Движение жгутиков обеспечивается скольжением боковых дублетов друг относительно друга, за которое ответствен белок динеин, который, гидролизуя АТФ, смещается относительно той микротрубочки, к которой он направлен. В основании любого жгутика или реснички лежит базальное тельце, или базонема, совершенно идентичная центриоли, от которой у животных отходят цитоплазматические микротрубочки. Неслучайно структура центриоли в чем-то аналогична структуре жгутика – и там и тут мы имеем девять продольных структур, образованных микротрубочками. Подобно тому как центриоль служит затравкой для построения цитоплазматических микротрубочек, базальное тельце служит затравкой для построения жгутика. Однако жгутик отходит не от некоего недифференцированного вещества возле него, а непосредственно от базального тельца. Микротрубочки боковых дублетов отходят от плюс-концов двух из трех микротрубочек каждого бокового триплета базального тельца. Центральная пара микротрубочек образуется непонятным пока образом без видимой затравки. Сам жгутик можно оторвать, и он восстановится из базального тельца. Но без базального тельца жгутик не возникает. Базальные тельца формируются около центриолей клеточного центра. В случае ресничек у человека вокруг каждой материнской центриоли возникают ювенильные базальные тельца. Каким-то образом центриоль служит матрицей для образующихся около нее базальных телец (равно как и для дочерней центриоли при делении клеточного центра). Как и в случае ювенильных центриолей, у них сначала вместо девяти триплетов имеется девять одиночных микротрубочек по периферии. В дальнейшем они дозревают до нормальных базальных телец, по структуре идентичных центриолям. Базальные тельца и центриоли могут быть идентичны не только по структуре, но и по функции. Зеленый жгутиконосец хламидомонада имеет два жгутика, но перед делением клетки он их теряет, а их базальные тельца функционируют как центриоли при делении клетки (как происходит деление – рассмотрим в следующей лекции). Жгутики (или реснички) изначально присущи эукариотической клетке. Они есть у многих одноклеточных – у жгутиконосцев (жгутики) и инфузорий (реснички). Их нет у высших грибов и высших (цветковых) растений, но они есть у низших грибов и растений. Почти у всех животных они так или иначе присутствуют в каких-то клетках, как минимум у сперматозоидов. Единственная группа животных, где они полностью утрачены, это круглые черви нематоды. У человека жгутики есть не только в сперматозоидах, но и у клеток так называемого ресничного эпителия, который выстилает полость легких и пазух носа и создает ток приповерхностной слизи (грубо говоря, соплей и мокроты), благодаря чему внутренняя поверхность легких очищается от пыли. О жгутиках можно рассказать интересный факт. В раннем эмбриональном развитии человека есть так называемая стадия бластулы, когда человек еще представляет собой лишь однослойную сферу из клеток, на которые поделилась оплодотворенная яйцеклетка. Но клетки в ней уже неодинаковы и готовы к дальнейшим превращениям. На этой стадии одна совершенно определенная клетка несет один жгутик, который характерен тем, что в нем нет двух внутренних микротрубочек. Биение этого жгутика создает некоторый ток жидкости вокруг бластулы. Вместе с этим течением в определенную сторону перемещаются и определенные морфогены – вещества, выделяемые одними клетками, чтобы влиять на развитие других. Этим потоком морфогенов задается первоначальная право-левая ассимметрия человеческого тела. У человека есть мутация, нарушающая подвижность жгутиков. Такие люди вполне живут, но у них есть определенные проблемы со здоровьем и наблюдается мужское бесплодие, так как у них неподвижны реснички эпителия нижних дыхательных путей и жгутики сперматозоидов. И, что удивительно, сердце с равной вероятностью находится слева или справа. Как выяснилось, ничего удивительного в этом нет – отсутствие упомянутого жгутика у бластулы проиводит к тому, что тока морфогенов нет и право-левая асимметрия закладывается случайным образом. 8. Жгутики и движение бактерий Жгутики бактерий не имеют ничего общего со жгутиками эукариот. Они имеют другую химическую основу, другой принцип движения и сами по себе к активному движению не способны – вращается лишь их основание. Жгутики бактерий представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка. Толщина жгутиков 12–20 нм, длина 3–15 мкм. Они состоят из трех частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (одна пара дисков – у грамположительных и 2 пары – у грамотрицательных бактерий) (рис. 8.7). Дисками жгутики прикреплены к мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем-ротором, вращающим жгутик. Жгутики состоят из белка – флагеллина (от лат. flagellum – жгутик). Бактериальный жгутик закручен спиралевидным образом. Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (например, у холерного вибриона) до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии, у кишечной палочки, протея и др., либо же имеется пучок жгутиков на одном из концов клетки. Рассмотрим движение бактерии со многими жгутиками. Все жгутики одной бактерии непрерывно вращаются, причем в одну и ту же сторону. Однако во времени направление вращения периодически меняется на обратное. При вращении спирально закрученных жгутиков против часовой стрелки они собираются в один общий пучок и создают тягу, толкающую клетку в противоположную сторону, в результате чего она движется поступательно. При вращении в обратном направлении, по часовой стрелке, пучок распадается на отдельные жгутики, которые толкают клетку в разных направлениях, так что она кувыркается на месте хаотическим образом. Именно за счет чередования этих двух режимов – направленного плавания и кувыркания – бактерия в итоге может двигаться по направлению возрастания концентрации благоприятных ей веществ (например, сахара) либо убывания концентрации неблагоприятных веществ. Механизм такого движения необыкновенно прост (в соответствии с простотой организма), но в то же время весьма эффективен. Бактерия слишком мала, чтобы отслеживать изменения концентрации вдоль длины своей клетки. Но она может отслеживать изменения концентрации во времени. Если концентрация благоприятного вещества со временем нарастает, она проводит больше времени в движении и меньше времени в кувырканиях, тем самым продвигаясь в нужном направлении. Если концентрация нужного вещества во времени убывает, бактерия вскоре останавливает движение и начинает кувыркаться, «в надежде» случайным образом принять более благоприятное направление движения. Здесь важнее всего то, что бактерия должна реагировать не на определенную концентрацию вещества, а на изменение этой концентрации во времени. Это достигается посредством молекулярной адаптации химических рецепторов (особых трансмембранных белков, связывающихся с интересующими бактерию веществами), расположенных на мембране. Адаптация рецепторов происходит путем обратимого ковалентного присоединения к ним нескольких метильных групп. А регуляция направления вращения жгутиков – за счет фосфорилирования и дефосфорилирования нескольких белков цитоплазмы, которые передают сигнал на белки, приводящие во вращение ротор жгутика. Лекция 9. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК И КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ На двух предыдущих лекциях мы с вами рассмотрели строение клетки. Большая часть нашего времени ушла на знакомство с эукариотической клеткой, потому что она действительно гораздо сложнее устроена, чем прокариотическая. Сейчас мы переходим к клеточному делению, и здесь эта разница будет проявляться еще рельефнее. Деления бактериальной клетки мы уже коснулись. Кольцевая молекула ДНК прикреплена в определенном месте ко внешней клеточной мембране. В ходе репликации молекула ДНК, называемая бактериальной хромосомой, удваивается, причем каждая из двух молекул по прежнему прикреплена к мембране. После этого мембрана между местами прикрепления двух молекул ДНК начинает расти. Одновременно растет и клеточная стенка. Когда обе хромосомы расходятся на достаточное расстояние, мембрана и клеточная стенка образуют перетяжку, которая делит клетку на две. Деление эукариотической клетки протекает сложнее. Это связано с необходимостью точно поделить между двумя дочерними клетками гораздо большее количество ДНК, да еще подразделенное на многие хромосомы. Деление каждой эукариотической клетки сопровождается впечатляющими событиями, которые видно даже под средненьким световым микроскопом. Деление эукариотической клетки называется митоз. Однако этот термин относится именно к процессам, наблюдаемым в микроскоп. В промежутках между делениями – митозами – клетка проходит стадии, которые под микроскопом не увидишь, но которые очень важны. Поэтому правильнее будет говорить о митотическом цикле – промежутке времени, включающем один промежуток между делениями клетки и одно клеточное деление (именно в такой последовательности). «Нормальное» состояние клетки между делениями называется интерфазой. (Смысл термина в том, что это промежуток между делениями.) На самом деле интерфаза делится на три стадии – G1, S и G2 (здесь буква G всего лишь от английского gap – промежуток). Фаза G1 – это основное рабочее состояние клетки. В этом состоянии идет транскрипция и трансляция, восстановление объема и внутреннего содержания клетки, которые были ополовинены в ходе предыдущего деления, идет размножение пластид и митохондрий (очень похожее на деление бактерий, только без необходимости наращивать клеточную стенку, которую они утеряли). Именно на этой стадии клетки многоклеточного организма выполняют все свои специфические функции, организму необходимые. S-фаза – это период, когда ДНК в ядре удваивается. Репликация ДНК начинается во многих, однако строго определенных, местах, причем где-то раньше, где-то позже; тем не менее, к концу S-фазы каждая молекула ДНК удваивается полностью. Как вы понимаете, одновременно с ДНК должно удвоиться количество гистонов и негистоновых белков хроматина – появление огромной отрицательно заряженной молекулы ДНК в ядре «в голом виде» было бы физико-химической катастрофой. Поэтому в S-фазе в клетке активно синтезируются гистоны и прочие белки хроматина. Здесь есть важный момент. Среди белков хроматина имеется очень малая по количеству, но очень разнообразная и важная часть – специфические генные регуляторы - это те белковые репрессоры и активаторы, которые включают и выключают гены. Они связываются с регуляторной областью практически любого эукариотического гена и определяют его выключенное или включенное состояние (т. е. транскрибируется он или нет). Не нужно напоминать, что коль скоро регуляторы – это специальные белки, то каждый из них тоже кодируется своим геном, экспрессия которого также регулируется какими-то регуляторами – так реализованы генные сети управления. Генов – десятки тысяч. Регуляторов меньше, так как каждый включает или выключает многие гены – иначе мы имели бы свой отдельный регулятор на каждый ген и впали бы в дурную бесконечность. Важно подчеркнуть, что каждая клетка многоклеточного организма несет в себе все гены, присущие этому организму, но в каждой конкретной клетке работает только малая часть генов, тогда как остальные нужны в других типах клеток или в другие периоды жизни. Гены включаются и выключаются по мере необходимости, но при делении клеток определенного типа важно, чтобы включенные и выключенные состояния генов, характерные для данного типа, в целом были унаследованы. При репликации ДНК удваивается, и надо, чтобы регуляторные белки не только были дополнительно синтезированы в таком же количестве, как и исходно наличествовавшее, но и сели на свои места. Обычно это достигается посредством обратной связи – такой белок регулирует и свой же собственный ген, поэтому когда этот ген активен, регуляторный белок производится, присутствует в клетке в нужном количестве и связывается с теми регуляторными сайтами, к которым он специфичен. Если активность гена данного регуляторного белка потеряна, то она как правило уже не восстанавливается ввиду отсутствия его продукта. Воспроизведение включенного и выключенного состояния генов при удвоении ДНК может достигаться и за счет кооперативного эффекта, который проявляют регуляторные белки, – наличие молекулы белка, связанной с ДНК, провоцирует в своей непосредственной близости связывание со вновь синтезированной ДНК такого же белка. О подобном явлении – наследовании определенного состояния генов в ряду клеточных поколений без изменения структуры самого гена на уровне ДНК принято говорить как об эпигенетическом наследовании. И в то же время репликация – это именно тот критический момент, когда многие гены выключаются или включаются в ходе индивидуального развития. В течение G1 среди других белков могут быть синтезированы новые регуляторы, и во время S они могут успешно конкурировать со старыми за вновь синтезированные регуляторные области ДНК. Или, наоборот, бывают недосинтезированы старые регуляторы, в результате созданные заново регуляторные области ДНК оказываются не занятыми или занятыми регуляторами, сродство которых к ним меньше. Регуляторные сигналы могут поступить извне, в виде гормонов и цитокинов (веществ, при помощи которых клетки воздействуют друг на друга на ближних дистанциях) – они связываются с белками-рецепторами, которые за счет этого приобретают свойства генных регуляторов. Кроме того, каждый белок-регулятор в моменты репликации ДНК вынужден конкурировать за те участки вновь синтезируемой ДНК, к которым он специфичен, с гистонами. Мы упоминали «гистоновый код» - набор посттрансляционных модификаций коровых гистонов, определяющий свойства хроматина, в том числе активность находящихся в нем генов, то есть доступность ДНК для белковрегуляторов и элементов транскрипционной машины. Кроме того, некоторые регуляторные белки имеют определенное сходство с линкерным гистоном Н1 и конкурируют за свои сайты связывания на ДНК именно с ним. Так в S-фазе, за счет некоторых изменений в присутствии-отсутсвии регуляторов на регуляторных последовательностях ДНК тех или иных генов, в ходе индивидуального развития многоклеточного организма клетки и приобретают новые свойства. Наконец, в клетке есть еще одна структура, удваивающаяся именно в S-фазе. Это центросома. В фазе G1 центросома выглядит так, как было описано выше: аморфное образование, внутри него находятся две расположенные перпендикулярно друг другу центриоли (но у растений центриолей нет). Как мы помним, центросома является местом, откуда формируется такой элемент цитоскелета, как микротрубочки. В интерфазе миркотрубочки растут от центросомы по направлению ко всей клеточной периферии. Некоторые из них становятся нестабильными и быстро разбираются на отдельные молекулы тубулина. В конце фазы G1 центриоли расходятся на несколько микрон. А в S-фазе рядом с каждой центриолью строится вторая центриоль, и центросома удваивается. Следующая – G2 – подготовка к делению. На данной стадии нарабатываются определенные белки. В это время завершается формирование двух центросом, а система интерфазных микротрубочек начинает разрушаться, высвобождая тубулин, из которого микротрубочки состоят. Хромосомы в это время уже начинают дополнительно конденсироваться, но в микроскоп этого пока не видно. Собственно митоз (М-фаза) также делится на несколько стадий (рис. 9.1). Это кульминация клеточного цикла, протекающая в виде жесткой последовательности событий, которые достаточно драматичны даже при простом взгляде в микроскоп. В солидном учебнике клеточной биологии Альбертса с соавт. сказано, что хромосомы в митозе напоминают покойника на похоронах – они стимулируют события, но сами не принимают никакого активного участия в действиях. Митоз наступает при появлении в клетке специального митоз-стимулирующего фактора, который не может возникнуть, пока в клетке не закончилась репликация ДНК и другие подготовительные процессы. Под действием этого фактора запускается каскад фосфорилирования множества белков. В фосфорилированном состоянии они начинают активно функционировать. Один из наиболее интенсивно фосфорилируемых белков (до 6 фосфатных групп на молекулу) – это упомянутый выше гистон Н1. При этом он теряет в сродстве с ДНК (так как его положительный заряд частично компенсируется отрицательно заряженными фосфатными группами), и с ней связываются другие белки, специфичные именно для митоза, что приводит к гораздо более плотной упаковке хромосом, чем в интерфазе. Еще один белок, который фосфорилируется в том же каскаде, запускающем митоз – когезин. В нефосфорилированном состоянии он соединяет вместе две сестринские хроматиды, образовавшиеся в результате репликации ДНК в S-фазе, образуя своего рода кольца вокруг пары хроматид, подобно ободам в бочке. Фосфорилирование когезина в начале мейоза приводит к раскрытию колец и рассоедниению сестринских хроматид, за исключением одного их района - центромеры, о коротом речь пойдет ниже. Имеется механизм, который в этом районе снова фосфорилирует когезин, так что именно здесь сестринские хроматиды остаются соединенными друг с другом. Первая стадия митоза – профаза. Главное, что происходит в профазе, – дополнительная упаковка (конденсация) хромосом. В такой степени, что они становятся похожими сначала на спутанные нити, видимые в световой микроскоп. В профазе происходят важные события и в цитоплазме. Имевшиеся в клетке микротрубочки деполимеризуются. При этом клетка как правило теряет свою специфическую форму и округляется. Вокруг центросом образуется так называемая звезда – система из радиально расходящихся микротрубочек, которые постепенно удлиняются. Микротрубочки в процессе митоза начинают обновляться в 20 раз быстрее, чем в интерфазе, и небольшому числу длинных стабильных микротрубочек приходит на смену множество коротких нестабильных. Интенсивная сборка и разборка микротрубочек необходима для правильного течения митоза. Когда микротрубочки, исходящие от двух полюсов (клеточных центров) навстречу друг другу, вступают в контакт, они соединяются друг с другом определенными белками, которые стабилизируют их и предотвращают от деполимеризации. Такие микротрубочки формируют веретено деления. Микротрубочки звезды, растущие в других направлениях, либо постояно разрушаются, либо фиксируются на клеточном кортексе вблизи полюсов. Затем наступает прометафаза, которая знаменуется важнейшим событием – ядерная мембрана дефрагментируется на пузырьки и ядро исчезает как структура. При этом происходит деполимеризация ламины ядерного скелета, состоящего из филаментов определенных белков, подстилающих ядерную мембрану (этот процесс также связан с их фосфорилированием). Содержимое ядра объединяется с цитоплазмой. Тем самым восстанавливается состояние, похожее на прокариотическое, при котором ДНК находится в том же компартменте, что и рибосомы. Во время деления ядро исчезает. Это, по-видимому, указывает на то, что ядро – это временная рабочая структура, призванная разобщить тарнскрипцию и трансляцию, хотя бы ценой существенных энергетических затрат на ядерный транспорт и на то, чтобы от него, ядра, избавляться при всяком делении клетки и восстанавливать после него. Смысл этого эволюционного решения не вполне ясен. Возможно, таким путем достигается защита ДНК от каких-то ферментов или других веществ в цитозоле. Допустим, в ходе клеточного дыхания в митохондриях образуется какое-то количество реакционноспособных свободных радикалов, которые опасны для ДНК. Дополнительная двойная мембрана может ставить для них дополнительный барьер. Цитозоль содержит РНКазы, разрушающие мРНК после того как они становятся ненужными, наверное, нежелательно, чтобы они контактировали с мРНК в процессе их синтеза (но у прокариот это не составляет проблемы). В прометафазе хромосомы конденсируются окончательно и принимают вид парных образований, напоминающих двойные палочки или червяков, причем каждая пара соединяется центромерой, где образуется своего рода перетяжка – это называется метафазные хромосомы. Такое изображение хромосомы вам всем конечно же хорошо знакомо. На рис. 9.2 она показана с некоторыми подробностями. (Теломера – это конец хромосомы, имеющий специфическую последовательность нуклеотидов. Вторичная перетяжка соответствует ядрышку – это место, где находятся гены рРНК – оно не конденсируется в той же степени, что и остальная хромосома. Спутник – это участок «нормальной» хромосомы за вторичной перетяжкой. Вторичная перетяжка и соответственно спутник есть далеко не на всех хромосомах, поэтому они помогают их идентифицировать.) Необходимо помнить, что метафазная хромосома – это хромосома в нерабочем состоянии, упакованная для деления. В рабочем состоянии, т. е. в интерфазе, хромосома представляет собой кисель, заваренный вокруг линейной молекулы ДНК, и ее не увидишь под микроскопом. Метафазная хромосома – двойная. Две ее протяженные составляющие соответствуют двум линейным молекулам ДНК, образовавшимся при репликации. Они называются сестринские хроматиды. Как мы уже сказали, место соединения хроматид называется центромера. Она удваивается позже остальной ДНК, но в метафазной хромосоме центромера, так же как и вся хромосома, состоит из двух хроматид, только в этом месте соединенных определенными белками. Местоположение центромеры на молекуле ДНК (хромосоме) не вполне определяется специфической первичной структурой. Центромера всегда расположена там, где локализованы определенные последовательности, как многократно повторенные голова к хвосту. Это тандемные повторы. Таких участков на хромосоме много, структуру они имеют разную, и некоторые из них обладают способностью служить центром организации центромеры. Если центромерный участок ДНК удалить, центромера как правило организуется на другом участке подходящей структуры. И в то же время в норме центромера сохраняет свою позицию на ДНК при удвоении последней. Это означает, что вся центромера как сложная структура также наследуется эпигенетически, как некая передаваемая по наследству надстройка к подходящему сайту, причем на хромосоме она всегда одна. После всего вышесказанного не выглядет удивительным, что структура центромерных повторов может быть разной у разных видов и даже у разных хромосом одного вида. В прометафазе происходит следующее. На центромере каждой из хроматид формируется определенная структура, называемая кинетохор (рис. 9.3). Он состоит, как вы, наверное, догадались, из определенных белков, в его состав также может входить некодирующая РНК. Подчеркнем, что каждая хромосома несет два кинетохора, по одному – на каждую из своих хроматид. Кинетохор связывается с растущими концами микротрубочек, отходящих от полюсов клетки. К каждому кинетохору прикрепляется несколько десятков микротрубочек (но вот у дрожжей – только одна). При этом кинетохоры разных хроматид одной хромосомы связываются с микротрубочками, отходящими от разных полюсов. В прометафазе хромосомы, как правило, активно блуждают по цитоплазме. Поначалу оба кинетохора могут связываться с микротрубочками одного полюса, однако вскоре происходит определенная перестройка контактов кинетохора с микротрубочками, так что центромера одной хроматиды оказывается связанной с микротрубочками, идущими только от одного из полюсов веретена деления. Любопытно, что связь кинетохора с микротрубочками, по-видимому, стабилизируется натяжением последних. В опытах, когда хромосому, оба кинетохора которой были связаны с микротрубочками одного и того же полюса, механически тянули от него, такая связь сохранялась. Если же усилия не прилагать, то рано или поздно каждый кинетохор окажется связанным с микротрубочками своего полюса, что и создаст стабилизирующее эту связь напряжение. В прометафазе микротрубочки активно растут, и именно с того конца, который прикреплен к кинетохору. В метафазе этот рост компенсируется деполимеризацией концов микротрубочек у центросомы, так что молекулы тубулина постепенно перемещаются от концов к полюсам, а микротрубочка остается натянутой и сохраняет постоянную длину. Контакт кинетохора с микротрубочками уникален. Во первых, он стабилизирует микротрубочку, так что связанные с хромосомами микротрубочки не подвержены самопроизвольной тотальной деполимеризации. Во-вторых, к концу митоза концы трубочек, присоединенных к кинетохору, начинают активно разбираться. И при этом тот же самый активный конец, растущий либо разрушающийся, остается прочно связанным с кинетохором, который, по-видимому, присоединяет микротрубочки сбоку, но непременно вблизи конца, представляя собой нечто вроде скользящего ошейника. В прометафазе хромосомы, ведомые микротрубочками, осуществляют сложный танец, но к наступлению следующей стадии – метафазы – все хромосомы располагаются в экваториальной плоскости (плоскость, находящаяся строго между центросомами и перпендикулярная веретену). Это достигается вследствие того, что, как показали опыты, на этой стадии микротрубочки, несмотря на активный обмен тубулина на их концах, тянут хромосомы на себя. Причем сила тяготения пропорциональна длине микротрубочки, т. е. они функционируют как пружины. Эти силы уравниваются, когда микротрубочки, идущие от разных полюсов, оказываются одинаковой длины. В метафазе все процессы в клетке как бы замирают, выстроившиеся в метафазных пластинках хромосомы совершают только колебательные движения. По-видимому, это делается для того, чтобы дождаться хромосом, которые могли бы отстать по разным причинам и обеспечить одновременный старт – в метафазе хромосомы находятся в напряженной неподвижности как бегуны на старте. Следующая стадия – анафаза – наступает с внезапного и одновременного отделения центромер двух хроматид друг от друга. Это происходит в ответ на стремительное десятикратное увеличение концентрации ионов кальция в клетке. Они выделяются из мембранных пузырьков, окружающих клеточный центр. Повышенная концентрация кальция активирует определенный фермент, который разрезает когезиновые кольца, еще остающиеся в центромере и соединяющие сестринские хроматиды, так что они наконец отделяются друг от друга наконец и здесь. (Заметим, что если в профазе когезиновые кольца раскрывались путем фосфорилирования, то здесь – путем разрезания; подобно тому, как велосипедный замок можно либо открыть ключем, либо перекусить кусачками.) Ведомые притяжением микротрубочек через кинетохоры, хромосомы немедленно начинают расходиться к полюсам клетки – каждая из двух сестринских хроматид к своему полюсу. Движение хромосом в анафазе происходит за счет процессов разного рода. Во-первых, начинается деполимеризация микротрубочек, связанных с кинетохорами. Скорее всего это вызвано исчезновением натяжения микротрубочек, которое, как мы уже говорили, стабилизирует конец микротрубочки. Однако до сих пор не совсем понятно, что именно заставляет кинетохор двигаться – его сродство с концом полимеризованной микротрубочкой, так что он вынужден продвигаться по мере его разборки, либо же он сам активно «проедает» микротрубочку – движется по ней и способствует ее деполимеризации. Есть также точка зрения, что микротрубочка – это только рельсы, но не двигатель, а хромосома движется под действием каких-то белков, не связанных с микротрубочкой (однако это не актин и миозин). Существуют даже модели, что хромосома движется на волне локального разжижения цитоплазмы, связанной опять-таки с полимеризацией и деполимеризацией неких белков. Кроме того, в анафазе продолжается и даже ускоряется деполимеризация микротрубочек у полюсов, что вносит вклад в их быстрое укорочение. Во-вторых, сами центросомы в стадии анафазы расходятся друг от друга, иногда довольно значительно. Это опять-таки происходит под действием нескольких процессов. Микротрубочки, идущие от разных полюсов и прикрепленные не к кинетохорам, а друг к другу, в метафазе не укорачиваются, а, наоборот, нарастают и удлиняются. Они, по-видимому, способны активно отталкиваться друг от друга под действием каких-то специальных белков, родственных тем, которые движут жгутики, построенные на основе микротрубочек. Наконец, микротрубочки звезды, отходящие от центросом в разные стороны и связавшиеся с цитоскелетом кортикальной области вблизи центросомы, сокращаются в длине, подтягивая центросомы на себя, по тем же механизмам, которые притягивают хромосомы. Мы видим, сколько хитроумных механизмов одновременно задействовано, чтобы обеспечить правильное расхождение хромосом в митозе. По-видимому, эти механизмы в эволюции добавлялись к процессу один за другим, чтобы обеспечить его четкое и неотвратимое протекание. (Ниже мы рассмотрим один из «ранних» механизмов митоза.) Здесь специально упомянуто много деталей, так как если просто сказать, что «хромосомы расходятся», то это будет не более чем скучной сказкой. Но если задаться целью выяснить, как именно это происходит, то мы погружаемся в мир, пограничный между химией и механикой, показывающий нам многочисленные устройства, свойства которых кажутся нам удивительными. На следующей стадии – телофазе – около хромосом, собравшихся вокруг каждой центросомы, начинает образовываться новая ядерная оболочка. Двойная мембрана возрождается из пузырьков, белки ядерной ламины дефосфорилируются и снова формируют собственно ламину, ядерные поры снова собираются из составных частей. Итак, суть рассмотренных нами стадий митоза состоит в удвоении ядра. Это удвоение начинается со скрытого от глаз удвоения хромосом в интерфазе, а продолжается через его саморазрушение как структуры в ходе митоза. Когда ядро удвоилось, необходимо разделить цитоплазму – осуществить цитокинез. У животных разделение происходит за счет образования перетяжки между двумя клетками. Сначала на поверхности клетки возникает борозда, под ней формируется так называемое сократимое кольцо. Она образуется из актиновых филаментов кортекса (компонентов цитоскелета, находящихся под клеточной мембраной). Кольцо действительно сокращается. Это происходит за счет взаимодействия актина микрофиламентов с миозином. Эти же два белка участвуют в мышечном сокращении, таким образом, деление самой клетки на две и наши движения имеют одну и ту же химическую природу. Как видим, когда речь зашла о цитоплазме, дело не обошлось без вездесущих актина и миозина. Расположение первичной борозды и сократимого кольца определяется расположением веретена деления. По мере сокращения кольца клетка разделяется перетяжкой на две, которые в конце концов разделяются, вдобавок оставляя еще небольшое остаточное тельце – связанные друг с другом фрагменты встречных микротрубочек веретена, располагавшиеся первоначально в экваториальной плоскости. Какие особенности растительной клетки накладывают свой отпечаток на процесс разделения клетки на две? Клеточная стенка. Она не позволит клетке произвольно сменить форму, образовать перетяжку. Поэтому цитокинез происходит у растений совсем по-другому. Находящиеся в экваториальной плоскости соединенные друг с другом фрагменты противоположно направленных микротрубочек веретена – те самые, которые у животных отбрасывались в виде остаточного тельца - формируют структуру, напоминающую таблетку и называемую фрагмопласт. К нему от аппарата Гольджи подходят многочисленные мембранные пузырьки, наполненные наименее жесткими полисахаридами клеточной стенки – пектинами и гемицеллюлозой. Сливаясь друг с другом, пузырьки формируют две мембраны (за счет мембран пузырьков) и между ними первичную клеточную пластинку – еще довольно мягкий фрагмент клеточной стенки, образующийся за счет содержимого пузырьков. Все это начинается с середины клетки и постепенно распространяется к ее периферии, пока первичная клеточная пластинка не сольется с клеточной стенкой, а ее мембраны – с плазмалеммой. Внутри первичной клеточной пластинки остается также много других мембранных пузырьков, происходящих из ЭПР, из которых потом формируются плазмодесмы – цитоплазматические контакты между клетками, состоящие из канала и окаймляющего его кольцевого пузырька. Между прочим, в делении растительной клетки актиновые филаменты клеточного кортекса тоже принимают участие, так как с их помощью происходит позиционирование веретена деления. Нельзя не упомянуть, что у части зеленых водорослей (они, в свою очередь, являются только частью водорослей вообще) веретено деления быстро исчезает, а вместо фрагмопласта формируется фикопласт – новая система микротрубочек, расположенных вдоль плоскости деления, тогда как фрагмопласт остальных растений образуется из соединенных фрагментов микротрубочек веретена, расположенных хотя и в плоскости деления, но ориентированных перпендикулярно ей. Однако другие зеленые водоросли, повидимому, родственные высшим растениям, имеют фрагмопласт. Смысл описанного процесса вполне прозрачен. В ходе репликации каждая молекула ДНК, т. е. хромосома, удваивается. Но удвоиться нужно и всей клетке. При этом необходимо распределить удвоившиеся хромосомы между двумя новыми клетками, чтобы каждая клетка получила строго по одной копии каждой хромосомы. Заодно нужно поделить и все остальное. Это и призван сделать митоз. Создается впечатление, что у клетки есть два устойчивых состояния – интерфаза, а точнее, фаза G1 (рабочее состояние, максимально деконденсированные хромосомы) и метафаза (сугубо «походное» состояние, максимально конденсированные хромосомы), а все остальное – это проходящие стадии между ними. По-видимому, переход из одного состояния в другое определяется немногими химическими переключателями, а сами два состояния определяются дефосфорилированным (интерфаза) либо фосфорилированным (метафаза) состоянием многих белков (сюда входит гистон Н1, белки ядерной ламины и др.). Необходимость строго поддерживать число и качество молекул ДНК в клетке довольно очевидна – ДНК контролирует все процессы и сама контролируется процессами, связанными с микроконцентрациями белков-регуляторов. Это тонко настроенные процессы, требующие точных качества и количества. Количество компонентов цитоплазмы может варьировать в довольно широких пределах и при делении клеток цитоплазма разделяется достаточно приблизительно. Но так или иначе, цитоплазма должна поделиться, причем в дочерние клетки (кроме особых случаев) должно попасть сколько-то пластид (если это растение), митохондрий, цистерн аппарата Гольджи. Еще одна структура, требующая точного удвоения и распределения, – это клеточный центр. При нарушении его удвоения возникают аномалии митоза (допустим, три полюса деления), которые приводят к нарушению распределения хроматид по новым ядрам и как следствие к гибели дочерних клеток. Так что клеточный цикл включает три независимых цикла – хромосомный, цитоплазматический и центросомный. У большинства водорослей имеется всего один хлоропласт, который должен поделиться надвое, так что у них добавляется еще и хлоропластный цикл. Все эти циклы взаимодействуют друг с другом, но иногда могут идти и независимо. Это наблюдается в опытах с определенными организмами (к примеру, после удаления ядра у некоторых делящихся клеток может тем не менее формироваться веретено, разделяться цитоплазма) либо в процессе раннего развития зародышей (к примеру, у насекомых первые деления ядра оплодотворенной яйцеклетки не сопровождаются цитокинезом). Вызывает некоторое удивление то, что митоз требует дезинтеграции ядерной оболочки, смешивания ядерного матрикса с цитозолем, с последующим восстановлением ядерной оболочки и созданием de novo разницы химического состава ядерного матрикса и цитозоля. Кстати, бывают случаи, когда ядерная оболочка не нарушается, а митотическое веретено и расхождение хромосом происходит внутри ядра – эндомитоз. Такое деление ядра свойственно некоторым простейшим и почти всем грибам. У водорослей, цитокинез которых включает образование фикопласта, ядерная оболочка также не исчезает во время митоза. Но что удивительно, эндомитоз – большая экзотика, тогда как у подавляющего большинства организмов, включающего всех животных и высших растений, клетки делятся с полным исчезновением и восстановлением ядра как клеточной структуры. Существуют варианты митоза, по-видимому, эволюционно более ранние. Есть такие одноклеточные жгутиконосцы – динофлагелляты, которые, возможно, сохранили черты самых ранних эукариот. У них хроматин содержит немного белков, а хромосомы, во-первых, не деконденсируются в интерфазе до конца и могут быть наблюдаемы в микроскоп на всем протяжении клеточного цикла, а во-вторых, соединены с ядерной мембраной центромерами, а не теломерами, как у большинства эукариот. Веретено деления у них, как и у большинства эукариот, формируется в цитозоле, микротрубочки у него сплошные от одного полюса к другому, и они вдаются в ядро, образуя впячивания ядерной мембраны. Кинетохоры хромосом взаимодействуют с микротрубочками сквозь ядерную мембрану и скользят вдоль микротрубочек при помощи траспортных белков, родственных белкам, приводящим в движение жгутики. Микротрубочки при этом выполняют роль направляющих рельсов, но не пружин. Скорее всего это и есть ранний вариант эукариотического митоза – микротрубочки уже приспособлены для деления генетического материала, но и мембрана еще не отстранена от этой функции. Кстати, если рассматривать эти замечательные организмы как прообраз ранних эукариот на заре их происхождения от прокариот и посмотреть, где у них располагаются хромосомы, то получается, что ядро – это и есть первичная клетка, а цитозоль – это своеобразные выпячивания клетки, своего рода щупальца или лучше сказать псевдоподии, которые потом слились вокруг первичной клетки, замкнув внутреннее пространство ЭПР и приняв на себя функцию трансляции белков по матрице мРНК и роль инкубатора для одомашненных митохондрий и пластид. При этом часть жгутиков из органов перемещения клетки во внешней среде превратилась в систему внутреннего транспорта хромосом и мембранных пузырьков, став системой микротрубочек. После этого идентичность центриолей и базальных телец жгутиков уже не кажется удивительной. Как вы думаете, какова продолжительность собственно митоза (М-фазы)? Как правило, 1–2 часа. Для справок: каждую секунду в нашем организме делится несколько миллионов клеток. Продолжительность клеточного цикла может варьировать от часа (у делящихся эмбрионов лягушки) до суток и много более. У многоклеточных организмов регуляция скорости прохождения отдельных стадий клеточного цикла и вообще темпов клеточного деления происходит под действием специальных регуляторных белков – факторов роста. В дробящейся яйцеклетке лягушки длительность фазы G1 практически равна нулю (в яйцеклетке было запасено все необходимое и новых цитоплазматических синтезов не требуется). У многоклеточных организмов многие клетки в отсутствие факторов роста из стадии G1 переходят в фазу G0 – особое состояние клетки, исключающее деление. Некоторые клетки могут быть выведены из этого состояния при добавлении фактора роста. Однако выход из этой стадии требует определенного, часто весьма значительного времени. Другие так называемые терминально дифференцированные клетки вообще не могут быть выведены из этого состояния и находятся в нем до смерти многоклеточного организма. Существует также феномен клеточного старения – когда клетки определенного типа могут пройти определенное количество клеточных делений, но не более того. К примеру, клетки соединительной ткани человека в культуре проходят от 50 (если взяты у плода) до 20 (если взяты у пожилого человека) делений, после чего деление прекращается. Все это согласуется с той ролью, которую клетки играют в организме, и с темпами его роста. Механизмы клеточного старения до конца еще не выяснены. Некоторые наивно верят, что, выяснив их, можно будет разрешить проблему человеческого бессмертия. Не раз такого рода заявления звучали по телевизору (например, относительно теломеразы – фермента, который надстраивает хромосомы с конца, что немаловажно, так как концы хромосом с каждым их удвоением укорачиваются). Но это очень примитивная мысль. Избавить клетку от клеточного старения ничего не стоит. Достаточно сломать его механизм. Наш многоклеточный организм может возникнуть и существовать базируясь исключительно на многоуровневой и тонко настроенной системе ограничения клеточного деления, тогда как деление – базовая способность клетки «по умолчанию». Если механизм регуляции деления нарушается, то какие-то клетки, деление которых в норме должно замедлиться и прекратиться, могут сохранять исходную способность к делению. Кто знает, как называются такие клетки? Да, это и есть раковая опухоль – группа активно делящихся клеток там, где деление в норме должно идти медленно или не иметь места вовсе. Так что, преодолев клеточное старение, мы получим вместо бессмертия скорую смерть. Поскольку рост и размножение индивидуальной клетки – это совсем не то же самое, что рост и благополучие многоклеточного организма. Лекция 10. ПОЛОВОЙ ПРОЦЕСС 1. МЕЙОЗ Чем дальше, тем больше мы с вами концентрируем свое внимание на различиях прокариот и эукариот. Мы узнали, что у эукариот гораздо более сложно устроенная (да и более крупная) клетка, включающая собственно ядро – эфемерную перегородку, возникающую в рабочем состоянии клетки (интерфазе) для разделения зон репликации и транскрипции по одну сторону и трансляции – по другую. У эукариот гораздо сложнее устроен процесс деления клетки, и прежде всего ее генетического материала – хромосом. Хотя и здесь можно проследить преемственность от прокариот к эукариотам, различия все же впечатляющие. Связаны они прежде всего с тем, что ДНК у эукариот гораздо больше и всю ее нужно, во-первых, упаковать, во-вторых, в этом упакованном состоянии реплицировать, в-третьих, точно поделить на две идентичных копии – для этого она пакуется еще гораздо плотнее. Таким образом, более сложная клетка требует более сложных механизмов для своего точного воспроизведения. И тут мы неожиданно сталкиваемся с необходимостью воспроизводиться не так уж точно. Именно с необходимостью, причем такой насущной, что для решения этой проблемы выработались специальные механизмы, причем еще более изощренные, чем те, которые обеспечивают точность. Нам предстоит посвятить несколько лекций эволюции. Похоже, очевидное сходство нас с обезьянами и прочими зверями все же не осознавалось людьми в течение пары тысяч лет, но сравниваются слишком уж эмоционально нагруженные вещи. Однако вот мы погружаемся в микромир, в область молекул и клеточных структур, с которыми у нас не связано никаких архетипов, образов и эмоций, мир вещей практически невидимых, которые мы можем воспринимать только с помощью интеллекта. Мы видим одни и те же нуклеотиды и аминокислоты, тот же генетический код, те же плазматические мембраны и в то же время сталкиваемся с разными способами организации этих мембран, клеточного деления и т. д. И мы не можем рассматривать это иначе как указания на ту или иную степень родства, которой связаны все живые организмы. Поэтому любое рассмотрение основ биологии с необходимостью эволюционной и иначе быть не может, так как все биологические объекты действительно возникли в ходе эволюции от общего корня. (Тем, кому дорога идея творца, не удастся закрыть глаза на эту совершенно очевидную эволюционную преемственность и придется заключить, что она свидетельствуют как минимум об эволюции творческих замыслов в божественном интеллекте, которые, будучи помыслены, материализуются, то есть мы опятьтаки имеем эволюцию в материальном мире. Позже мы увидим, что и с точки зрения механизмов эволюции творец оказывается излишней гипотезой.) Так вот, у слова эволюция сначала было довольно возвышенное значение, но сейчас оно употребляется в значении «изменение в течение многих поколений». Само существование этого термина говорит о том, что, точность самокопирования биологических объектов не абсолютна. Действительно, чтобы выжить в этом неустойчивом мире неравновесных процессов, так или иначе изменяться необходимо. Что это за изменения и где их источник? Важнейший источник изменений вам, как и любому, хорошо понятен – это ошибки. Все многообразие жизни в конечном счете возникло из счастливых (и не очень) ошибок. Но мы все хорошо знаем, как редко случаются счастливые ошибки и как много бывает досадных. И хотя в высшей степени терпеливая эволюция действительно преимущественно зиждется как раз на этих редких счастливых случаях, одна житейская мудрость остается справедливой всегда: ломать - не строить. И специально заботиться о генерации ошибок не следует – они всегда происходят сами собой в избыточном количестве благодаря самой физико-химической природе носителя генетической информации. Но существует и более привлекательный источник изменения – выбор из имеющегося разнообразия вполне привлекательных вещей и перебор разных сочетаний из них. Согласитесь, звучит более обнадеживающе. Куда приятнее сходить в магазин, чтобы выбрать себе новые вещи, чем пересматривать пришедшие в негодность старые вещи на предмет, куда еще их можно приспособить. Поэтому на всех уровнях организации жизни была предусмотрена возможность обмена индивидуумов элементами своей конструкции. Мы помним, что митохондрии и пластиды произошли от бактерий, одомашненных клетками, имеющими ядра. Но это крайний и редкий случай. Нормой же является обмен не самими конструктивными элементами, а только их чертежами и прописями технологий, т. е. генами, в которых записана информация о том, как их делать. И пользуются ими не сами индивидуумы, а их потомки. Говоря проще, практически у всех организмов предусмотрены механизмы обмена генетическим материалом с себе подобными. Перекомбинация разных работающих (не сломанных) генов порождает разнообразие технических решений, которое часто оказывается востребованным жизнью. И снова – эти механизмы различны у прокариот и эукариот. У первых они проще и более гибкие, у вторых – сложнее и жестко упорядочены. Они называются двумя словами: половой процесс. Вот вы и оживились! Это лишь очередное свидетельство важности генетического обмена для биологических объектов. Подумайте сами, почему вы оживились, о чем это вам напомнило и каков у этого биологический смысл. Давайте пойдем по уже привычному для нас пути – начнем с того, что посмотрим, как он происходит у бактерий. Половой процесс у бактерий довольно прост. Помимо жгутиков, бактериальная клетка часто несет тонкие отростки – пили. Обычно они нужны, чтобы бактерия прикреплялась к субстрату. Есть особый тип отростков – F-пили. Их наличие кодируется особой плазмидой, называемой F-фактор – независимой небольшой кольцевой ДНК, произвольное число копий которой может находиться в цитоплазме. Соответственно бактерию, которая несет эту плазмиду и как следствие имеет F-пили, можно назвать «мужской». Они способны присоединяться к другой бактерии, как правило, своего вида (хотя понятие вида у бактерий очень размыто), не имеющей F-фактора, и открываться в нее. Этот процесс называется конъюгацией. Конъюгация служит сигналом к внесению разрыва в одну из цепочек ДНК в F-факторе. При этом надрезанный конец проникает в F-пиль и далее в «женскую» клетку, где к нему достраивается вторая цепь. В ходе этого процесса в «мужской» клетке F-фактор реплицируется по мере расплетания его двойной спирали и полностью восстанавливается. Таким образом, F-фактор фактически инфицирует «женскую» клетку, превращая ее в «мужскую». С определенной вероятностью F-фактор встраивается в главную бактериальную ДНК, а будучи встроенным, способен вырезаться из нее – это обратимый процесс. В результате встрокйи, описанный выше механизм приводит к тому, что вслед за фрагментом ДНК F-фактора в «женскую» клетку начинает переходить и ДНК основной бактериальной хромосомы «мужской» клетки. Однако вся она переходит крайне редко, как правило, конъюгация обрывается раньше. В результате, «женская» клетка получает фрагмент F-фактора (но не целый F-фактор) и фрагмент бактериальной хромосомы. В ней кусок ДНК из клетки-донора способен замещать соответствующий ему кусок хромосомы «женской» клетки, так что она становится гибридной. Как вы уже, видимо, усвоили, эукариоты отличаются от прокариот гораздо большим количеством ДНК, расфасованным во многие хромосомы, и сложным механизмом ее точного попадания в дочерние клетки при делении. Кроме того, ДНК у них защищена от внешних воздействий плотной белковой упаковкой, а кроме того, либо двойной ядерной мембраной в интерфазе, либо еще более плотной упаковкой во время митоза. Такой вариант полового процесса, как у бактерий, – передача произвольного куска ДНК в надежде, что он заменит соответствующий кусок в какой-то хромосоме, тут вряд ли пройдет. И действительно, для полового процесса эукариоты изобрели специальные универсальные механизмы. Половой процесс у эукариот состоит из двух частей, которые у многоклеточных в той или иной мере разнесены в пространстве и времени. Первая его часть состоит в полном слиянии двух клеток и их ядер друг с другом. Слияние происходит на стадии G1 клеточного цикла, т. е. до синтеза ДНК. Этот момент обычно называется оплодотворением. Однако когда речь идет о слиянии двух одноклеточных организмов, то об оплодотворении говорить не принято. Видимо, когда две клетки сливаются без остатка, трудно сказать, что «кто-то оплодотворил кого-то», так как самих субъектов процесса не остается. Клетки, «намеревающиеся» слиться, принято называть гаметами. В результате слияния образуется одна клетка, ядро которой содержит два более или менее одинаковых набора хромосом, полученных от каждой из гамет. Такая клетка называется зиготой. Одинаковость двух наборов хромосом достаточно относительна, так как происходит слияние двух индивидуумов, будем говорить – двух родителей. Как мы все знаем, индивидуумы имеют индивидуальные различия, которые в основном определяются множеством небольших отличий в первичной их ДНК. У зиготы два набора хромосом, которые обычно имеют индивидуальные различия. Каждой хромосоме одного набора, полученной от одной из слившихся клеток (одного родителя), соответствует хромосома второго набора, полученная от другой слившейся клетки (другого родителя), причем последовательность ДНК этих двух хромосом отличается в деталях, но, как правило, несет те же самые гены, т. е. районы, в которых закодирована последовательность тех же самых белков или РНК и те же регуляторные области. Кроме того, в большинстве случаев эти районы расположены на ДНК в том же самом порядке. Первичная структура белков и РНК, кодируемая соответствующими друг другу участками хромосом, полученных от двух родителей, может несколько отличаться в деталях, но план строения и функциональные особенности молекул, как правило, сохраняются. Из всех этих правил бывают исключения (и порядок генов может быть изменен, и функции их продуктов не сохраняться), но они редки. Немного очень важной терминологии. 1. Две почти одинаковые хромосомы, несущие, однако, некоторые индивидуальные различия, полученные зиготой от разных родителей, называются гомологичными хромосомами, или гомологами. Хромосомы разного типа, которые несут разные гены, называются негомологичными. 2. Индивидуальные варианты любого гена (осмысленной последовательности ДНК, несущей информацию о белке, РНК или являющейся регуляторной), которые могут быть (а могут и не быть) различными у двух гомологов, называются аллелями (мужского рода). То место на хромосоме, где расположен тот или иной аллель, называется локусом. По сути, и локус, и аллель – это гены, а различиt между этими понятиями точно то же самое, что между переменной и ее значением. Локус – это определенный тип гена. К примеру, последовательность ДНК, находящаяся в определенном месте хромосомы и кодирующая определенный белок, который синтезируется в определенное время в определенной клетке в определенном количестве, имеет определенную структуру и выполняет определенную функцию. Все эти свойства допускают некоторую степень изменчивости – такую, впрочем, что этот белок определенно остается тем же самым белком. Аллель же – это конкретный индивидуальный вариант гена, а кодируемый им индивидуальный вариант белка или РНК называется аллельным вариантом. Каждая хромосома может рассматриваться как строго определенная цепочка различных локусов, каждый из которых представлен тем или иным аллелем – индивидуальным вариантом каждого гена. (Между локусами у эукариот существуют промежутки – участки ДНК, которые не кодируют ничего, биологической информации не несут и могут быть очень изменчивыми.) 3. Аллели превращаются один в другой посредством изменений их последовательности нуклеотидов, которые могут иметь разную причину. Каждое такое одноактное изменение называется мутацией. Однако иногда слово «мутация» применяют и для получившегося в результате аллеля, особенно если очевидно, что исходный аллель – «нормальный», а получившийся – «аномальный». Это не совсем последовательно, но такова обычная практика. Между делом мы ввели основной понятийный аппарат генетики и могли бы прямо сейчас перейти к основам генетики. Мы пока не будем этого делать, так как нам еще нужно знакомиться со многими удивительными вещами на уровне цитологии – науки о клетке. 4. Клетка, в ядре которой имеется два набора гомологичных хромосом, полученных в результате слияния родительских клеток (т. е. имеющая пару гомологичных хромосом для каждого типа хромосом), называется диплоидной. Диплоидна любая зигота, а также все клетки, образовавшиеся за счет деления зиготы и ее потомков путем митоза. (Вы помните, что при митозе количество и состав хромосом строго поддерживается, так что все митотические потомки зиготы будут нести тот же самый диплоидный набор хромосом.) Было бы логично предположить, что те клетки, которые, слившись, образовали зиготу, имеют только по одному экземпляру негомологичных хромосом, т. е. были гаплоидны и несли только по одному гаплоидному набору хромосом. Однако, если слияние клеток и ядер происходит регулярно в ходе неважно чьей и неважно какой жизни и каждый раз количество хромосом удваивается, то либо мы получим бесконечно раздувающиеся ядра, либо должен существовать механизм, способный снова разделять два гомологичных набора хромосом диплоидного ядра. Такой механизм есть. Он называется мейозом. Позже мы рассмотрим, как он происходит, но сейчас важно отметить, что мейоз – это процесс, который умеет разделять каждую пару гомологичных хромосом диплоидной клетки и помещать каждый гаплоидный набор хромосом по разным гаплоидным клеткам. Тем самым открывается возможность для нового слияния гаплоидных клеток с образованием диплоидной зиготы. Преднамеренно не конкретизируем, о каких клетках идет речь. Сейчас нам важно усвоить абстрактный принцип и не ассоциировать его ни с каким конкретным примером. Принцип состоит в том, что у эукариот любая форма жизни существует посредством чередования двух фаз – гаплоидной и диплоидной. Принято говорить о гаплоидном и диплоидном поколениях. Нас сейчас это может немного сбить с толку, так как мы с вами находимся на уровне клеток. Каждая фаза может быть представлена множеством поколений клеток, размножающихся путем митотического деления, при котором диплоидное или гаплоидное состояние строго воспроизводится, то есть без смены фазы. Терминология, связанная с поколениями, возникла при рассмотрении многоклеточных организмов. Однако каждая фаза может быть представлена и единственной клеткой, которая не делится путем митоза. Смена гаплоидной фазы на диплоидную происходит при слиянии двух гаплоидных клеток (оплодотворении). Смена диплоидной на гаплоидную происходит в результате мейоза. В этой смене (и ни в чем более) гаплоидного и диплоидного поколений и состоит суть полового процесса. И, заметьте, в отличие даже от бактерий, у нас пока еще нигде не возникали два разных пола. Кто знает, где у человека диплоидное и гаплоидное поколение? Человек ведь эукариота! Человек весь диплоиден, за исключением его половых клеток – яйцеклеток и сперматозоидов. Прежде чем мы рассмотрим, как происходит мейоз, зададимся вопросом: что хорошего нам дает половой процесс, т. е. чередование гаплоидной и диплоидной фаз? Если кто вспомнит про удовольствие, то пусть имеет в виду, что удовольствие – это всегда только приманка, которую эволюция выработала, чтобы заставить нас делать что-то полезное, причем полезное именно для нее же, эволюции. Сказка начинается так: в Эдемском саду в некоей хромосоме некоего индивидуума случился хороший ген, очень полезный в данных условиях. Неважно, откуда он взялся, наверное, образовался в результате благоприятной мутации. Или его экспериментатор подсадил. Или вообще бог, а он, говорят, был большой экспериментатор. И неважно, что это за индивидуум – одноклеточный или многоклеточный. Пусть этот ген дает своему носителю большие уши. А в другой хромосоме некоего другого индивидуума случился другой хороший ген, тоже полезный – в тех же условиях среды Эдемского сада. Пусть он дает этому индивидууму более длинные зубы. (Неплохими персонажами мы населили Эдемский сад, не правда ли?) А как вы помните, в Эдемском саду индивидуумы не знали греха. И следовательно, полового процесса совсем не знали. Немного отойдем от библейской ситуации к более жизненной. Пусть эти индивидуумы умеют размножаться бесполым образом, т. е. точно себя копировать (это еще называется клонировать). И что будет в результате? В результате все менее удачные варианты будут вытеснены (в частности, Красная Шапочка будет выедена под корень), а сад наполнится двумя клонами – ушастым и зубастым, которые и будут конкурировать друг с другом, пока небольшие преимущество одного не приведут к тому, что он вытеснит другой. Скорее всего зубастые съедят всех ушастых (что сделать им будет нелегко, так как те их издалека слышат) и будут дальше радостно есть уже друг друга. (Или один из них вымрет совершенно случайно.) Догадываетесь, куда идет мысль? Возьмем на себя роль дьявола и научим наших друзей половому процессу. Чего проще – не мучиться и собрать в одном гибридном монстре большие уши и длинные зубы! Тогда таковые еще быстрее съедят всех остальных и станут не менее радостно есть друг друга. Выглядит безнадежно, но в эволюции все так и есть. Главное – вытеснить других побыстрее, до того как вытеснили тебя самого. Вот для этого и изобретен половой процесс. Половой процесс – это способ перетасовывать, перекомбинировать гены, имеющиеся у разных индивидуумов одного вида. (Но не разных видов: что такое вид и почему нельзя избежать разделения на виды, мы обсудим потом.) В ходе мейоза имевшиеся в диплоидном ядре полученные от разных родителей гомологичные хромосомы каждой пары случайно распределяются между гаплоидными ядрами. Подчеркнем – случайно, т. е. материнские и отцовские как попало и вперемешку. Другими словами, мейоз гарантирует, что в каждую дочернюю клетку попадет по одной хромосоме из каждой пары гомологичных хромосом. А какая именно – это его не заботит. (И заведен он был именно затем, чтобы не заботило!) В результате за счет одного лишь случайного распределения гаплоидных хромосом диплоидная клетка может образовать 2 n различных гамет, где n – число хромосом гаплоидного набора. Вы знаете, что у человека 46 хромосом и что он диплоиден, следовательно, у человека n = 23. Поэтому в мейозе одного человека возможно появление 8 388 608 разных гамет! А сливаясь друг с другом, гаметы двух родителей могут породить 22n разных зигот. Это означает, что у одной родительской пары возможно около 70 триллионов детей за счет одного только случайного расхождения гомологичных хромосом в мейозе. Мы увидим далее, что в ходе мейоза даже гомологичные хромосомы умеют обмениваться своими участками и генами, что делает разнообразие, порождаемое мейозом, практически бесконечным. Если в зиготе объединяются клетки, в хромосомах которых закодированы разные полезные признаки, то вырастающая из нее особь плучает оба этих признака. Таким образом возникают удачные сочетания разных признаков, которые и наследуют Землю... Не заметили подвоха? Если половой процесс – это перетасовка сочетаний разных генов, то удачное сочетание генов можно точно так же и потерять, причем раньше, чем оно унаследует Землю. Буквально уже в следующем поколении. Конечно, тот факт, что индивидуум будет пользоваться своими преимуществами только на протяжении его индивидуальной жизни, повысит шансы именно этих генов со временем вытеснить все остальные, так что в ядра зигот будут попадать одни и те же удачные сочетания генов оттого только, что не осталось других. На самом деле ситуация такова: в стабильных условиях эволюционно выгодно строго копировать сочетания генов. Предполагается, что рано или поздно в результате естественного отбора останутся только удачные сочетания. В нестабильных условиях выгоднее как можно быстрее изменяться. Придется расплачиваться неудачными вариантами, но немногие удачные, подхваченные естественным отбором, все окупят по эволюционному счету. В общем, для этого и устроено чередование поколений: более или менее длительные периоды строгого самокопирования путем митоза в пределах поколения чередуются с периодом возникновений непредсказуемых сочетаний в ходе оплодотворения и мейоза. Сделаем оговорку. Упоминая естественный отбор, мы полностью уверены, что эта в общем-то бытовая метафора совершенно прозрачна и понятна. Если у кого-то она вызывает идеологическую аллергию, то сообщаем, что, хотя ее придумал Дарвин, этот механизм эволюции никак не связан с дарвинизмом как системой взглядов и был очевиден даже одному очень раннему древнегреческому мыслителю (Эмпедоклу). Если в силу особенностей своей организации кто-то не выжил, а кто-то выжил, то тот факт, что следующее поколение будет представлено потомками второго, а не первого, – это автоматическое правило, к которому приводит элементарный здравый смысл в любой его форме. То, что такие свойства часто наследуются, – факт, не вызывающий возражений. С тем, что такие явления имеют место, согласны абсолютно все, даже антидарвинисты. Суть дарвинизма состоит в утверждении, что не существует других механизмов эволюции, кроме этого. Разные системы взглядов отличаются по своему отношению к источнику и характеру изменчивости. Дарвинизм утверждает, что исходная изменчивость случайна, в частности синтетическая теория эволюции – что ее природа в ошибках копирования ДНК. Несмотря на постоянное желание публики выдать желаемое за действительное и объявить дарвинизм опровергнутым, поле битвы в науке остается до сих пор за ним. Все мы опять-таки обсудим в дальнейшем. Пока же следует адекватно относиться к упоминаниям естественного отбора как автоматического процесса, который в любом случае заведомо имеет место. Есть еще один аспект диплоидной и гаплоидной фаз. Многие мутации представляют собой «поломки» генов, т. е. происходит такое изменение последовательности нуклеотидов, что с гена сходит дефектный продукт (чаще всего это белок), который не может выполнять свою функцию или продукт вообще не образуется. Однако в диплоидном ядре есть по две копии всякого гена (два аллелля), находящиеся в гомологичных хромосомах. Если одна копия дефектна, а вторая нет, то, как правило, это никак не сказывается на клетке – чаще всего продукта и одного гена оказывается вполне достаточно для выполнения необходимых функций. Если бы ядро было гаплоидным, т. е. большая часть генов существовала в единственной копии, то в случае значительной чати генов их поломка приводила бы к гибели клетки (мутация, приводящая к гибели, называется летальной мутацией, или леталью). Таким образом, диплоидное ядро обладает определенной избыточностью и помехоустойчивостью. Казалось бы, это хорошо, но на самом деле это палка о двух концах. Под прикрытием работающей копии (аллеля) гена в диплоидных ядрах дефектная копия (аллель) выживает и воспроизводится. И таких дефектных копий может накопиться среди разных генов весьма много. При перетасовке аллелей в ходе полового процесса два дефектных аллеля могут встретиться и такая клетка погибнет, даже будучи диплоидной. Получается, что помехоустойчивость диплоидных клеток оборачивается накоплением скрытых вредных мутаций. Чередование диплоидной и гаплоидной фаз помогает и здесь. Диплоидная фаза выживает, даже если один из аллелей дефектен. В гаплоидной фазе должно бы происходить очищение от скрытых леталей, так как каждый аллель остается наедине сам с собой. Однако у многоклеточных в гаплоидной фазе работают далеко не все гены, поэтому летали действительно накапливаются до определенного уровня в генах, призванных работать только в диплоидной фазе. Люди – диплоидные организмы, и каждый из нас несет в себе десятки леталей – дефектных аллелей генов, которые привели бы к гибели, случись они в обеих гомологичных хромосомах. Именно поэтому нежелательно, чтобы дети рождались от браков близких родственников, поскольку при этом высока вероятность получить от отца и матери идентичный аллель, который случайно может оказаться дефектным (но это не исключает, что такие дети, также случайно, получат хорошие аллели и будут здоровыми). Какую же из фаз предпочесть? Мы можем судить по результату. Большинство одноклеточных организмов большую часть своей жизни проводят в гаплоидной фазе. По-видимому, им проще всего сразу же избавляться от леталей, ведь при этом погибает всего одна клетка. Все многоклеточные животные, высшие грибы и наиболее высокоорганизованные растения большую часть жизни проводят в диплоидной фазе, а гаплоидная возникает на короткое время в момент размножения. И это можно понять. Многоклеточный организм строится из тысяч, миллионов или миллиардов клеток, все из них получаются путем размножения одной-единственной. Если в каком-то клеточном клоне произойдет мутация, то это может лишить организм важной конструктивной части и из-за летали в одной клетке погибнут многие. Поэтому им важнее надежность и помехоустойчивость. Летали же частично отфильтровываются в кратковременной гаплоидной фазе. Летальные мутации по тем генам, которые работают только в диплоидной фазе (а таких очень много), в гаплоидной фазе не отфильтровываются и в какой-то мере накапливаются. Встретившись вместе в двух гомологичных хромосомах, они приводят к появлению нежизнеспособных потомков. Такие летали представляют собой так называемый генетический груз. Мы с вами уяснили основную суть полового процесса – чередование диплоидной и гаплоидной фазы в ряду клеточных поколений – и его основной смысл – создание новых сочетаний генов и помехоустойчивой диплоидной фазы. Теперь нам нужно ближе познакомиться с наиболее важным для полового процесса цитологическим механизмом – мейозом, а потом уже будем рассматривать, какие формы (зачастую с нашей точки зрения уродливые) половой процесс может принимать у разных эукариотических организмов. Итак, мейоз. Видный отечественный цитогенетик Александра Алексеевна Прокофьева-Бельговская любила задавать вопрос: чем отличается мейоз от митоза – и утверждала, что никто никогда ей не ответил правильно. По-видимому, под «правильным» она понимала что-то сугубо свое. Нам нужно уяснить, что, несмотря на фонетическое сходство названий, это не совсем сопоставимые понятия. Митоз – это механизм деления эукариотической клетки, при котором достигается точное расхождение двух хроматид каждой хромосомы в два ядра дочерних клеток. Мейоз – более сложный процесс, включающий два клеточных деления, главная суть которого – точное расхождение в разные клетки гомологичных хромосом. Мы, диплоидные многоклеточные организмы, привыкли связывать мейоз с разможением, потому что у нас в результате мейоза образуются половые клетки, «которыми мы размножаемся». В случае одноклеточных организмов такой связи нет – они разможаются митозом, а функция мейоза именно как специального механизма смены диплоидной фазы на гаплоидную становится очевидной. На самом деле и мы тоже размножаемся митозом. В ходе мейоза из одной диплоидной клетки получается всего лишь либо четыре гаплоидных клетки, либо всего одна, а тот факт, что диплоидный организм может иметь множество потомков, достигается митотическим размножением клеток зародышевого пути – то есть предшественников тех клеток, которые впоследствии вступят в мейоз и образуют половые клетки. Главное событие мейоза состоит в спаривании гомологов. Мы помним, что в профазе митоза хромосомы конденсировались и оказывались двумя идентичными хроматидами, образовавшимися в ходе репликации ДНК и соединенными между собой. При этом митоз ничем не отличается у диплоидных и гаплоидных клеток, и если делится диплоидная клетка, то гомологичные хромосомы ведут себя совершенно независимо. В первом делении мейоза тоже есть профаза и в ней хромосомы тоже конденсируются. Однако важнейшим событием профазы мейоза является то, что гомологичные хромосомы (а в мейоз вступают только диплоидные клетки) находят друг друга и соединяются друг с другом. Такое предварительное объединение гомологов необходимо именно для того, чтобы затем точно их разделить. Мейоз логично было бы организовать как клеточное деление, аналогичное митозу, но вместо двух хроматид одной хромосомы в нем расходились бы два гомолога. Для этого его нужно было бы начать после фазы клеточного цикла G1, т. е. до репликации ДНК и тем самым до образования двух хроматид каждой хромосомы. Однако природа распорядилась иначе, поскольку для разведения гомологов она частично воспользовалась механизмами митоза, которые умеют работать только с двумя хроматидами, после S-фазы. Поэтому мейоз начинается после S-фазы. В нем действительно сначала происходит клеточное деление с расхождением гомологов. При этом сестринские хроматиды (так называются хроматиды одной хромосомы, в отличие от несестренских хроматид, принадлежащих разным гомологам), образовавшиеся в S-фазе, остаются соединенными друг с другом в области центромеры и, в отличие от митоза, расходятся вместе, к одному и тому же полюсу. Чтобы разделить сестринские хроматиды, за первым делением мейоза следует второе, полностью аналогичное митозу, оно разделяет хроматиды к разным полюсам. Отличие состоит только в том, что у него практически нет интерфазы – деконденсация хромосом почти не имеет места. Профаза мейоза сложна и подразделяется на многие стадии с характерными греческими названиями. Первая из них – лептотена (по-гречески – «тонкая нить»), она знаменуется конденсацией хромосом в видимые нити. При этом каждая хромосома организуется следующим образом: ее основу образует белковая нить, называемая осевым элементом, от которой в стороны отходят бесчисленные петли хроматина. Кажется, в швейном деле это называется «сборка». Далее наступает зиготена. Прикрепленные к ядерной мебране концы хромосом (теломеры) собираются в одном ее районе – этот момент называется «стадия букета» - и начинают блуждать по этой мембране до тех пор, пока каждый из них не встретится с соответствующим концом гомологичной ей хромосомы (а два конца каждой хромосомы не одинаковы) и не соединится с ним. У некоторых организмов это облегчается тем, что и в интерфазе гомологичные хромосомы располагаются неподалеку друг от друга, даже когда их не видно. По крайней мере, так обстоит дело у двукрылых. (У мух в клетках слюнных желез формируются так называемые политенные хромосомы, состоящие из многократно реплицированных, но не разошедшихся цепей ДНК, лежащих вместе параллельно друг другу и видимых в микроскоп со слабым увеличением. Хотя эти клетки развиваются из обычных диплоидных, в них наблюдается гаплоидное число политенных хромосом. Каждая такая толстая хромосома на самом деле состоит из двух гомологов, расположенных параллельно и представленных сотнями хроматид. Это, впрочем, экзотический случай.) С момента объединения концов гомологичных хромосом происходит следующее важное событие, которое имеет место в зиготене, – начинается спаривание гомологов. Это означает, что гомологичные хромосомы прилипают друг к другу вдоль всей своей длины. Как правило, оно начинается именно с концов хромосом (но в некоторых случаях – с определенных мест в середине). Самое удивительное здесь то, что гомологичные хромосомы лежат вдоль друг друга в полном соответствии с идентичной или очень похожей (опять-таки гомологичной) последовательностью нуклеотидов в нитях ДНК, вокруг которых они организованы, как если бы кто-то проматывал одновременно две нити ДНК и проверял их на соответствие . При этом мы знаем, что сама ДНК на много порядков длинее хромосомы, поэтому в хромосомах она сложным образом упакована и не может быть полностью распакована для осуществления подобной процедуры. Как же осуществляется гомологическое выравнивание? Ответ оказался неожиданным. Чтобы организовать выравнивание, эукариоты воспользовались существующим у всех известных живых существ механизмом залечивания двунитевых разрывов ДНК. Понятно, что если случился разрыв в одной цепи ДНК, его легко залечить, воспользовавшись комплементарной цепью в качестве матрицы. Но как быть, если разорваны обе цепи ДНК (такое случается, допустим, под действием радиации, а также химических агентов)? Надо бы их снова сшить, но как вырбать правильный из наличествующих концов молекул ДНК? Единственный способ - найти целую молекулу ДНК с такой же или почти такой же последовательностью нуклеотидов, как и наша молекула до разрыва, то есть гомологичную ей – она и подскажет, какие два свободных конца требуется сшить и как именно. Механизм такого залечивания слишком сложен, чтобы рассматривать его здесь подробно, наметим лишь вкратце главные этапы. Одна из цепей ДНК двунитевого разрыва разрушается на некоторую длину, а оставшийся одноцепочечный конец ДНК начинает блуждать, пока не найдет комплементарную себе цепь ДНК в составе двуцепочечой ДНК. Найдя ее, он расплетает эту дуцепочечную и сам образует двойную спираль с комплементарной себе цепью. Вытесненная им из двойной спирали цепь образует петлю и находит комплементарную себе цепь в обоих концах той молекуле ДНК, которая была изначально разорвана – в результате разорванные концы оказываются сближенными. На некоторое время оба разорванных конца молекулы ДНК с одной стороны и найденная гомологичная ей двуцепочечная молекула ДНК с другой стороны оказываются связанными крест-накрест одинарными цепями. Это временное состояние объединения оказывается удобным, чтобы сшить разорванные концы двуцепочечной молекулы ДНК. Затем цепи ДНК, объединяющие эту временную структуру , разрезаются и сшиваются так, что обе двуцепочечные молекулы ДНК вновь оказываются свободными, обменявшись, впрочем, короткими участками своих цепей. Естественно, все эти действия молекулы ДНК проделывают не сами по себе, а под действием специально имеющихся на такой случай белков. Вернемся в зиготену мейоза, в которой было необходимо организовать опознание гомологичными хромосомами участков своей гомологии. И организуется это совершенно по варварски – на этой стадии цепь ДНК каждой хромосомы случайным образом рвется на множество кусков! Будучи разорванной, ДНК требует починки, для чего и запускается весь вышеописанный механизм, требующий поиска гомологичной молекулы ДНК одноцепочечными обрывками и образования с ней временной общей структуры. Находят они именно гомологичную хромосому, тем самым и осуществляя «желаемое» мейоцитом гомологичное выравнивание хромосом. В силу особенностей данного механизма, гомологичные хромосомы оказываются расположенными на небольшом и строго определенном расстоянии друг от друга. С этого момента между гомологами начинает формироваться так называемый синаптонемный комплекс, который их окончательно соединяет. Это онять опять-таки белковая структура, довольно большая. Ее часто сравнивают с веревочной лестницей, скорее, она больше похожа на застежку-молнию. Он состоит из двух белковых тяжей – боковых элементов, которые возникают из осевых элементов хромосом, и центрального элемента – также белкового тяжа, соединяющего боковые элементы двух гомологов посредством белковых же перемычек. Как видно на рис. 10.1, большая часть ДНК (вернее, хроматина), выпетливается за пределы синаптонемального комплекса. Следующая стадия профазы мейоза – пахитена. На этой стадии клетка может задерживаться вплоть до нескольких суток. Она характеризуется полным спариванием гомологов, так что синаптонемальный комплекс располагается вдоль всей их длины. Следующая стадия – диплотена (от греч. «диплос» – двойной, т. е. двойная нить) характеризуется тем, что на этой стадии синаптонемальный комплекс частично разрушается и гомологи несколько отходят друг от друга. В отличие от профазы митоза, в профазе мейоза синтезируются определенные мРНК, т. е. некоторые гены активно работают. Это особенно важно для будущих яйцеклеток, так как они продолжают нарабатывать все необходимое будущему организму, уже вступив в профазу мейоза. Причем в этом состоянии они в некоторых случаях (например у человека) могут находиться годами. В диплотене можно видеть два важных явления. Во-первых, сестринские хроматиды каждого гомолога остаются тесно склеенными друг с другом. Во-вторых, в каждой паре гомологов - биваленте - гомологи в нескольких точках оказываются соединенными друг с другом, так что внешне это выглядит как их перекрещивание (рис. 10.2). (Еще в пахитене в этих точках под электронным микроскопом можно наблюдать крупные белковые структуры диаметром 90 нм - так называемые рекомбинационные узелки.) А это и есть перекрещивание! В профазе мейоза происходит процесс, называемый мейотической рекомбинацей, или кроссинговером, – хроматиды из разных гомологов обмениваются участками. При этом каждая хроматида остается на своем месте в биваленте, но обе цепочки их ДНК оказываются разрезанными и сшитыми крест-накрест. В результате в местах, где кроссинговер произошел, биваленты оказываются связанными сразу двумя перекрещенными цепочками ДНК, идущими от одного бивалента к другому, – такие места называются хиазмами. Отметим четыре обстоятельства: 1. Результат рекомбинации становится виден в диплотене, но сам процесс начинается в момент спаривания гомологов и задействует те самые разрывы ДНК и временное объединение гомологичных молекул ДНК за счет обмена крест-накрест одинарными цепями, которые использовались для гомологичного спаривания. Просто иногда эти цепи разрезаются и сшиваются «неправильно» - таким образом, что обе цепи ДНК оказываются сшитыми крест-накреси, вместо того, чтобы каждая двуцепочечная молекула ДНК получила обратно обе свои цепи. 2. Любая из двух хроматид одного из гомологов может обмениваться с любой из двух хроматид другого гомолога – этот процесс случаен. Но сестринские хроматиды в пределах гомолога обмениваются участками крайне редко – им мешает осевой элемент синаптонемального комплекса. 3. Кроссинговер происходит строго соответствующих друг другу местах двух гомологичных хромосом – в гомологичных районах, последовательность ДНК которых либо идентична, либо различается незначительно. Исключения бывают, но крайне редки и требуют особых обстоятельств. 4. У большинства организмов кроссинговер может произойти в любом месте хромосомы, буквально между любыми двумя нуклеотидами. Здесь исключения случаются гораздо чаще – у многих видов бывают районы, закрытые от кроссинговера, а бывают горячие точки кроссинговера. Но для этой дифференцировки интенсивности кроссинговера по хромосоме требуются дополнительные механизмы, а по умлочанию идея кроссинговера именно такова, что он может пройти повсюду. Течение мейоза показано на рис. 10.3. Завершающая стадия профазы мейоза – диакинез. Хромосомы еще сильнее конденсируются, уплотняются, синаптонемальный комплекс полностью исчезает и гомологи оказываются соединенными одними хиазмами. При этом концы хромосом теряют контакт с ядерной мембраной, да и самой ядерной мембране вскоре приходит конец, как и в конце профазы митоза. Профаза заканчивается, ядерная мембрана фрагментируется, начинается метафаза первого деления мейоза. Она похожа на метафазу митоза, но есть отличия. Первое – кинетохоры двух сестринских хроматид каждого гомолога присоединены к микротрубочкам, отходящим от одного полюса. Как вы помните, в митозе к кинетохорам двух сестринских хроматид подходили микротрубочки от противоположных полюсов. В метафазе митоза хромосомы собирались в экваториальной плоскости клетки за счет натяжения микротрубочек, которое их же и стабилизировало. Это натяжение обеспечивалось связью центромер двух сестринских хроматид друг с другом. В метафазе первого деления мейоза обе сестринские хроматиды выступают как одно целое по всей длине, а натяжение микротрубочек обеспечивается связью гомологов посредством хиазм. В этом состоит достаточно неожиданная механическая функция кроссинговера. Сложно сказать, какая функция важнее – механическая (стабилизация метафазы и тем самым обеспечение правильного расхождения гомологов в первом делении мейоза) или генетическая (перекомбинация генов) – и какая возникла раньше. У большинства известных организмов они удачно дополняют друг друга. Но скорее всего механическая функция важнее и первичнее, так как эффективная перетасовка генов, как мы увидели выше, достигается уже за счет одного только расхождения гомологов. Но так или иначе кроссинговер делает число вариантов сочетаний генов в клетках, получающихся в результате мейоза, практически бесконечным. В анафазе первого делении мейоза расходятся не хроматиды, а гомологи (две хроматиды расходятся вместе). Как вы помните, в метафазе митоза хроматиды разделены по всей длине, за исключением центромер, а анафаза начиналась с внезапного разделения центромер. Разделение сестринских хроматид и их центромер имеет место и в мейозе. Однако здесь разделение сестринских хроматид по всей длине за исключением центромер происходит не в профазе, а в анафазе первого деления – именно оно делает анафазу возможным и тем самым запускет ее. В этом делении хроматиды не расходятся друг от друга, поскольку остаются соединенными центромерами. Расходятся гомологи. Чем же может помочь их расхождению рассоединение сестринских хроматид? Дело в том, что высвобождение хроматид помогает разрешению хиазм. Когда хроматиды свободны, хиазмы можно вытянуть, как перепутавшиеся нитки. А до этого слипание хроматид, вовлеченных и не вовлеченных в кроссинговер, не дает это сделать. Так что, как только хроматиды освободились друг от друга, микротрубочки растаскивают гомологи к разным полюсам. При этом места перекреста нитей ДНК соскальзывают к концам хромосомы, пока не освободят их совсем. Первое деление мейоза завершается тем, что образуются две клетки, в которых каждое ядро несет только по одному гомологу (по одной хромосоме гаплоидного набора), состоящему, однако, из двух хроматид. Ядерная мембрана тоже восстанавливается. Только непонятно зачем, так как почти сразу же следует второе деление мейоза. Интерфазы перед ним практически нет, хотя хромосомы немного деконденсируются. Второе деление мейоза проходит как типичный митоз, при этом, как и в нормальном митозе, к разным полюсам расходятся хроматиды. Таким образом, мейоз включает в себя два деления, из которых второе – практически тот же митоз, а первое – специфическое, и лишь отдаленно напоминает митоз. Однако если ориентироваться по таким ключевым моментам, как отделение друг от друга сестринских хроматид и разделение их центромер, которые в митозе происходят соответственно в профазе и в момент старта анафазы, то получается, что мейоз соответствует одному митозу, у котрого очень усложнена профаза, а между профазой и метафазой вставлен дополнительный митоз, разделяющий гомологи. В результате мейоза получаются четыре гаплоидные клетки, в которой каждая хромосома представлена одной нитью (хроматидой). В дальнейшем они у одних организмов вступают в обычный клеточный цикл и размножаются митозом, у других созревают в гаметы и сливаются в диплоидную зиготу. Механизмы оплодотворения и мейоза универсальны (с некоторыми отличиями) для всех эукариот (полового процесса не удалось пока наблюдать у некоторых одноклеточных и грибов). Однако на следующей лекции мы увидим, как по-разному они встроены в жизненный цикл разных организмов. Лекция 11. ПОЛОВОЙ ПРОЦЕСС 2. ЖИЗНЕННЫЕ ЦИКЛЫ На предыдущей лекции мы уяснили, зачем эукариотам половой процесс, и в деталях рассмотрели два его ключевых момента: оплодотворение и мейоз. Теперь посмотрим, каковы основные схемы реализации полового процесса в жизненных циклах различных организмов. Здесь мы вплотную столкнемся с разнообразием жизни – обстоятельством, осложняющим биологию как науку и интуитивно недооценивающимся учеными-биологами и в гораздо большей степени – обычными людьми. О нем следует иметь правильное представление, но в данном курсе наша задача – выделять именно общие вещи, а не демонстрировать величие многообразия частностей. Тем не менее целесообразно подпустить многообразия, чтобы был ясен масштаб явления, и сделать это именно в рамках рассматриваемой сейчас темы. Рассмотрим два показательных случая достаточно простых жизненных циклов у дрожжей: очень просто устроенных одноклеточных грибов. Вот два рода дрожжей – пекарские и пивные. Первые размножаются почкованием, вторые – делением. Жизненная стратегия у них сходная – сбраживание сахаров. Однако общего между ними не так уж и много – их эволюционные линии разделились от 300 до 600 млн лет назад. Пекарские дрожжи как правило всю жизнь проводит в диплоидной фазе, причем в основном на стадии клеточного цикла G1. Потом проходит мейоз, образуются половые клетки, которые способны не делясь сливаться с восстановлением диплоидной фазы. При этом у дрожжей существует два половых класса, и сливаться способны только гаплоидные клетки разных половых классов. А пивные дрожжи в норме всю жизнь в гаплоидной фазе, причем в основном на стадии жиненного цикла G2 (так что клетка в случае обоих дрожжей содержит две копии генома, гомологичные у первого рода и идентичные у второго). На определенной фазе две клетки сливаются в зиготу, которая, не делясь митозом, претерпевает мейоз. Этот пример иллюстрирует относительность преимуществ и недостатков диплоидной и гаплоидной фаз для почти одноклеточных форм. Закономерности есть, но прослеживаются скорее статистически; лишь высокоорганизованные многоклеточные всегда неизменно диплоидны. Рассмотрим еще один с виду простой вариант полового процесса у простейшего. Есть такая хрестоматийная одноклеточная зеленая водоросль с ужасным названием – хламидомонада: два одинаковых жгутика, клеточная стенка, построенная из гликопротеидов, один большой хлоропласт, гаплоидное ядро, размножение путем деления митозом. (У этого митоза есть особенности: сохранение ядерной оболочки на всем протяжении клеточного цикла, использование базальных телец жгутиков в качестве центриолей, а также то, что митозы идут по два, так что внутри клеточной стенки материнской клетки образуются четыре дочерние хламидомонады.) Иногда две хламидомонады сливаются в одну с образованием зиготы. Та теряет жгутики, округляется и превращается в покоящуюся цисту. После определенного периода покоя циста делится мейозом с образованием четырех более мелких гаплоидных хламидомонад обычного строения. Итак, вся жизнь в гаплоидной фазе, диплоидная сведена к минимуму – зиготе, которая не претерпевает митозов и тут же сменяется гаплоидной: оплодотворение и мейоз следуют сразу друг за другом, половой процесс сопряжен с размножением – из двух слившихся клеток получантся четыре новые. Казалось бы, можно предположить, что это и есть исходный тип полового процесса. Однако даже если это и так, у нынешних простейших в чистом виде такой тип встречается редко, а хламидомонада скорее всего вернулась к этому варианту вторично. Во-первых, сливаются не две какие попало хламидомонады. Перед слиянием клетки готовятся к этому событию, претерпевая определенные видоизменения, хотя в данном случае мало влияющие на внешний вид клетки. Таким образом, сливаются не вегетативные клетки (которые живут обычной жизнью и размножаются митозом), а уже гаметы. Вовторых, сливаются не любые две гаметы, а опять-таки гаметы разных половых классов. В рассматриваемом нами случае этот пол никак не проявляется внешне – можно считать, что есть хламидомонады со знаком «+», есть со знаком «–», сказать, какой из них «мужской», а какой «женский», невозможно, и сливается только «+» и «–». В результате мейоза образуются по две клетки со знаком «+» и «–» Такая ситуация называется изогамией (в переводе – «равногаметие»). У других видов хламидомонад гаметы разного знака резко различаются величиной. Тогда половой класс, образующий крупные гаметы, можно назвать женским, а половой класс, образующий мелкие гаметы – мужским. Такая ситуация называется анизогамией (т. е. «разногаметие»). И наконец, в том же роде хламидомонады есть случаи, когда женские (крупные) гаметы теряют жгутик и соответственно подвижность и округляются. Иначе говоря, в данном случае гаметы разных полов этих одноклеточных растений ведут себя как всем известные яйцеклетка и сперматозоид. Ситуация называется оогамия (от слова ovo – яйцо). И снова мы видим, во-первых, относительность преимуществ тех или иных типов гамет – почти неразличимые по внешнему виду и образу жизни хламидомонады демонстрируют все три типа (рис. 11.2) – и, во-вторых, легкость перехода от одного типа к другому. Как вы, возможно, знаете, в сборном типе простейших объединены все одноклеточные эукариотические организмы, которые демонстрируют огромное разнообразие клеточной организации, во много раз превосходящее таковое многоклеточных. «Простейшие» – название неудачное, так как с точки зрения устройства индивидуальных клеток их можно было бы назвать сложнейшими. Большая часть из них гетеротрофна (т. е. питаются готовой органикой, причем чаще захватывая твердые частицы – обычно это бактерии – путем фагоцитоза) и считается животными, часть – фотоавтотрофы, способны фотосинтезировать, традиционно они рассматриваются среди растений. У простейших встречаются весьма забавные, в том числе и достаточно сложные варианты полового процесса. Вот пример оогамии у другой одноклеточной водоросли – диатомовой (рис. 11.3). Это неподвижный одноклеточный организм без жгутиков, который живет в панцире из кремнезема. Панцирь состоит из двух частей, причем одна вставлена в другую как крышка кастрюли. Вегетативные особи (т. е. «обычные», размножающиеся митотическим делением) диплоидны. При их делении створки расходятся и каждая клетка строит вторую створку. Причем всегда – внутреннюю. В результате размер клеток все время уменьшается. Когда объем панциря сокращается примерно на 30 %, клетка переходит к половому размножению и претерпевает мейоз. Если это женская клетка, то из четырех образующихся ядер сохраняется одно и клетка фактически превращается в яйцеклетку. Если мужская – образуются четыре мелких спермия со жгутиками. Спермий находит яйцеклетку, проникает в ее панцирь и оплодотворяет. Образовавшаяся зигота превращается в ауксоспору – клетку, одетую более тонким панцирем, которая усиленно растет и увеличивается в объеме. Затем ауксоспора делится митозом, порождая новые крупные вегетативные клетки, которые продолжают размножаться митозом и уменьшаться в размерах. Некоторые жгутиконосцы диплоидны, причем при оплодотворении сливаются две диплоидные клетки с образованием одной клетки с двумя диплоидными ядрами. Лишь после этого оба ядра претерпевают мейоз, причем каждая дает четыре гаплоидных ядра, из которых три деградируют, а четвертое сливается с гаплоидным ядром от второй клетки, с восстановлением диплоидного состояния. Заметим, что при этом варианте полового процесса получается не размножение, а, наоборот, из двух клеток получается одна аналогичного строения. Есть двуядерные амебы, имеющие по два гаплоидных ядра. Две такие амебы сливаются вместе и окружаются плотной оболочкой, опять-таки образуя цисту. Лишь после этого два ядра от каждой родительской амебы сливаются попарно, так что образуется два диплоидных ядра. Каждое из них претерпевает мейоз с образованием четырех гаплоидных ядер, из которых три опять-таки деградируют. Остается по одному гаплоидному ядру от разных родителей. Циста раскрывается и из нее выходит новая двуядерная амеба с ядрами, полученными от двух родителей. И снова мы имеем одну клетку из двух. Образование зиготой цисты – явление довольно обычное у простейших. Оно связано с тем, что подготовка к мейозу и его профаза требует периода покоя. Поэтому зачастую мейоз проходит на стадии цисты, которая служит для расселения во вневодной среде или пережидания неблагоприятных условий. Наиболее сложный вариант полового процесса среди простейших встречается у инфузорий. У них он не связан не только с размножением, но даже и со слиянием клеток. Число клеток и сами клетки вообще никак не изменяются, они только обмениваются ядрами. У инфузории-туфельки есть два ядра – микронуклеус и макронуклеус. Микронуклеус диплоиден, макронуклеус содержит генетический материал, многократно реплицированный (причем далеко не весь) и расщепленный на короткие фрагменты – именно они в клетке «работают», т. е. транскрибируются. При делении клетки микронуклеус делится митозом, а макронуклеус – амитозом, т. е. просто перешнуровывается пополам. Иногда две туфельки складываются брюшной стороной вместе и длительное время находятся в таком состоянии – конъюгируют друг с другом. При этом с ядрами происходят странные вещи. Макронуклеус деградирует. Микронуклеус сначала делится митозом на два, потом каждые два новых претерпевают мейоз – получается восемь гаплоидных ядер. Из них семь деградируют, а восьмое делится на два. Одно из них остается в клетке, а второе – мигрирует в противоположную клетку. Потом два гаплоидных ядра (одно свое, одно чужое) сливаются и образуют диплоидное ядро – по сути зиготу. Оно делится митозом, одно дочернее ядро становится микронуклеусом, а второе фрагментирует хромосомы, причем значительная часть ДНК теряется, а оставшаяся - многократно реплицируется. Это ядро и становится становится новым макронуклеусом. Мы видим оригинальный случай. Во-первых, здесь независимо от многоклеточных животных произошло разделение на зародышевый и соматический пути – микронуклеус только хранит, обменивает и копирует генетическую информацию, вторичный по отношению к нему макронуклеус «работает», но не участвует в дальнейшем переносе генетической информацией; он периодически бесследно исчезает и создается заново. Во-вторых, почти вся жизнь этого с позволения сказать «простейшего» проходит в анеуполиплоидной фазе, то есть разные участки генома присутствуют в разном числе копий: гены в макронуклеусе представляют далеко не весь геном, но эта ДНК продублирована неопределенное число раз. Гаплоидная фаза у инфузории сведена к двум поколениям ядер, большинство из которых исчезает сразу после формирования. В-третьих, из двух выживших после мейоза ядер одно активно перемещается, другое покоится. Первое можно было бы назвать мужским, второе – женским. В четверых, мы наблюдаем с виду лишние клеточные деления, после которых ненужные ядра вынуждены погибать. Вряд ли в этом есть какой-то большой биологический смысл, скорее всего это издержки самопроизвольного возникновения всех вообще решений в живых организмах. В большинстве разобранных примеров сливающиеся клетки несущественно отличаются от размножающихся без полового процесса. Однако гораздо чаще клеточное поколение, которым предстоит слиться в зиготы, более или менее отличается от «нормальной» клетки, которая «просто живет». При этом становится очевиден факт преобразования вегетативных клеток в ряду митотических поколений в половые клетки. Особенно это характерно для паразитических простейших, им свойствен сложный жизненный цикл. Клетка, находящаяся в теле хозяина, как правило, приспособлена для паразитизма, а размножение происходит за счет гамет, опять-таки приспособленных для свободного плавания. Но крайняя специализация полового поколения – гамет – свойственна и многим свободноживущим простейшим. Так, некоторые амебы формируют гаметы, имеющие жгутики. Есть такие крупные, около миллиметра в диаметре, морские простейшие форамениферы – фактически это амебы с длинными тонкими псевдоподиями (выростами клетки), одетые известковой раковиной. Кстати, из отложений этих раковин на дно морей формируется мел – в нем под микроскопом можно рассмотреть раковины фораменифер. Размножаются они с помощью гамет, снабженных жгутиками, диаметром 1,5–2 мкм. Каждая гаплоидная фораменифера за счет митоза производит около 70 млн гамет. Неплохо для одной клетки! Их подвижность также внушительна – за секунду гамета проплывает 150 мкм, т. е. расстояние, в 75 раз превышающее длину их тела. Сливаясь, гаметы образуют зиготу, из которой формируется многоядерная диплоидная клетка, многочисленные ядра которой претерпевают мейоз, в результате которого возникают клетки гаплоидного поколения – первоначально также мелкие и подвижные, но со временем превращающиеся в те крупные клетки, с которых мы начали. Но все же большинство современных видов эукариот – многоклеточные организмы. Для совмещения многоклеточной жизни и полового процесса, состоящего из слияния двух клеток плюс деления одной на четыре, им пришлось выработать разные хитрые варианты. Многоклеточные организмы принято разделять на животных, растения и грибы (а когда-то грибы объединялись с растениями) – это так называемые царства. Но это условное деление. К животным относят гетеротрофных многоклеточных, не имеющих клеточной стенки, но чаще имеющих организм с более или менее стандартизованной структурой и сделавших ставку на движение – свое собственное или движение воды через себя, как у фильтраторов – губок, двустворчатых моллюсков, оболочников. Только некоторые паразиты сделали ставку не на движение, а на рост, но и у них, как правило, есть подвижные многоклеточные стадии развития. К растениям относят автотрофные организмы (или гетеротрофные, но сохраняющие черты автотрофных, как, например, паразитические растения), всегда имеющие клеточную стенку. К грибам относят гетеротрофные организмы, имеющие клеточную стенку и не имеющие оформленного организма, которые сделали ставку на рост, а не на движение. На самом деле все гораздо сложнее. В каждой из этих так называемых царств, весьма условных, имеются группы, независимо произошедшие из разных одноклеточных предков. Многоклеточность – очень простая и плодотворная конструктивная идея, поэтому на такое решение наталкивались самые разные эволюционные ветви. Животные, возможно, возникали дважды. Не исключено, что многоклеточность была независимо изобретена губками, причем известны одноклеточные воротничковые жгутиконосцы, идентичные внутреннему слою клеток губок. Возможно, губки – это просто их колонии. Или наоборот, эти жгутиконосцы произошли от губок, вернувшись в одноклеточному существованию. Одако недавно появились данные, что губки – не самая древняя ветвь, отошедшая от общего корня всех многоклеточных животных. Самой древней ветвью оказываются гребневики (полупрозрачные медузоподобные морские животные, перемещающиеся в воде за счет биения небольших подвижных гребешков, расположенных в несколько рядов вдоль тела), а губки более родственны остальным животным. Большинство грибов имеет много характерных общих черт – хитиновую клеточную стенку, ядра, делящиеся эндомитозом. Все это говорит о том, что они тоже имеют общий корень. Однако есть много мелких групп грибов (к примеру, так называемые водные плесени), имеющие другие признаки (например, целлюлозную клеточную стенку) и, по всей видимости, независимое происхождение (к примеру, от каких-то водорослей). Многоклеточные растения возникали несколько раз. Бурые, красные, зеленые водоросли –группы растений, независимо возникшие путем независимого приобретения хлоропластов за счет симбиоза с разными прокариотическими водорослями. Высшие растения произошли от каких-то зеленых водорослей (которые сами по себе весьма неоднородны и демонстрируют даже разные типы митоза). По-видимому, многоклеточность гораздо выгоднее автотрофам, чем гетеротрофам. Объяснение здесь несколько неожиданное: автотрофы весьма зависимы от наличия в окружающей воде углекислого газа и необходимых солей (которые гетеротрофы получают с пищей), поэтому им нужно, чтобы окружающая вода постоянно обновлялась. И если мелкая одиночная клетка переносится вместе с одной и той же водой, то вода вокруг макрообъекта обновляется, обтекая его, даже если он сам активно не движется. В полном соответствии с этой картиной интересующий нас сегодня половой процесс отличается многообразием у растений, оригинальностью у грибов и однотипен у животных. Поэтому начнем с животных. Многоклеточный организм животного диплоиден (исключения – большая редкость). В строго определенных органах размножения и в определенное время строго определенные клетки претерпевают мейоз. При этом образуются гаплоидные гаметы. Гаметы от двух разных особей сливаются при оплодотворении и образуют зиготу. Из зиготы путем простого митотического деления вырастает многоклеточный организм. В отличие от многих простейших, у многоклеточных животных половой процесс всегда совпадает с размножением. Еще раз подчеркнем, что речь идет о размножении многоклеточных животных, а не размножении клеток. Оставим пока случаи вегетативного размножения, такие как почкование гидры, образование многих глистов цепней из одного тела, съеденного вместе с промежуточным хозяином, и даже размножение личинок паразитической осы-наездника (а это весьма продвинутый организм) в теле жертвы. Обычно у животных новая особь вырастает из единственной клетки – зиготы. И вот здесь происходит столкновение двух задач. С одной стороны, для формирования зиготы две гаметы должны встретиться. Даже у таких наших родственников, как рыбы и лягушки (а мы с ними из одного типа хордовых), гаметы встречаются, находясь в свободном состоянии в воде. У нас с вами приняты меры к тому, чтобы доставить сперму как можно ближе по назначению. Но все равно сперматозоид должен проплыть несколько десятков сантиметров по слизи, найти яйцеклетку, с помощью собратьев растворить ее внешнюю оболочку. Иными словами, гаметы должны быть подвижными. С другой стороны, раз с зиготы начинается огромный организм, то желательно обеспечить его как можно большими ресурсами на самом старте. Соответственно гаметы должны содержать много всяческих запасов. А это, как нетрудно понять, мало совместимо с большой подвижностью. Выход здесь один и настолько естественный, что по этому пути совершенно независимо друг от друга пошло абсолютное большинство многоклеточных, как животных, так и растений. Слияние двух одинаковых гамет нужно заменить на слияние двух неодинаковых. Одна из них может быть мелкой и подвижной, а другая – крупной и неподвижной. Первая называется сперматозоидом или спермием, вторая – яйцеклеткой. Сперматозоид – это мужская гамета, яйцеклетка – женская гамета. Обычно сперматозоиды – это маленькие клетки с очень компактным ядром и большим жгутиком, одним или несколькими. Разве что кое-кто утерял даже и жгутики. У некоторых ракообразных сперматозоиды амебоидны. То же самое – у всех нематод (один из классов круглых червей), которых вообще жгутики исчезли как элементы клеточного арсенала. Яйцеклетки тоже более или менее одинаковы – это очень крупная, обычно округлая клетка, где запасено много белков, углеводов и мРНК. Яйцеклетки различаются только по количеству накопленного добра и размеру – так дело доходит как раз до яйца эпиорниса объемом в 6 л (можно себе представить размер яйца у самых больших динозавров). Но яйцеклетка – гамета, т. е. результат мейоза. В ходе мейоза из одной клетки получается четыре. Основной рост яйцеклетки происходит до делений мейоза (как правило в его профазе), и накопленные вещества не делятся поровну между четырьмя клетками. В огромных яйцеклетках, как например у птиц, ядро расположено возле поверхности, и оба деления проходит этой же небольшой области поверхности. Поэтому женский мейоз всегда неравный. Четыре клетки образуются, но только одна из них наследует большую часть цитоплазмы и становится яйцеклеткой или, у растений, макроспорой. Три другие называются «направительными тельцами» и просто погибают. Вы, возможно, заметили, что таким же образом поступают с «лишними» ядрами, образовавшимися в мейозе, и многие простейшие. Как мы помним, этот же путь – оогамии, т. е. неодинаковости двух сливающихся гамет, из которых одна – покоящаяся, выбрали и некоторые представители простейших. Возможно, задача обеспечения подвижности и снабженности ресурсами стояла уже и на этой стадии. Но не исключено также, что хламидомонады – это вторично одноклеточные организмы, произошедшие путем упрощения от многоклеточных зеленых водорослей, и часть из них сохранила оогамию как вариант, сформировавшийся в условиях многоклеточности и более для них подходящий. Вернемся к животным. Итак, яйцеклетку нужно хорошо откармливать, а сперматозоиды следует хорошо распространять, и желательно побольше. Это диктует различия и между женским и мужским организмом. Различные функции двух полов – это всего лишь распространение на весь организм различных функций двух типов половых клеток. У организмов с не очень сложным поведением самки, как правило, крупнее – им нужно формировать яйцеклетки. Сформировав крупные яйцеклетки, для самки логично продолжать заботиться о потомстве и дальше – насиживать яйца, вынашивать плод, кормить детенышей. Но все это, помимо вынашивания плода, иногда делают и самцы вместе с самками или даже одни самцы. Исходное техническое задание на производство мужских или женских гамет диктует свои условия и всему организму, который, если посмотреть под этим углом зрения, ни что иное, как машина для производства гамет. В результате получается половой диморфизм. Мы с вами еще неплохо отделались – у нас он очень невелик. У наших родственников - рыб глубоководных удильщиков – мелкий самец присасывается к телу самки и становится эктопаразитом. У сидячего червя-боннелии из типа эхиурид самец паразитирует в хоботке самки. У паразитирующего в крови позвоночных плоского червя шистозомы во взрослой стадии самец (который шире и короче) «вечно» обнимает самку (которая уже и длиннее). А вот чтобы самка была эктопаразитом у самца, случается только у злобных тибетских божеств. Вот, например, Ямантака – «Сокрушающий владыку смерти» (Яму), гневное проявление бодхисатвы Манчжушри. Его часто изображают в форме яб-юм, со своей шакти – духовной супругой, которая есть персонификация его творческой энергии и постоянно висит у него на груди (шакти Ямантаки зовут Ваджшраветали). Но они ведь и не размножаются! Кроме того что самцы обычно мельче (но далеко не всегда), они, как правило, и ярче. Это происходит в тех многочисленных случаях, когда с половым размножением связаны специальные поведенческие акты (понятно, что у сидячих фильтраторов, которые выбрасывают свои половые клетки в воду, никакого особого поведения с половым размножением не связано). К примеру, самцы меряются силами или красотой, тратя кучу энергии на дорогостоящие украшения (хвосты, рога). Это потому, что самцов как производителей не штучного товара (яйцеклеток), а ширпотреба (сперматозоидов), эволюция не очень ценит и использует для своих экспериментов. Генетическая информация, позволившая выжить самцу с такой нагрузкой, уж точно пригодится женскому организму, чтобы бережливо направить этот ценный ресурс на производство потомства. Кроме того, самцам нужны чувствительные индикаторы их качества, которое не всегда легко оценить «на глаз». Допустим, если один самец вдвое превосходит другого по массе, то по линейным размером он будет превосходить его всего в 1,26 раз (кубический корень из двух), что не так то просто заметить. Но если у самца есть некий признак, к примеру, длина и ветвистость рогов, который заведомо растет пропорционально массе, то массу можно оценивать по этому признаку. В нашем примере самки смогут выбирать самцов по длине и ветвистости рогов. Но тогда у эволюции возникает возможность нечестной игры – сделать так, что у кого-то рога с увеличением массы будут расти еще быстрее, тогда самки будут выбирать рога, «не обеспеченные массой» самца. Мы получаем «гонку вооружений», систему с положительной обратной связью, благоприятствующую увеличению признака «крутости» самца до тех пределов, когда он еще способен выжить. (В некотором смысле этот механизм подобен тому, который привел к нынешнему экономическому кризису – он основан на эскалации демонстрации несуществующего богатства). И мы встречаем в природе много удивительнейших примеров таких преувеличенных половых признаков: хвост павлина, оперение райских птиц, рога оленей. Ситуация, когда самцы крупнее самок (как у нас с вами) возникает по тому же механизму: чтобы конкурировать с другими самцами и выглядеть сильным и красивым, ему приходится быть даже больше самок, использующих свою величину рационально, производя по возможности более увесистое потомство. Кстати, примеров, чтобы самки были яркими, а самцы – скромными, очень мало. Самый яркий пример – мы с вами, но ведь этой ситуации всего несколько сот лет. Вся предшествовавшая история человечества – от дикарей типа индейцев и папуасов до средних веков – вполне соответствовала общему правилу: самцы яркие, самки скромные. Несколько сот лет – всего лишь преходящая мода, и возникла она, судя по всему, тогда, когда самцы человека переключились с индивидуальных ритуальных схваток на турнирах и дуэлях на коллективные и отнюдь не ритуальные схватки во время серьезных войн (при этом плюмажи и эполеты уступили место хаки) либо на виртуальные схватки на экономическом рынке (когда мужчину стали лучше всего украшать деньги и всевозможные автомобили и виллы). Кстати, если гаметы у животных всегда бывают двух полов, то сами организмы – отнюдь не всегда. К примеру, улитки – гермафродиты. Многие рыбы (те же гуппи) могут менять пол в зависимости от того, кого больше в аквариуме. У живущих колониями среди щупалец актиний рыб-попугаев самая крупная особь всегда самка, следующая за ней по размерам – самец, остальные остаются неразвитыми в половом отношении. Если из колонии убрать, к примеру, самку, то самкой становится самец, а самцом – следующая по размеру неполовозрелая особь. Раз уж мы говорим о животных – кто знает, когда у человека происходит мейоз? Мы с вами не касались принципов устройства многоклеточного организма и его эмбрионального развития. Тем не менее, в связи с нашим вопросом поговорим об этом. На 3-й неделе эмбрионального развития человека (т. е. как раз тогда, когда мать только еще убеждается в том, что беременна) в одной из зародышевых оболочек - аллантойсе (у наших пресмыкающихся предков, размножавшихся яйцами, он служил для сбора продуктов выделения эмбриона – и до сих пор служит для этого у современных пресмыкающихся и птиц; у нас же он остался в качестве нефункционального рудимента) обособляются первичные половые клетки, которые быстро размножаются и мигрируют через стенку кишки и первичную почку в так называемые половые валики, где оказываются на 8–10-й неделе. У мужчин они дают начало сперматогенному эпителию семенников, который начинает функционировать при половом созревании. Клетки этого эпителия активно размножаются и их определенная часть постоянно превращается в первичные сперматоциты. Они растут и вступают в мейоз, продукты которого превращаются в сперматозоиды. Весь процесс от вступления в мейоз до образования сперматозоида занимает около 75 дней. У мужчин сперматогенез и соответственно мейоз происходит непрерывно в течение всей их половозрелой жизни (лишь у некоторых мужчин в старости случается так называемый патологический мужской климакс, сопровождающийся острой аденомой простаты). У женского эмбриона первичные половые клетки сначала активно делятся. На 17-22 неделе эмбрионального развития, то есть на пятом месяце беременности матери, деление заканчивается образованием первичных овоцитов (от «ово» – яйцо, «цитос» – клетка), которые вступают в профазу первого деления мейоза. Однако мейоз останавливается на стадии диплотены. К этому моменту они оказываются окруженными слоем плоских клеток, вместе образуя так называемые примордиальные (зачаточные) фолликулы. Как первичный овоцит внутри него, так и окружающие клетки покоятся, и в таком покоящемся состоянии они могут пребывать до 50 лет (все это время первичный овоцит находится на стадии диплотены!). Образуется их от 35 тыс до 2,5 млн, в среднем 300 тыс. К моменту рождения девочки их число сокращается до 25 тыс - 1,5 млн, в среднем 180 тыс, к моменту полового созревания остается около 16 тыс., к 20 годам – 5–7 тыс, к концу репродуктивного периода – около 1 тыс. В момент первой менструации, от десятка до тысячи примордиальных фолликулов вступают в период малого роста, который длится 13 менструальных циклов (около 375 дней) и заканчивается овуляций, и так происходит при каждом следующем цикле. Приэтом генетический материала реактивируется, начинается транскрипция.. В течение примерно пяти дней в конце 12 цикла после инициации данной когорты фолликулов, большая часть их погибает и лишь 5-7 из них вступают в 13й цикл и стадию большого роста, соревнуясь друг с другом, но лишь один (редко больше) доходит до овуляции. Незадолго до овуляции мейоз продвигается дальше, до метафазы второго деления, на каковой он снова останавливается до момента оплодотворения. (Мы отвлекаемся от сложных гормональных взаимодействий, которые обеспечивают все эти процессы). В момент овуляции фолликул разрывается, а яйцеклетка, все еще в окружении питающих клеток, попадает в полость брюшины и сразу же захватывается бахромками фаллопиевой трубы, в которой должно произойти оплодотворение. Второе деление мейоза завершается только в момент проникновения в него сперматозоида. Итак, из нескольких млн первичных овоцитов, образовавшихся на 5-м месяце индивидуального развития, в течение репродуктивного периода женщины только 400–500 превращаются в яйцеклетку, а большая часть погибает еще до рождения. Так что среди овоцитов, как и среди сперматозоидов, тоже идет соревнование за попадание в дело. Тут есть один подвох. Клетки – предшественники сперматозоидов – непрерывно делятся еще до мейоза. При этом в них работает очень много генов, и если что-то в них сломалось очень серьезно, то такая клетка может отбраковаться, несмотря на помехоустойчивость диплоидного ядра. В гаплоидных гаметах любая поломка работающего гена смертельна, такой сперматозоид не дойдет до цели. В этом смысле сперматозоиды всегда свежие. Однако в них могут накапливаться мутации по генам, не работающим во время сперматогенеза (например, по генам, регулирующим развитие многоклеточного организма). Первичный же овоцит, как Илья Муромец, покоится от 12 до 50 лет. И если в нем будут происходить мутации, они там и останутся до самого оплодотворения, если этот овоцит не погибнет. Гибель овоцитов повидимому связана с механизмом «клеточного самоубийства» (апоптоза), который запускается, если в клетке произойдет некоторое критическое количество нарушений ДНК, но этот механизм не отслеживает замены отдельных нуклеотидов – точковые мутации. С этой точки зрения чем дольше овоцит покоится, то есть чем больше возраст матери, тем больше мутаций он успеет накопить. Действительно, было установлено, что частота точковых мутаций у потомства коррелирует с возрастом матери, но не коррелирует с возрастом отца. Не следует забывать и о цитоплазме – в покоящемся овоците она также стареет, а в делящихся сперматоцитах всегда свежая. В результате, вероятность заполучить неполноценное потомство также нарастает с возрастом матери. И действительно, около 1 % детей, рожденных женщинами после 40 лет, имеют синдром Дауна – результат нерасхождения гомологов одной из хромосом в 1-м делении мейоза, повидимому связанного с нарушениями цитоплазмы. С другой стороны, момент репликации ДНК весьма чувствителен к повреждающим факторам, поскольку в этот момент некоторые ее участки представлены одной нитью. Поскольку ДНК делящихся клеток сперматогенного эпителия непрерывно реплицируется, они должны быть более чувствительны к факторам, провоцирующим разрывы ДНК, например радиации. Таким образом, с биологической точки зрения раннее размножение для женщин желательно, для мужчин (если они не подвергают себя илишнему облучению) – довольно безразлично. Мы снова столкнулись с важным явлением – разделением организма на соматический и зародышевый пути. Проследив за судьбой будущих половых клеток, мы видим, что они первоначально находятся в стенке аллантойса, потом в первичной почке, затем в специальных половых органах. Распознать будущие половые клетки до их иммиграции из стенки аллантойса мешка не удается, однако появляются они именно там, значит, такова судьба некоторых тамошних клеток. И никакие другие клетки организма ни на какой стадии не способны породить половые клетки. Иначе говоря, те клеточные индивидуумы, которые дадут начало человеческому индивидууму следующего поколения, никак не участвуют в жизни данного человеческого индивидуума (даже гормоны выделяются клетками стенки пузырька, содержащего овоцит). Все наследственные признаки потомков предопределяются в момент слияния яйцеклетки со сперматозоидом. Индивидуальность, последних, в свою очередь, определяется в момент мейоза. Никакие события, связанные с жизнью организма, не могут влиять на генетическую информацию, доставленную потомкам, она определяется исключительно двумя ключевыми событиями полового процесса – мейозом и оплодотворением. На эту информацию могут воздействовать только мутагенные факторы – то, что способно изменить первичную последовательность ДНК (радиация, ультрафиолетовое излучение, высокая температура, определенные химические вещества). Влияние материнского организма происходит фактически только через питание – яйцеклетки или (при живорождении) детеныша или ребенка. Но самое главное влияние материнский организм оказывает на клетки зародышевого пути посредством собственного выживания до размножения (плюс забота о потомстве, там где она предусмотрена). Те, кто этого сделать не сможет, потомков не оставляет. Именно этим «влиянием» в конечном счете определяется то, что клетки зародышевого пути имеют именно такие, а не какие-нибудь другие гены. Исключительно на этом и основана эволюция. С животными на нашем примере разобрались. Теперь возьмемся за растения. Главное, что нужно отметить в самом начале: у растений нет разделения на соматический и зародышевый пути. Если не в природе, то в эксперименте каждая растительная клетка может породить целый организм и его органы размножения. В принципе, как вы слышали, барьер между этими путями преодолен и у животных – в 1996 г. овцу вырастили из клетки вымени овцы; в дальнейшем такая процедура, названная клонированием, стала почти обычным делом для многих млекопитающих. Это принципиально возможно сделать благодаря тому, что каждая клетка организма содержит все гены, характерные для этого вида и потребные для работы всех типов клеток. Но технически такое перепрограммирование клетки оказалось делом чудовищно сложным и потребовало перенапряжения всей мощи современной биотехнологии. (Логически наличие всей генетической информации в каждой клетке не необходимо. Но копировать всю ДНК оказалось дешевле, чем делать это избирательно, по-разному при разных клеточных делении. Тем не менее, у червей аскарид и ракообразных циклопов известно, что полный комплект ДНК имеется только в клетках зародышевого пути, при формировании же соматических клеток большое количество ДНК утрачивается. Вот их не удалось бы клонировать. Но это очень редкое исключение). Среди многоклеточных растений мы сталкиваемся уже с привычной ситуацией – менее высоко организованные формы демонстрируют большое разнообразие, в том числе и жизненных циклов, более высоко организованные – более или менее унифицированы. К не очень высоко организованным растениям относятся водоросли. Кто видел водоросли? Нет, из подводных растений прудов и аквариумов наиболее заметные водорослями не являются. Это все – водные цветковые растения. У водорослей нет корней, стеблей, листьев и тем более цветков. Из того, что вы видели в наших краях, пожалуй, можно отметить только так называемую «тину» – нитчатые зеленые водоросли. То, что нарастает на стенках аквариума, – тоже водоросли. Кто бывал на море, тому проще: морские растения – это почти все водоросли. Наиболее известными (и высокоорганизованными) водорослями, доступными для нашего ознакомления, являются бурые водоросли, потому что к ним относится морская капуста. Водоросли многообразны, и разные их группы не только независимо изобрели многоклеточность, но даже и хлоропласты приобретали независимо как минимум трижды, причем можно проследить, к каким группам цианобактерий они в каждом случае принадлежали. Наиболее распространены красные, бурые и зеленые водоросли – зеленые водоросли имеют хлоропласты того же типа, что и высшие растения, но весьма гетерогенны по клеточному устройству. Бурые водоросли – наиболее сложно устроенные из водорослей. Они имеют подобие проводящих тканей, корнеобразные придатки. Однако цикл развития бурых водорослей весьма прост и неотличим от цикла развития животных (наверное, это единственный такой случай) – все растение диплоидно, гаплоидны только его гаметы – неподвижные яйцеклетки и подвижные споры со жгутиками. Цикл развития красных водорослей (рис. 11.4) включает три поколения – два диплоидных и одно гаплоидное, причем второе диплоидное внешне неотличимо от гаплоидного, а первое диплоидное – это небольшой организм, живущий внутри органа гаплоидного растения, произведшего яйцеклетку. Он формирует диплоидные споры, из которых вырастает второе диплоидное поколение. Примечательной особенностью красных водорослей является отсутствие подвижных клеток – мужские спермии представлены неподвижными округлыми клетками, переносимыми водой. (На рис. 11.4 и 11.5 встречаются термины, употребляемые для структур соответствующих организмов; запоминать их необязательно.) Многие морские зеленые водоросли характерны тем, что имеют внешне совершенно идентичные гаплоидное и диплоидное поколение. Кроме того, они изогамны – сливающиеся мужские и женские гаметы идентичны. Однако у других зеленых водорослей может преобладать либо диплоидное поколение, а гаплоидное быть сведено только к гаметам, как у бурых водорослей и животных, либо гаплоидное, а диплоидное быть сведено к зиготе (как в разобранных выше примерах с хламидомонедой и дрожжами). Одна из таких водорослей, живущих в гаплоидной фазе, – нитчатая водоросль спирогира – обладает поразительным типом оплодотворения. Водоросль состоит из гаплоидных нитей, образованных цепочками клеток. Две «разнополые» нити располагаются параллельно и их клетки сливаются попарно, причем содержимое клеток одной из нитей (условно мужской) перетекает через специальные мостики в клетки женской нити, образуя цепочку зигот, которая потом распадается на зигоспоры. Такое слияние неподвижных клеток, включенных в многоклеточные нити, встречается еще только у грибов, о чем пойдет речь дальше. Среди в основном пресноводных зеленых водорослей есть более просто устроенные формы, например вольвокс, – однослойная шаровидная колония двужгутиковых клеток. Вольвокс гаплоиден. В определенный момент он формирует гаметы – яйцеклетки и свободные подвижные спермии. Для того чтобы оплодотворение было успешным, переход к половому размножению желательно сделать синхронным. Химические сигналы к переходу к половому размножению, выделяемые созревшими для него клетками, – дело обычное, в частности у многих простейших. Однако из известных случаев вольвокс известен самым сильным химическим сигналом. Сигнала, так сказать, к началу оргии, выделяемого одной колонией, которая первой созрела к размножению, достаточно, чтобы индуцировать такой переход у полумиллиарда других колоний. Мхи в чем-то похожи на высшие растения – у них есть стебель и листья. Это, по-видимому, первые растения, которые вышли на сушу. Их жизненный цикл довольно интересен. Все видели мох кукушкин лен? У него пушистые зеленые побеги с листьями, из которых торчат коричневые ножки с кувшинчиками. Эти побеги гаплоидны, а ножки с кувшинчиками диплоидны. У растений гаплоидное растение (и поколение) называется гаметофитом, а диплоидное – спорофитом. На зеленом гаплоидном растении мха – гаметофите – образуются половые органы – образования, в которых возникают половые клетки – яйцеклетки в архегонииях, подвижные жгутиковые спермии – в антеридиях. Без мейоза, естественно: гаметофит и так гаплоиден. После слияния образуется зигота, из которой вырастает диплоидный кувшинчик на ножке. По сути, это – новый индивидуум, паразит на гаплоидном материнском зеленом растении, которое снабжает его всем необходимым. В кувшинчике протекает мейоз и образуются гаплоидные споры, из них вырастает новый мох (см. рис. 11.5). Считается, что сосудистые растения – хвощи, плауны, папоротники, голосеменные и цветковые – произошли от спорофитов мхов. Действительно, спорофиту было достаточно включить имеющиеся у него гены фотосинтеза (а каждая клетка имеет весь геном), как он получил бы способность к самостоятельной жизни. Далее ему потребовалось обеспечить фотосинтезирующую площадь путем многократного ветвления и уплощения ветвей, и наладить систему транспотра воды и питательных веществ, как он смог бы достичь сколь угодно больших размеров. Так, судя по всему, и произошло в действительности. Уже у папоротников соотношение гаметофита и спорофита, т. е. гаплоидного и диплоидного поколения, меняется (рис. 11.6). Из спор вырастает гаплоидный гаметофит – заросток. Это такая зеленая, обычно сердцевидная пластинка диаметром несколько миллиметров, у которой с одного конца есть мелкие корнеподобные выросты – ризоиды. Он немного напоминает так называемые печеночные мхи (из которых более или менее известны маршанция и риччия), не имеющие ни листьев, ни стеблей. На заростке тоже образуются половые органы, где формируются гаметы. Гаметы выходят в водную среду (поскольку заросток плотно прижат к почве, под ним собирается влага) и там сливаются. Из зиготы вырастает сложное зеленое растение – спорофит, которое мы и знаем как папоротник. На нем есть спорангии, в которых происходит мейоз и образуются гаплоидные споры. Споры папоротника многие видели. Из них вырастают новые заростки. Таким образом, если у мхов росло и фотосинтезировало гаплоидное поколение, а диплоидное было паразитическим, то у папоротника фотосинтезируют оба поколения. Но гаплоидное достигает весьма скромных размеров, а диплоидное разрастается в изрядное растение. Отметим один момент: у большинства папоротников гаметы обоего пола образуются на одних и тех же заростках. Однако среди папоротников бывают и такие, у которых заростки двуполы. И наконец, бывают папоротники, у которых женские и мужские заростки сильно различаются и образуются из соответственно крупных и мелких спор. Правда, на обычные папоротники эти растения совсем и не похожи. У цветковых растений соотношение гаметофита и спорофита меняется окончательно в сторону спорофита, а от гаметофита мало чего остается. А что касается оплодотворения, так у них происходит нечто совсем уж несообразное. Кстати, кто знает, где у цветковых растений гаметофит? В данном случае мужской и женский гаметофит очень различаются. Проше всего мужской. Мужской гаметофит – это пыльцевое зерно. В пыльниках тычинок определенная спорогенная ткань претерпевает мейоз. Из каждых четырех получившихся в результате мейоза клеток получается пыльцевое зерно. Сначала оно содержит одно гаплоидное ядро. Потом оно делится митозом на два. Образуется большая вегетативная клетка, внутри нее плавает маленькая генеративная клетка, которая, в свою очередь, делится митозом на два спермия. Женский гаметофит образуется в завязи пестика. Из четырех клеток, получившихся в результате мейоза, развивается только одна, при этом образуется так называемый зародышевый мешок. Это более или менее овальное образование. Гаплоидное ядро делится трижды, так что образуется восемь гаплоидных ядер. Два из них сливаются, образуя диплоидное ядро (но это еще НЕ оплодотворение). Семь ядер разделяются на семь клеток. Три маленьких гаплоидных клетки помещаются возле одного конца мешка, еще три маленьких гаплоидных – возле другого, большая клетка с диплоидным ядром располагается в центре. Как вы думаете, где тут яйцеклетка? Это одна из трех маленьких гаплоидных клеток у одного полюса. На рис. 11.7 показан спорогенез (т. е. мейоз и образование его продуктов) у цветковых растений. Как происходит у цветковых растений оплодотворение? Пыльцевое зерно попадает на рыльце пестика. Вегетативная клетка начинает расти и образует длинную пыльцевую трубку. Она врастает в пестик и прорастает до одного из зародышевых мешков, при этом оба спермия располагаются вблизи растущего конца. Очевидно, что она растет по градиенту некоторых веществ, выделяемых зародышевым мешком. Наконец, трубка врастает в мешок. Один спермий сливается с яйцеклеткой. А зачем нужен второй? Он сливается с центральной клеткой, а его гаплоидное ядро – с ее диплоидным ядром! В результате первого события образуется диплоидная зигота, здесь в буквальном смысле все как у людей. В результате второго образуется некая триплоидная клетка. Все это вместе называется двойное оплодотворение, характерное только для цветковых растений. Кстати, оно открыто русским ученым С. Г. Навашиным в 1898 г. В дальнейшем зигота делится и образует зародыш семени. Это готовое маленькое растеньице, у него есть корень и листья. Один или два первых листа – это специфические органы семени, они называются семядоли. Но в семени содержатся в зачаточном состоянии и несколько нормальных листьев. Так, в горошине уже сформировано до шести нормальных листьев будущего растения. Триплоидная клетка начинает делиться и образует так называемый эндосперм – триплоидную ткань, в которой запасаются питательные вещества семени. К примеру, в пшеничном зерне мы едим именно эндосперм, а зародыш уходит с отрубями. Когда семя прорастает, эндосперм отдает свои питательные вещества и дегенерирует. Зачем цветковым растениям понадобилась такая сложность – непонятно. У части из них эндосперм образуется, но не развивается и все питательные вещества накапливаются в первичных листьях – семядолях. К примеру, в зрелой горошине вы не найдете и следа эндосперма. Становится ясно, что хрестоматийное объяснение детям, откуда берутся эти самые дети, на примере пестиков и тычинок, – не самое удачное. У растений все гораздо сложнее, чем у нас. Важно, чтобы вы запомнили, где у цветковых растений что. Мы знаем, что в ходе размножения они распространяют две структуры – пыльцу и семена. Пыльца – это гаметофит, т. е. целый индивидуум. Впрочем, он состоит всего из трех клеток, из которых две – спермии. А что такое семя? Это спорофит, причем уже совершенно готовое растение, все равно что ребенок в момент рождения. Главная особенность этого ребенка состоит в том, что он сушеный. Иначе говоря, все клетки этого готового растеньица таковы, что содержат минимум воды, будь то листья, корни или стебли. Это не простое высыхание – внутренняя структура клетки поддерживается за счет насыщения внутриклеточной среды особыми очень гидрофильными белками – дегидринами. Прорастание семени начинается с активного впитывания воды всеми его клетками, после чего они восстанавливают свою способность активно функционировать. Большинство цветковых растений способны также к вегетативному размножению. Благодаря этому среди них мы находим самые большие индивидуумы среди всех живых существ. И это не баобаб или секвойя. Это – осиновая роща. Все деревья в осиновой роще – продукты одной особи, образовавшиеся от корневых отпрысков. Такой индивидуум может расти сотни лет и покрывать десятки гектаров. Большие оригиналы – грибы. Для большинства из них характерен эндомитоз – деление ядра без разрушения ядерной мембраны, причем веретено деления находится внутри нее (центриоли при этом отсутствуют). Это дало грибам возможность сделать деление ядер независимым от деления клеток. (Ниже появляются новые термины, которые будут нужны только для описания систем размножения грибов. Они не выделены курсивом, так как запоминать их незачем – главное понять принципы.) Основу любого гриба составляют так называемый мицелий – совокупность многоклеточных, или многоядерных и не подразделенных на клетки нитей-гифов, растущих путем деления верхушечных клеток. Грибы можно назвать многоклеточными лишь формально – большая часть жизни они проводят в виде нитей в одну клетку толщиной, так что все клетки имеют возможность свободного химического взаимодействия со средой и большинство «проблем со снабжением», характерных для многоклеточных, у них просто не возникает. Настоящие грибы подразделяются на зигомицеты, аскомицеты и базидиомицеты. К зигомицетам, к примеру, относится плесень, развивающуюся на плодах. Мицелий у них гаплоиден, вернее он содержит гаплоидные ядра, а на клетки не поделен. Причем он бывает двух половых классов, никак друг от друга не отличающихся. Когда два мицелия разных классов встречаются друг с другом, они образуют навстречу друг другу выросты, наполненные несколькими ядрами – гаметангии (рис. 11.8). Выросты объединяются и изолируются от породившего их мицелия клеточной стенкой, образуя так называемый зигоспорангий. При этом ядра от разных гифов объединяются попарно, образуя диплоидные ядра, аналогичные зиготе. Он прорастает в некую структуру – спорангий (опять-таки на ножке.) В это время диплоидные ядра претерпевают мейоз, в результате чего в спорангии образуются гаплоидные споры. Они рассеиваются, прорастают и дают новые гаплоидные спорангии. Помимо описанного, зигомицеты умеют образовывать спорангии и гаплоидные споры – конидии – без всякого полового процесса. К аскомицетам (сумчатым грибам; лат. asca – сумка) относятся сморчки (однако то, что чаще всего встречается у нас – это не сморчок, а так называемая сморчковая шапочка) и многие плесени. Справедливости ради следует сделать оговорку, что рассмотренные выше дрожжи, которые ведут простую почти одноклеточную диплоидную или гаплоидную жизнь, по всей видимости, являются очень упростившимися аскомицетами. Жизненный цикл аскомицетов представлен на рис. 11.9. Мицелий аскомицетов гаплоиден, причем подразделен на клетки, хотя клетки эти могут быть многоядерными, а перегородки между ними – не сплошными. Он также способен образовывать гаплоидные (часто многоядерные) споры, ответственные за расселение, – конидии. И у аскомицетов тоже бывают (хотя и не у всех) мицелии двух разных половых классов. При встрече двух мицелиев каждый из них образует многоклеточные мешки одного из двух типов: аскогоны (женские) или антеридии (мужские), так что аскогон одного мицелия и антеридий другого располагаются рядом. Аскогон образует вырост, через который в него проникают мужские ядра (заметим, что вырост здесь образует женская структура). Иногда антеридиев нет, а их роль выполняют попавшие на аскогон конидии, из которых мужские ядра проникают в аскогон. Дальше происходит самое оригинальное – мужские и женские ядра находят друг друга, но не сливаются, а располагаются парами друг возле друга. После этого из аскогона начинает расти аскогенный гиф, он состоит из дикарионов – отдельных клеток, несущих по два ядра – мужское и женское. В определенный момент в клетке на конце аскогенного гифа ядра делятся, сама клетка загибается крючком и делится на три – по одному ядру попадает в две клетки на концах крючка, а два разнополых ядра из разных пар оказываются в средней клетке – аске. Только там, наконец, разнополые ядра сливаются, после чего диплоидное ядро сразу же претерпевает мейоз и дает четыре гаплоидные клетки, которые вслед за этим делятся еще раз митозом, так что получается восемь гаплоидных аскоспор, из которых в дальнейшем развиваются новые гаплоидные мицелии. У многих аскомицетов (например, у сморчков) образование аскогенных гифов и оплодотворение происходит внутри плодовых тел, которые собираются из разнополых мицелиев, то есть из двух разных организмов! С виду плодовое тело сморчка – вполне себе гриб и выглядит как отдельный на индивидуум, в то время как он образован двумя «слившимися в экстазе» индивдуумами. К базидиомицетам относятся все шляпочные грибы, а также трутовики, дождевики, веселки и т. д., а также паразиты растений, такие как головня и ржавчина. Их отличительной особенностью является то, что двуядерную – дикариотическую фазу, которая была столь преходящей у аскомицетов, они сделали основной для своей жизни. Поэтому метафорически их можно охарактеризовать как самые целомудренные организмы, так как отцовские и материнские ядра до самого образования спор воздерживаются от слияния и живут в состоянии «платонической любви», функционируя в каждой клетке совместно, но находясь бок о бок друг с другом. Наверное любопытно помнить об этом, собирая и поедая грибы. Начало жизненной истории базидиомицетов (рис. 11.10) очень похоже на таковую аскомицетов. Из спор прорастает гаплоидный первичный мицелий. Когда два первичных мицелия разного полового класса встречаются друг с другом, их клетки просто сливаются попарно, с образованием дикарионов – причем без каких-либо специальных структур. Дикариотический мицелий и есть основная фаза жизни. Его рост оригинален. Во время деления верхушечной клетки образуется так называемая пряжка – отросток клетки, который впадает в нее же ближе к основанию, формируя своеобразный мостик. В него входит одно из ядер дикариона и там делится, второе ядро делится в основном теле клетки. Ядра, происходящие от первого ядра, входят в основное тело клетки с разных концов пряжки, после чего цитоплазма основного тела клетки делится клеточной стенкой. Пряжка (по своему назначению – едва ли не пояс целомудрия) – это механизм помещения двух гомологичных ядер рядом друг с другом после деления каждого из них (и в этом смысле он немного аналогичен мейозу) (рис. 11.11). Заметим, впрочем, что дикариотические клетки аскогенного гифа аскомицетов (от которых и произошли базидиомицеты) успешно делятся и без этого механизма. Рано или поздно дикариотический мицелий формирует плодовое тело, ну хотя бы тот же белый гриб. В определенном месте этого тела формируются базидии. Это довольно просто – конечная клетка гифа делается крупной, ядра дикариона в ней сливаются, формируя наконец-то зиготу, после чего она претерпевает мейоз, в результате которого образуются четыре гаплоидных ядра. Эти ядра входят в четыре отростка этой клетки, которые отшнуровываются и образуют споры. Они рассеиваются и из них вырастают первичный мицелий. Спор вне полового процесса базидиомицеты не образуют. Таким образом, у аскомицетов и базидиомицетов жизненный цикл включает даже не две, а целых три фазы – гаплоидную, дикариотическую и диплоидную (представленную неделящейся далее зиготой). Есть много так называемых несовершенных грибов (например, пеницилловая плесень), у которых нет нормального полового процесса. В основном это аскомицеты, вторично утратившие аски. Однако вместо нормального полового процесса в целях генетической рекомбинации у них имеется так называемый парасексуальный процесс. При этом происходит спонтанное слияние обычных клеток двух разных мицелиев с объединением двух гаплоидных ядер в диплоидное. Некоторое время такая клетка размножается, а затем начинает случайным образом терять хромосомы, пока снова не превратится в гаплоидную. Есть еще две группы организмов, раньше условно объединявшихся в так называемые низшие грибы, но на самом деле грибам не родственных. По строению и способу питания они напоминают грибы. Однако по химическому составу клеточной стенки, центриолей и типичного митоза они резко отличаются от грибов. Скорее всего они независимо возникли из одноклеточных простейших или даже из водорослей. Расскажем о них вкратце, хотя запоминать это излишне. Одна из них – оомицеты, сюда относятся водные плесени и некоторые паразиты растений, например знаменитая фитофтора картофеля. У оомицетов клеточная стенка состоит из целлюлозы, как у растений, а мицелий диплоиден. В результате мейоза образуются половые органы в виде больших клеток, содержащих много гаплоидных ядер. Мужские структуры образуют специальные трубочки, по которым мужские ядра проникают в женские структуры и там сливаются с женскими ядрами, образуя зиготы. Зиготы одеваются толстой оболочкой, образуя весьма устойчивые к неблагоприятным условиям ооспоры. Прорастая, ооспоры дают диплоидный мицелий. Однако у них есть еще и бесполое размножение, осуществляемое зооспорами – двужгутиковыми подвижными диплоидными клетками, которые производятся диплоидным мицелием и после периода активного движения теряют жгутики, начинают делиться и дают новый диплоидный мицелий. Иными словами, свободноплавающая подвижная клетка в жизненном цикле этих диплоидных организмов имеется, но к половому процессу отношения не имеет, чего не встречается ни в каких других группах. Гаметы же у них представлены просто гаплоидными ядрами. У второй группы – хитридиомицетов – клеточная стенка состоит из хитина, как у грибов, а жизненный цикл состоит из полноценного гаплоидного и диплоидного поколений, представленных внешне неразличимым гаплоидным и соответственно диплоидным многоклеточным мицелием. На гаплоидном мицелии формируются гаметы – подвижные клетки с одним жгутиком. Они бывают мужские и женские, но все различие в том, что женские – в два раза крупнее. Сливаясь, они дают зиготу, из которой вырастает диплоидный мицелий. На диплоидном мицелии развиваются спорангии, в которых проходит мейоз и формируются зооспоры, такие же, как гаметы. После периода активного движения они начинают делиться и превращаются в гаплоидный мицелий. Все эти детали запоминать не обязательно, нужно лишь усвоить факт многообразия жизненных циклов. Однако одну группу поразительных организмов, отдаленно напоминающих грибы, мы должны рассмотреть и запомнить. Это слизевики, или миксомицеты. Их норовят выделить в отдельное царство наряду с животными и растениями. Все, наверное, видели так называемое волчье вымя – ярко-розовые полужидкие образования на мертвой древесине до десятка сантиметров. Это и есть слизевики из рода Fuligo. Это поразительное существо – плазмодий, т. е. огромное скопление пенистой цитоплазмы, наполненной вакуолями и диплоидными ядрами и отграниченное только внешней клеточной мембраной, по сути – одна чудовищных размеров многоядерная амеба. Плазмодий живет в гнилой древесине или почве и переползает там с места на место, по пути поглощая и переваривая питательные частицы. Его можно выманить из пня на мокрую фильтровальную бумагу, положенную на стекло. Когда в среде его обитания возникает недостаток влаги, он уходит и при этом способен переползать дорожки, лужайки, взбираться на деревья в виде эдакого веерообразного блина толщиной несколько миллиметров. То, что мы видим на поверхности яркое, это на самом деле будущие плодовые тела, которые он образует подобно грибу. В один прекрасный момент и, как правило, в ответ на ухудшение условий на плазмодии возникают бугорки, из которых развиваются спорангии, обычно на ножке – фактически плодовые тела, как у грибов. В них образуются споры, которые претерпевают мейоз. Из четырех гаплоидных ядер три погибают, одно – остается, а спора одевается очень плотной клеточной стенкой, которая устойчива к экстремальным воздействиям среды. В благоприятных условиях споры превращаются в типичных одноклеточных простейших. Когда воды много, они ведут себя как жгутиконосцы. Когда меньше, они теряют жгутики и превращаются в амеб. Этот процесс обратим. Эти одноклеточные размножаются обычным митозом. В один прекрасный момент все амебы или жгутиконосцы в данном месте одновременно сливаются попарно и образуют диплоидные зиготы. Скорее всего тот, кто начинает первым, подает некую химическую команду о начале оргии. Затем все зиготы просто сливаются друг с другом и образуют плазмодий. У некоторых видов плазмодий развивается из единственной зиготы. В случае слизевика мы видим чередование диплоидной и гаплоидной фаз, представленных множеством поколений ядер. Такая же ситуация у большинства растений, но там обе фазы многоклеточные. У слизевика одна фаза одноклеточная, а другая многоядерная, но не многоклеточная. Схема жизненного цикла миксомицета представлена на рис. 11.12. Итак, мы рассмотрели половой процесс. У всех эукариот он содержит слияние двух гаплоидных ядер с образованием диплоидного и мейотическое деление диплоидного ядра с образованием четырех гаплоидных. Смысл этого процесса – в перекомбинации сочетаний генов: во-первых, при случайном расхождении гомологичных хромосом к одному из двух полюсов первого деления мейоза, во-вторых, из-за кроссинговера в профазе этого деления. Кроме того, диплоидное (и дикариотическое) состояние дает генетическому аппарату клетки определенную помехоустойчивость. Если первый выигрыш состоит в генерации изменчивости при размножении, то второй – в защите от изменчивости в индивидуальном развитии. Важно и то и другое. Как именно совместить оба варианта, каждая группа решала в эволюции самостоятельно. И здесь нам логически правильно будет продолжить рассмотрение изменчивости – закономерностей ее возникновения и проявления, т. е. ознакомиться с основами таких наук, как генетика, а затем и теория эволюции. Лекция 12. ГЕНЕТИКА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Как вы, возможно, заметили, логика изложения биологии в этом курсе была принята довольно стандартная – снизу вверх, от атомов к молекулам и макромолекулам, далее – к структурам клетки, к жизни самой клетки и далее – к многоклеточному организму. Принципов построения многоклеточного организма мы не касались, но у вас есть курсы анатомии и физиологии нервной системы (а у человека это одна из самых эволюционно продвинутых систем) – и там все принципы налицо. Сейчас нам надлежит перейти к генетике. Когда мы знаем принципы организации жизни до конца, наш порядок изложения получается органичным и естественным. В эти принципы входит и механизм функционирования нуклеиновых кислот как носителя информации прежде всего о разнообразных белках и рабочих РНК (последние казались гораздо менее разнообразными, пока не были открыты малые РНК), и не только об их структуре, но и о том, когда, где и сколько тех или иных белков должно синтезироваться. Причем управление этими процессами осуществляется опять-таки с помощью определенных белков. Здесь действует каскадный принцип разворачивания генетических систем управления – гены кодируют белки, необходимые для того, чтобы управлять генами, которые кодируют другие белки и т. д. Поскольку почти все вообще в организме делается белками (плюс некоторыми РНК), то получается, что фактически в нуклеиновых кислотах записана информация обо всем организме вообще. (Но считывание этой информации невозможно без ранее синтезированных белков.) И мы с вами уже примерно разобрали, как это в принципе реализовано. Этот порядок изложения полностью совпадает с тем порядком, в котором развивалась сама жизнь. Сначала это были какие-то «простые» (но лишь по сравнению с тем, что из них потом возникло) системы из самовоспроизводящихся макромолекул, по-видимому, нуклеиновых кислот. Потом им случилось окружить себя фосфолипидной мембраной, что позволило им строить свой собственный микромир внутри нее. Так возникли клетки. Все большую роль в функционировании этих первых живых существ приобретали белки, но контроль полностью сохранился за нуклеиновыми кислотами. Клетки усложнялись и научились делиться все более правильно. После деления они иногда не расходились, образовывая колонии. Перед этими колониями возникали все более сложные проблемы в связи с их размерами и формой – всем клеткам в колонии нужно было доставить все необходимое для жизни. Разрешение этих проблем было достигнуто за счет определенной структуры колоний и разделению труда между составляющими их клетками. Простые колонии превратились в государства клеток, т. е. в многоклеточные организмы. Были решены также проблемы их самовоспроизведения как сложных структур, причем это удалось реализовать так, что каждый организм мог развиваться из одной клетки посредством разворачивания сложной генетической программы, регулирующей деления клеток и взаимодействия между ними. Однако в своем изложении биологических знаний мы отвлеклись от того, каким образом они были получены. А получены они были по мере развития науки в прямо противоположном направлении – от организмов к органам, клеткам, макромолекулам и атомам. По мере погружения на каждый из этих уровней ученые могли только делать догадки о том, как устроен уровень более глубокий. Когда-то максимум, что они могли сделать, это вскрыть тело, посмотреть на органы и предположить, как они работают. Когда открыли клетки, сначала считали, что они заполнены пустотой. Потом открыли протоплазму, но сначала видели ее только как вязкую жидкость, в которой, однако же, каким-то таинственным образом содержалась сущность жизни. Открыли ядро и органеллы клетки. Нашли красители, которые по-разному их красят, и тем самым подступились к их химическому составу. В конце ХIХ в. обнаружили нуклеиновые кислоты и выяснили их грубый химический состав, но их структура долго оставалась одной из самых жгучих загадок, разгадка которой выглядела столь блестяще. На этом погружение в глубь биологии, пожалуй, прекратилось. Пришел период накопления частностей на этом углубленном молекулярном уровне. Частностей оказалось необычайно много. Сейчас мы переживаем период, когда это огромное количество частностей начинают соединять в некую связную картину – модель устройства живого организма. Причем эта модель столь сложна, что не только ее построение и использование, но и наглядное описание невозможно без мощных современных компьютеров. Тем не менее, в ХХ в. все основные принципы были открыты. Таким образом, наш порядок изложения биологии совпадает с эволюцией самой жизни, но прямо противоположен тому порядку, в котором биология развивалась как наука. Однако, для того чтобы изложить генетику, нам придется несколько нарушить порядок изложения, поскольку генетика являет собой яркий пример движения «сверху вниз». Генетику можно определить как науку о наследственности. И нетрудно заметить, что в некотором смысле мы с ней уже ознакомились. Многие базовые понятия генетики – ген, локус, аллель, регулятор, рекомбинация и т. д. – вам уже знакомы. И действительно, когда имеешь ясное представление о том, как работает некий механизм, казалось бы, нет нужды изучать отдельную дисциплину, касающуюся только одного аспекта этого механизма. И вы знаете – генетика как отдельная дисциплина помаленьку исчезает! Можно вспомнить, как Уотсон и Крик отказались обсуждать свою модель структуры ДНК, поскольку следствия из нее были слишком велики и очевидны. Казалось, из этой структуры прямиком чуть ли не вся генетика и вытекала. Сейчас принято изучать так называемую молекулярную генетику, а именно то, как работает аппарат нуклеиновых кислот и белков. Во многих современных учебниках генетики все в основном построено по принципу: ген, как он расположен в хромосоме и что из этого следует, как он функционирует и что из этого следует. И это, конечно, правильно. Если ты купил прибор, тебе естественно потребовать к нему детальную инструкцию, а если ты вдумчивый пользователь, то еще хорошо бы и его, к примеру, полную схему. В советское время, кстати, так и было: к магнитофону прилагалась полная принципиальная схема его электронной системы в виде многократно сложенного бумажного листа. Знающий человек мог понять, что он купил, как это можно починить и усовершенствовать. Только беда в том, что полная инструкция и принципиальная схема устройства человека, предоставь нам ее господь как поставщик пользователю, оказалась бы настолько сложна, что ее не смог бы воспринять ни один человек. Пожалуй, только в принципиальной схеме кишечной палочки могли бы разобраться несколько человек в мире. Поэтому не только анализ информации такого рода, которая в последнее время стала поступать нам и без помощи господа бога, но и представление результатов этого анализа, невозможно без использования компьютеров. И тем не менее, т рудами нескольких талантливых ученых классическая развилась почти в полном виде в течение первых трех десятилетий ХХ века в качестве стройной и логичной науки, доступной людям без специальных знаний. Классическая генетика как наука о наследственности развивалась от макроуровня к микроуровню, т. е. в том же направлении, что и вся биология. Она реконструировала схему устройства системы по ее поведению, как если бы в руки к ученым попали инопланетные механизмы неизвестного устройства безо всяких к ним схем и инструкций. Можно отметить две главные особенности генетики. Первое, это глубина реконструкции, которой она достигала при недостатке прямой информации об устройстве объекта. Мощь классического генетического подхода впечатляет: имея дело лишь с видимыми признаками, он позволил создать представление об умопостигаемых генах, об их размещениях в каких-то таинственных носителя, об изменениях генов и этих носителей. Отталкиваясь от картины наследования признаков, с его помощью были получено представление о структуре носителей генетической информации, передаче этой информации потомкам и превращения её в живую плоть. Вторая особенность –синтетический, а не аналитический характер генетических знаний, сама истинность которых непосредственно в момент получения воплощалась в создании некоего нового – организмов с новыми признаками. Поэтому классическая генетика актуальна и важна и поныне как способ часто минимальными средствами получить максимальную информацию об устройстве объекта. Причем достаточно иметь хорошо изученную генетику немногих модельных объектов, а об остальных судить по мере сходства с ними. Классическая генетика незаменима во всем, что касается индивидуальных различий и характеристик множеств особей одного вида. Это именно ее стихия, и именно в ней часто оказываются беспомощны те некоторые нынешние ученые, которые заменили классическое генетическое образование молекулярногенетическим. Основным методом классической генетики являются скрещивания. К большинству своих выводов генетики пришли, наблюдая за поведением признаков родителей и потомков, причем действия исследователя с каждым новым поколением определяются результатами, полученными на предыдущем. Поэтому генетическое исследование немного напоминает шахматную партию. Выводы, получаемые из таких исследований, были на редкость детальны и, как показало дальнейшее развитие науки, верны. Грегор Мендель в своих опытах на горохе в конце XIX в. фактически описал поведение хромосом в мейозе, не имея ни малейшего представления о хромосомах. Отношение генов к хромосомам было установлено только в начале XX в., и почти до его середины сильно подозревали, что материальным носителем наследственности являются белки. Иными словами, если прочие отрасли биологии не очень отрывались от описательного подхода, то генетика в своих моделях далеко опережала то время, когда изучаемые ею объекты можно было описывать как материальные сущности. В трагический период истории нашей страны это дало повод объявить генетику идеалистической лженаукой и отбросить нашу страну, бывшую на ее переднем крае, далеко назад, причем уничтожив лучших генетиков физически. Такая познавательная сила классической генетики как науки, способной на основании поведения признаков в скрещиваниях делать верные выводы о поведении неких микроструктур клетки, даже не имея представления о том, из чего они состоят, связана прежде всего с тем, что генетика включает в себя много простой математики из различных ее отраслей. А это обстоятельство обязано своим существованием тем, что объектом генетики является не некая биологическая структура, а информация. Можно изучать поведение этой информации независимо от того, на каком материальном носителе она реализована. В этом смысле генетика – биологическая информатика. Раньше информатика называлась кибернетикой. И это была еще одна «лженаука», подвергшаяся гонениям при Сталине и Хрущеве, при всей разнице между ними. (К счастью, тогда она не была настолько развита, как генетика, и как следствие этой компанией был нанесен меньший ущерб.) Классическую генетику (иногда говорят – менделевскую, хотя то, что имеется в виду, много шире того, что открыл Мендель) можно определить как науку о наследственности, оперирующую с абстрактными элементами системы управления развитем организма, отвлекаясь от их материального носителя и не нуждаясь в нем. Поначалу генетика состояла в одиноком подвиге единственного ученого, которого не понял ни один современник и который, в силу личного гения и разностороннего образования, одновременно и предложил плодотворную методологию, и скрупулезно провел длительные и обширные эксперименты, и сделал удивительное умозрительное предположение. Уже вскоре после переоткрытия генетики, было обнаружено, что факторы наследственности расположены в строго определенном порядке и на определенном расстоянии друг от друга в нескольких линейных структурах, количество, относительный размер и поведение которых в точности совпадало с количеством, относительным размером и поведением хромосом в мейозе. Хромосомная теория наследственности была сформулирована в 1900–1903 гг. американским цитологом Уильямом Сеттоном и немецким эмбриологом Теодором Бовери и в дальнейшем развита знаменитым американским генетиком Томасом Морганом и его школой – Мёллером, Стертевантом, Бриждесом. (Это они впервые стали проводить исследования на дрозофиле, причем сначала они планировали кроликов, но этот план не пропустил финансовый менеджер их университета.) И вот этот важный вывод о нахождении факторов наследственности в хромосомах, полученный столь рано, отвергался официальной наукой в СССР с конца 1940-х до начала 1960-х гг.! Дальнейшее сопоставление умозрительных генетических карт (относительное расположение генов в этих структурах) и различных частей хромосом сделало очевидным, что гены расположены именно в них. Но классической генетике это не так уж и необходимо – ее модели, проверяемые по результатам скрещиваний, ставили гены в своего рода «виртуальные хромосомы». Так что и по сию пору для большинства объектов существуют два рода карт хромосом: физические карты, показывающие, в каких именно местах на хромосомах или на молекуле ДНК расположены гены, и генетические, или рекомбинационные карты, реконструирющие взаимное расположение генов по результатам скрещиваний. Порядок генов в этих двух типах карт полностью совпадает, относительные расстояния между ними – далеко не всегда, и этому имеется вполне исчерпывающее объяснение, о чем сказано будет позже. Для нас важно, что классическая генетика свидетельствует о том, что гены расположены в хромосомах, но не особенно нуждается в хромосомах как таковых для своих остальных выводов. Как наука об информации и управлении, классическая генетика даже структуру имеет подобную математике. Она вся держится на системе четко определяемых умозрительных понятий (в отличие, к примеру, от цитологии, которая строится от видимых глазом эмпирических фактов). Конечно, генетические понятия вводятся на основе наблюдаемых фактов. Но вводятся они именно как умозрительные математические понятия. Понятий и соответствующих им терминов, зачастую весьма чудных, в генетике много. Но они действительно нужны и, будучи введенными, практически исчерпывают предмет. В каждом конкретном случае достаточно сопоставить наблюдаемое явление с подходящим понятием, и все становится ясно. Пожалуй, в качестве учебника по генетике мог бы служить хороший толковый словарь генетических терминов. Рассмотрим эти базовые понятия. Скорее всего, в жизни вам не придется решать генетические задачи. А вот принимать участие в разговорах, где будет упоминаться слово «ген», обязательно придется. И будет полезно уяснить, что это такое. Начнем наиболее важного в генетике понятия. Вы будете удивлены, но это понятие признак. Важность его очевидна - ведь именно признаки наследуются. Генетика как наука началась именно в тот момент, когда Грегор Мендель начал анализировать отдельные признаки, а не всю наследственность как единое целое. Скажите, что такое признак? И сколько их может быть? Признак – это все что угодно, связанное с особью, лишь бы был способ как-то его зарегистрировать. Рост, вес, цвет, высота крика, половина длины хвоста, прибавленная к квадратному корню из трети длины носа, количество волосков в бороде, форма норы или муравейника, количество самцов, преследующих одну самку, продолжительность времени, в течение которого можно не дышать под водой, количество любовников у матери или дочери изучаемого субъекта (Я не шучу – среди признаков носителей определенного варианта одного из рецепторов к медиатору мозга фигурировала высокая частота признака «вырос без отца»). Выбор огромен, но чем удачнее, мудрее или остроумнее вы выберете признак, тем больше информации узнаете из опыта. Понятно, что прибавлять квадратный корень из длины носа к длине хвоста не следует, так как обе длины имеют одну и ту же размерность, и вы получите математическую абракадабру. А вот если прибавлять к длине хвоста кубический корень из массы тела, то это имеет больше смысла, ведь масса зависит от куба линейных размеров и, извлекши кубический корень, мы получим величину, соизмеримую с длиной хвоста, а сложив две упомянутые величины, получим некое мерило линейных размеров. Легко понять, что далеко не все признаки из их бесконечного разнообразия одинаково информативны. Некоторые информативны одинаково, но ничего друг к другу не добавляют. К примеру, если взять два таких признака: длина правой ноги и длина левой ноги, то даже интуитивно понятно, что хотя две ноги и могут слегка различаться по длине, второй мало что добавит к первому. Возьмем такие признаки: длина левой ноги и рост. Что мы можем сказать о них? Чем больше рост, тем больше длина ног,– это совершенно очевидно. Рост и длина ног коррелируют – не более, но и не менее того. И действительно, если возьмем выборку людей, померим рост и длину ног и вычислим коэффициент корреляции, то он будет довольно близок к единице и высокодостоверен. Но мы знаем, что люди вообще-то бывают коротконогие и длинноногие. И если мы возьмем рост и отношение длины ног к росту, то получим два совершенно независимых признака – линейные размеры и длинноногость, которые могут наследоваться независимо. У нас появилось отношение двух измеренных величин. Как правило, работа со многими признаками сразу требует корректной математической обработки. Для такой обработки не очень удобно иметь дело с отношениями. Но зато есть набор математических методов, называемый многомерной статистикой (в частности, метод главных компонент), который позволяет из N любых измеренных нами признаков путем их сложения с вычисляемыми из этого же самого опыта коэффициентами получить N новых составных признаков, которые не будут коррелировать друг с другом вообще. Это означает, что каждый из них будет нести независимую информацию. И если мы посмотрим на то, как составлены N этих новых признаков, то увидим, что один из них отражает, к примеру, линейные размеры (сюда войдут всякие длины тела, рук, ног и т. д.), другой – толщину, третий – неравномерность толщины (выраженность талии, бедер и бюста), четвертый – относительные размеры головы, пятый – смуглость кожи и т. д. Такие признаки наиболее информативны, причем они имеют разный вес в общей изменчивости объектов, который также можно оценить. Однако многомерный анализ не решают проблемы дублирования признаков, поскольку дублирование влияет на относительный вес того нового признака, в который они попадают. Признаки могут быть самыми разными, однако они распадаются на два больших класса – качественные, или альтернативные, и количественные, или континуальные. Признак является качественным в том случае, когда изменчивость проявляется существовании нескольких альтернативных вариантов признака, то есть в принадлежности особи к определенному четкому классу, причем отнесение ее к одному из классов не вызывает сомнений. К примеру, можно выделить два таких класса особей человека как мужчины и женщины. Женщин тоже можно разделить на несколько альтернативных классов. Допустим, одета девушка в брюки или ее ноги одеты в единый цилиндрический кусок материи – платье или юбку. Получаем два класса. Последний случай можно разбить на два класса – одета в платье или в юбку. Получаем три класса женщин. Женщины наверняка могут выделить много классов относительно одежды и при этом не испытают ни малейших затруднений в классификации. Классические примеры: цветы гороха – белые или пурпурные, глаза дрозофилы – опять-таки белые или пурпурные; забавно, но оба органа могут быть еще и розовыми, и это еще одно состояние качественного признака, отдельный класс. В тех случаях, когда можно выделить качественные (альтернативные) признаки, а особи, принадлежащие к разным классам (вариантам) регулярно встречаются в природе, принято говорить о полиморфизме, а сами классы (варианты) этих признаков обычно называть морфами, или формами. Это одно и то же слово, по-гречески и по латыни, но последний термин слишком многозначен и его лучше избегать. Мы упоминали о трех четких классах цвета гороховых цветков – белый, пурпурный и розовый. Но вот на улице Золотодолинской растут яблони с пурпурными лепестками. А бывают яблони с розовыми, со слегка розоватыми и белыми лепестками. В случае гвоздик, продаваемых в ларьках, нам кажется, признак цвета цветков качественный– там бывают красные, белые, розовые и белые с красной оторочкой лепестков. А у селекционеров-цветоводов наверняка есть такое разнообразие гвоздик, что признак превращается в количественный. Можно взять спектрофотометр, экстрагировать пигмент антоциан из стандартной навески лепестков и измерить интенсивность пурпурной антоциановой окраски, выразив ее цифрой. И тогда получаем количественный признак – это такой признак, который может быть выражен вещественным числом. Пример с цветом лепестков показал нам, что один и тот же признак в разных ситуациях может выступать как количественный и качественный. Для практически любого качественного признака можно найти способ его измерения и тем самым рассмотреть его как количественный. Наоборот, большинство количественных признаков не могут рассматриваться как качественные, так как значения измеряемого параметра обычно не группируются в четко различимые классы. Рост человека – типичный количественный признак. Сколько бывает вариантов роста человека? Правильно, сказать нельзя – это положительное вещественное число, а количество «вариантов» зависит от того, с какой точностью мы мерим и какие существуют физические пределы этой величины (а в данном случае отчетливых физических пределов по сути нет). Рост множества людей можно охарактеризовать его средним значением. Но нам понадобится также какие-то характеристики его изменчивости. Для этого нам придется изучать частотное распределение количественного признака. Еще один хрестоматийный пример: если взять много людей, измерить их рост с точностью до сантиметра и построить по росту так, чтобы люди с одинаковым ростом стояли в одну колонну, то получим следующую картину: длина колонн образует некую колоколообразную кривую. При достаточной дробности измерения роста и количестве людей, она неплохо воспроизведет хорошо известное в теории вероятностей – нормальное или Гауссово распределение. Оно однозначно определяется двумя параметрами – средним (математики говорят – математическим ожиданием) и дисперсией – усредненным квадратом отклонений индивидуальных значений от среднего. Квадратный корень из этой величины – среднеквадратическое отклонение – служит мерой разброса признака. Размерность последнего параметра совпадает с размерностью самой измеряемой величины. У нормального распределения в интервале значений величины от среднего минус среднеквадратическое отклонение до среднего плюс среднеквадратическое отклонение находится около 70 % всех объектов, сколько бы мы их ни измерили. Если этот интервал вокруг среднего расширить вдвое, то там будет около 90 %, если втрое, то около 99 % объектов. Центральная предельная теорема математической статистики утверждает, что распределение суммы большого количества независимых случайных величин приближается к нормальному. А практически любой количественный признак формируется под действием очень большого количества разнонаправленных и разных по силе факторов. Именно поэтому большая часть количественных признаков подчиняется нормальному распределению. Но так бывает не всегда. Бывают распределения скошенные, бывают – с двумя горбами (они называются бимодальные распределения). У всего этого есть причины, в том числе и наследуемые, и все это представляет предмет для генетики количественных признаков. К примеру, приходите вы в теплицу Института цитологии и генетики с линейкой и измеряете длину растений гороха. Что вы получаете? Скорее всего, два отстоящих друг от друга колокола! Потому что есть горох очень короткий (карликовый), а есть нормальный. Различить эти два случая не представляет труда. Значит, мы имеем качественный признак – растения можно разбить на два отчетливых класса. А в пределах каждого класса тот же самый рост будет выступать как количественный признак! На самом деле карликовый горох обладает замедленным ростом, но эти растения могут перерастать своих «нормальных», но тщедушных собратьев. В таком случае мы будем иметь два слившихся колокола. И если возьмем растение посередине между горбами, то затруднимся классифицировать его по росту. Но если мы обратим внимание на расстояние между листьями, то все сразу станет ясно: у карликов оно маленькое, а у нормы – большое. Просто некоторые карлики выросли так, что у них получилось гораздо больше листьев, чем у нормы. Именно этот признак – длина междоузлия - является здесь альтернативным признаком, в то время как рост растения очень редко ведет себя как настоящий альтернативный признак. Есть еще один условно выделяемый класс признаков, о котором нужно иметь четкое представление. Возьмем такой признак, как количество отростков на рогах марала. Самые мелкие рога неветвистые. В максимальном случае имеем на оба рога 10 отростков. Мы не испытаем затруднений в отнесении того или иного рога к классу с определенным числом отростков и на этом основании можем подумать, что это качественный признак. Но качество соотносится с целым числом, и чисто классов, как и ряд целых чисел, неограниченно (никто не может поручиться, что нам рано или поздно не попадется марал с 11 или более отростками). Такие признаки называются счетными. На самом деле здесь имеется простая закономерность чем больше рог, тем больше на нем отростков; для того чтобы отросток добавился, зачатку рога нужно набрать некоторый критический прирост массы. Так что счетное количество отростков – просто мера величины рога. В случае числа ячеек на крыле стрекозы это становится еще более очевидно. Такую же меру мы получаем при измерении, когда останавливаемся на какой-то его точности (столько-то метров, или сантиметров, или миллиметров). Представьте, если мы считаем не отростки рогов оленя, а волоски на его голове. Фактически имеем различные меры размера головы, но с разным шагом (округлением). Наконец, часто выделяют третий большой класс признаков – ранговые признаки. Речь идет о тех случаях, когда мы можем ранжировать объекты по принципу «больше» / «меньше» («лучше» / «хуже»), но не имеем прямой возможности выразить это качество превосходства одних над другими численно. Ситуации, в которых возникают ранговые признаки довольно многообразны. На плацу мы можем легко построить солдат по росту, не измеряя их роста, там же по погонам мы легко распознаем воинские звания, заведомо зная в каком порядке они ранжированы относительно друг друга. В некоторых случаях мы вынуждены субъективно оценивать некие сложные интегральные параметры, например, «силу» индивидуальных растений, классифицируя их на «сильных», «средних» и «слабых». Любопытно, что коль скоро мы имеем ранги, мы уже имеем грубое численное измерение признака, пусть очень приблизительное или субъективное. Так, ранги, будучи порядковыми номерами, сами по себе суть целые числа. И с ними уже можно оперировать как с измеряемыми признаками. При всей условности такого «измерения», разработаны математические методы, позволяющие получать на их основе весьма надежные выводы. Как показывает пример с горохом, один и тот же признак может быть и количественным, и качественным. Любое различаемое нами качество всегда можно как-то измерить (даже принадлежность к мужскому и женскому полу можно измерить как соотношение определенных гормонов). Выбор как оперировать с признаком – как со значением численного параметра или как с индикатором принадлежности к классу - диктуется особенностями конкретной задачи. В случае бимодального распределения бывает полезно разбить все особи на два класса хотя бы в первом приближении, даже если два горба сливаются и мы не можем однозначно классифицировать особей, попадающих между ними, кроме формального введения порогового значения. И качественные, и количественные признаки могут в той или иной мере наследоваться, а стало быть, попадают в поле зрения генетики. Для анализа количественных и качественных признаков генетика пользуется разными математическими моделями, которые обычно оправдываются, с точностью до небольших естественных несоответствий реальности и идеальной модели. Наследование качественных признаков описывается проще и точнее (именно с ними и работал Мендель), с него мы и начнем. Но сначала еще немного терминологии. Два не менее широких понятия, чем признак, без которых, однако, не обойтись, – генотип и фенотип. Фенотип – это все то, что касается признаков рассматриваемых организмов, генотип – это все то, что касается их генов. Вы понимаете, что это безбрежные понятия – признаков может быть бесконечное количество, а генов существует десятки тысяч. Причем большинство признаков никто не регистрирует, а подавляющую часть генов никто не знает. Но фенотип и генотип – это рабочие понятия, содержание которых в каждом случае диктуется конкретным генетическим экспериментом. Генетический эксперимент состоит обычно в том, что кого-то с кем-то скрещивают, часто на протяжении многих поколений, и следят за признаками потомства, которое может в соответствии с этими признаками отбираться, скрещиваться и т. д. Или берут из природы выборку особей, регистрируют их признаки, выясняют, какими аллелями представлены некоторые гены, наблюдают за динамикой их частот. В каждом случае мы следим за немногими, строго определенными признаками и за немногими генами. И когда мы говорим о фенотипе, мы в данном случае имеем в виду значения или состояния именно этих признаков, а когда о генотипе, то набор аллелей именно этих генов. Различать фенотип и генотип необходимо, поскольку зависимость первого от второго есть, но, как мы увидим, не самая прямая. В выяснении этой зависимости во многом и состоит генетика. И только если в качестве признака фигурирует сама последовательность ДНК, то в этом эксперименте фенотип, наконец, совпадает с генотипом. Перейдем к понятию, которое может показаться для генетики центральным, но которое оказалось слишком для этого расплывчатым. Скажите, что такое ген? На самом деле это понятие, которому сильно не повезло, так что сейчас оно имеет несколько значений. В классической генетике ген – это наследуемый фактор, влияющий на признаки организма. Некогда он рассматривался как далее неделимая единица наследственности. Однако еще до открытия структуры ДНК выяснилось, что многие классические гены представляют собой участки ДНК, кодирующие некий белок, к примеру фермент, который и определяет наследуемый признак. Это было огромным прорывом в науке, и на этой волне первоначально показалось, что все гены классической генетики именно таковы. Возникла формула: «Один ген – одна полипептидная цепь». После выяаления структуры и роли ДНК, геном стали называть участок ДНК, кодирующий полипептидную цепь. Однако со временем обнаружилось, что рядом с ней всегда имеются регуляторные последовательности ДНК, которые ничего не кодируют сами, но влияют на включение-выключение и интенсивность транскрипции этого гена. Это промотор – место посадки РНК-полимеразы, операторы – места посадки регуляторных белков, а также энхансеры – также места посадки регуляторных белков, способствующих транскрипции, но находящиеся на некотором, иногда значительном, удалении от кодирующей последовательности. Иногда они располагаются за сотни и тысячи нуклеотидов (а по масштабам хромосомы это не так и много), но все равно функционируют как цис-факторы (т. е. находящиеся в той же хромосоме), оказываясь неподалеку за счет определенной укладки ДНК в хромосоме. Все это хозяйство стали рассматривать как принадлежности гена, который что-то кодирует. Таким образом, в молекулярной генетике эукариот ген – это кодирующий участок ДНК вместе с прилежащими участками ДНК, влияющими на его транскрипцию. (У прокариот, как вы помните, широко распространена оперонная организация генов, когда последовательности, кодирующие несколько полипептидных цепей, имеют общую регуляцию и считываются в составе единой мРНК. Это не позволяет пользоваться для них вышеприведенным определением.) Заметьте, в молекуляно-биологическом понимании ген получился подразделенным на части – экзоны, интроны, операторы, энхансеры, в конце концов – отдельные нуклеотиды. А регуляторная последовательность ДНК, взятая как таковая, лишилась права называться геном, так как сама ничего не кодирует. Но за счет влияния на транскрипцию гена эта последовательность может влиять и на какой-то признак (т. е. на фенотип), который будет наследоваться вместе с этой последовательностью. А сама она может быть отделена рекомбинацией от кодирующей последовательности, при этом индивидуальные варианты регуляторной последовательности и индивидуальные варианты кодирующей последовательности, представленные в каждом гомологе, поменяются местами. Иначе говоря, регуляторная последовательность – это тоже отдельный наследственный фактор, занимающий строго определенное место на хромосоме. Некоторые регуляторные последовательности наподобие энхансеров могут влиять на несколько генов сразу, т. е. занимать свое определенное место в регуляторной сети управления развитием и функционированием организма. Налицо все признаки гена в понимании классической генетики. Это противоречие между классическим и молекулярно-биологическим понятием гена, возникшее в тот момент, когда казалось, что все классические гены – это транскрибируемые участки ДНК, кодирующие белок или РНК, не преодолено до сих пор, что, впрочем, не особенно важно, так как слово «ген» давно не употребляется как строгий термин. В связи с бурным развитием молекулярной биологии побеждает молекулярно-биологическое: ген – это транскрибируемый участок ДНК вместе со своими регуляторными последовательностями ДНК. Однако классическое понятие, что ген – это просто наследственный фактор, вне зависимости от того, как он функционирует, чем является и из чего состоит, было исторически первым, продержалось более полувека и оказалось исключительно плодотворным. Воздержимся от категорического суждения, которое из них «правильнее». Вам необходимо быть в курсе этого противоречия и учиться понимать, о чем идет речь, из контекста. Наша задача сейчас состоит в том, чтобы изложить основы классической генетики. Поэтому мы пока воспоьлзуемся классическое понимание термина «ген» и будем полагать его как неделимую единицу – если у последовательности ДНК, кодирующей полипептидную цепь, изменить один нуклеотид, то пусть эта последовательность станет уже другим, отличающимся геном. Разные варианты одного и того же гена будем обозначать термином аллель. Понятие «аллель» появилось тогда, когда о структуре ДНК ничего не знали, и оно было введено именно как альтернативный вариант гена. Это понятие особенно важно для диплоидных организмов, которые получают одинаковый набор генов от отца и матери и как следствие каждый из них присутствует в геноме в двух копиях, которые могут быть идентичными или различаться, но не до такой степени, чтобы нельзя было сказать, что это «один и тот же ген». Эти две копии и были названы аллелями. Первоначально термин «аллели» был введен для обозначения вариантов гена, ответственного за определенный признак, которые связаны с состоянием этого признака. Однако выяснилось, что на один и тот же признак могут одинаковым образом влиять независимые друг от друга гены. Это поднимает проблему различения аллелей одного и того же либо разных генов. К счастью, еще раньше выяснилось, что гены расположены в строго определенной последовательности в линейных структурах - как оказалось, в хромосомах – так что каждый ген занимает строго определенное место на одной из хромосом. Поэтому каждый ген можно было идентифицировать не только по влиянию на признак, но и по его месту на определенной хромосоме. Получается, что каждое место на хромосоме, ответственное за какой-то признак – локус – занято одним из аллелей – индивидуальных вариантов гена. Диплоидное ядро содержит по два аллеля каждого локуса, полученных от матери b отца, разных или одинаковых. Локус можно определить как позицию на хромосоме, занимаемую определенным наследственным фактором, а аллель – как вариант наследственного фактора, расположенного в определенном локусе. Получилось, что от слова «ген» в классической генетике можно вообще отказаться. Есть локус – место на хромосоме, которое всегда занято одним из аллелей. Отношение между локусом и аллелем такое же, как отношение между переменной и ее значением. При этом в соответствии с классическим определением и аллель – это ген (как родовое понятие), и локус – это ген (как индивидуальное понятие). В практике генетики тем не менее устоялась не очень жесткая традиция употреблять слово «ген» как синоним слову «локус», и такие примеры будут встречаться и в нашем тексте. Но есть ситуации, когда слова «ген» избежать трудно. К примеру, обработали горох с красными цветами химическим мутагеном и получили горох с белыми цветами. Признак наследуется как кодируемый одним локусом. Причем горох с белыми цветами уже известен ранее и этот признак определялся аллелем хорошо известного гена. Спрашивается, что мы получили - тот же аллель того же локуса или аллель нового локуса? Или другой (на уровне ДНК) аллель того же локуса, который, однако, также приводит к белым цветам? Пока это не установлено, приходится говорить: «Получили ген белоцветковости». Очень важные понятия – гомозигота и гетерозигота. Как вы помните, у каждого диплоидного организма каждая хромосома представлена в двух экземплярах – гомологах, полученных от отца и матери соответственно. Каждый из гомологов имеет один и тот же набор локусов, и в каждом из гомологов каждый локус занят каким-то аллелем. Значит, каждый диплоидный организм несет два аллеля каждого локуса. Если в обоих гомологах локус представлен идентичными аллелями, то говорят, что особь гомозиготна по этому аллелю, или по этому локусу. Причем, когда говорят, что гомозиготна по локусу, упор делается на то, что в обоих гомологах нет различий по нему, когда же говорят, что гомозиготна по аллелю, упор делается на то, по какому именно аллелю. Если в обоих гомологах локус представлен разными аллелями, то особь гетерозиготна по данному локусу. Для простоты гомозиготную и гетерозиготную особь называют соответственно гомозиготой и гетерозиготой. Вооружимся тем, что мы уже все знаем про гены и хромосомы и этим отличаемся от Менделя. Возьмем в качестве объекта тот же горох. В цветах гороха есть пигмент – антоциан, который окрашивает их в пурпурный цвет. Если какой-то из белков, участвующих в биохимической цепочке синтеза антоциана, дефектен или его нет, антоциан не синтезируется и цветы остаются белыми. Допустим, в некоей хромосоме есть локус, обозначим его а, в котором находится последовательность ДНК, которая кодирует один из таких белков. Чаще говорят менее строго, но проще – в некоей хромосоме есть ген а, который кодирует один из таких белков (такой ген с таким обозначением у гороха есть и находится в первой хромосоме). Пусть у этого гена есть два аллеля. Аллель А кодирует нормальный функциональный фермент. Аллель а не кодирует функционального фермента. Зададимся вопросом, не свойственным классической генетике, но находящимс всецело в сфере интересов генетики молкулярной: а почему он, собственно, этого не делает? Ваши версии! Наверное, там последовательность нуклеотидов «неправильная». (Помните Винни-Пуха: «Наверное, это неправильные пчелы. И они, наверное, делают неправильный мед».) Здесь на сцену выходит известный всем термин мутация. В настоящее время так называют любое одномоментное изменение гена – от замены одного нуклеотида на другой до выпадения больших участков хромосом. Пусть у нас произошла так называемая точковая мутация и один нуклеотид заменился на какой-то другой. К чему приводит точковая мутация? Не всякая замена нуклеотида приводит к изменениям в кодируемом белке. Вспомните генетический код: кодоны, различающиеся нуклеотидами в третьей позиции, часто кодируют те же самые аминокислоты. А иногда – и по второй тоже. Но даже если аминокислота изменилась, это может произойти в какой-то не очень важной части белка. Там, например, где важна только его длина. Или аминокислота может быть заменена на другую, но со сходными свойствами. Лейцин на изолейцин, например, обе неполярные, с радикалом в виде насыщенного трехатомного углеводорода. Но точковая мутация может затронуть и важную аминокислоту. К примеру, аминокислота активного центра того фермента заменена на другую. Фермент не будет работать. Или цистеин где-то заменен на другую аминокислоту, в результате чего в нужном месте не возникает S–S-мостика и укладка белка нарушается. Что будет, если один нуклеотид в соответствующем гене просто выпадет? Вспоминаем свойства генетического кода – смежность и отсутствие знаков препинания. С этого места границы между триплетами сдвигаются на одну позицию. Но ни РНК-полимераза, ни рибосома ничего такого не знают и продолжают траснкрибировать и транслировать этот ген как ни в чем не бывало. В результате вместо осмысленных триплетов, которые кодировали нужные аминокислоты, триплеты, которые пойдут с места выпадения нуклеотидов, окажутся кодирующими совсем не те аминокислоты. Фактически с этого места белок будет иметь случайную первичную структуру. И рано или поздно вообще оборвется, когда среди новых триплетов случайно возникнет стоп-кодон. Такую мутацию называют сдвигом рамки считывания. («Рамка считывания» – образное понятие: в процессе транскрипции тРНК как бы последовательно прикладывают рамку длиной в три нуклеотида, чтобы «прочесть» триплеты.) А если выпадет не один нуклеотид, а много? А если вообще весь ген возьмет и выпадет? И такое тоже не редкость. Выпадения участков ДНК – это тоже разновидность мутации, называемая делецией. Наконец, внутрь гена может встроиться огромный кусок ДНК. Это называется инсерцией. Понятно, что нормальный белок после этого с такого гена не получишь. Причем это, как правило, бывает не простой кусок ДНК, а мобильный генетический элемент – особая последовательность, способная перемещаться по хромосомам – выстригаться и встраиваться в случайное место на молекуле ДНК. Причем она сама кодирует ферменты, необходимые для своего перемещения. По сути, это – внутригеномный паразит, паразитическая последовательность ДНК, которая не выполняет никаких полезных функций и существует только потому, что имеет механизмы собственного поддержания и размножения. В качестве определенной информации, направленной на собственное распространение, они полностью аналогичны компьютерным вирусам, и природа «написала» их на заре возникновения эукариот, тогда как компьютерные вирусы были написаны едва ли не перед самым их исчезновением... В хромосомах любых эукариот мобильных элементов имеется много разных типов и невероятное количество копий каждого. Причем в основном это сломанные копии, у которых не работают гены, ответственные за перемещение, или нарушена последовательность по краям, которая опознается ими при выстригании и встройке. Таких копий во много раз больше, чем целых, способных перемещаться. Все они находятся на разных стадиях «разложения», то есть превращения в случайную последовательность ДНК за счет случайных же мутаций, которые, естественно, никак не влияют на организм, так как происходят в бессмысленных последовательностях. В сумме у человека около 46% всей ДНК приходится именно на дефектные мобильные элементы, у мыши – чуть больше трети, у кукурузы – до 80%. Все мы, эукариоты, выглядим как довольно совершенные существа, однако наш геном, в котором записаны наши чертежи и который, казалось бы, должен представлять нашу святую святых, на самом деле является полем битвы, усеянным разлагающимися трупами геномных паразитов, среди которых лишь кое-где ютится что-то осмысленное и «живое». И эту ситуацию не только невозможно исправить, но и нельзя исправлять, поскольку вся работа генетической машины в течение сотен миллионов лет уже рассчитана на нее. Те самые гены, благодаря слаженной работе которых возникают удивительные по красоте и сложности живые существа, по сути живут на помойке и давно неспособны жить в других условиях. Вышесказанное может ужасать, но такова наша истинная природа. Для организма эти геномные паразиты значат две вещи – дополнительные затраты на воспроизводство ненужной ДНК (но эти затраты невелики, так что в хромосомах эукариот, как правило, гораздо больше – до 80 % – ненужной ДНК, чем нужной – ее даже называют «мусорной ДНК») и источник мутаций. Каждый из нас несет в среднем по одной новой мутации и многие из них связаны с мобильными генетическими элементами. (Кстати, если они встраиваются в регуляторную область гена, то последствия могут быть любые – не только его поломка, но может быть даже интенсификация функции гена.) Это в целом плохо, но в редких случаях может быть и очень хорошо (как и любая мутация). Мобильные элементы и прочие геномные паразиты – отдельная огромная тема, на которую у нас нет времени. Но если мы повторим, что они подобны компьютерным вирусам, однако специальных антивирусных программ эволюция не выработала, то можно считать, что тема геномных паразитов в целом раскрыта. Наше отступление касалось того, откуда могут взяться нерабочие аллели гена. Как видите, возможных причин множество и все они являются предметом рассмотрения молекулярной генетики. Для классической генетики причины не важны, а важно, что аллель просто не работает. Для таких простых случаев, как рассматриваемый, когда есть аллель работающий и аллель неработающий, в классической генетике есть еще одна удобная терминология. Нормальный аллель называется диким типом, иногда обозначаемым символом «+»; в нашем случае его можно было бы обозначить не A, а – а+. На примере с горохом этот термин вдвойне правилен. Горох – растение и культурное, и дикое (представители того же вида продолжают существовать в диком виде). И у всех диких горохов цветы красные, а у культурных есть и красные, и белые, но у сортов европейской селекции преобладают белые. Для аллеля, не способного образовать функциональный белковый продукт, часто применяется термин нуль-аллель. Бывают случаи, когда понятия «дикий тип» или «нуль-аллель» неприменимы. К примеру, у двуточечной божьей коровки есть две формы – красная в черную крапинку и черная в красную. (Кстати, это один из классических объектов генетики популяций.) Обе представлены в Европейской части России, ни одна не лучше другой (у нас в Новосибирске, правда, встречается только вторая). Ни одну из них нельзя назвать диким типом в противовес другой. Вернемся к гороху. Возьмем две гомозиготы по интересующему нас гену: т. е. два растения гороха, у одного из которых локус а в обоих гомологах соответствующей хромосомы представлен нормальным аллелем А (дикий тип), а у другого – сломанным аллелем а (нуль-аллель). Охарактеризуем и запишем генотип этих растений. В отношении нашего локуса это делается следующим образом: генотип первого растения – АА, второго – аа (здесь подряд записаны символы аллелей данного локуса, находящиеся в двух гомологах, которые в нашем случае совпадают). Охарактеризуем фенотип. У первого растения цветы красные, у второго – белые. Это все, что нам в данном случае нужно знать о фенотипе, и все, что о нем известно. Запишем фенотип, как в первом случае, – А, во втором – а. Одна буква для одного признака. Принято генотип записывать курсивом, фенотип – обычным шрифтом. Скрестим эти два растения. Пусть мы используем растение с генотипом АА как материнское, т. е. на его пестик наносим пыльцу отцовского растения с генотипом аа. Что такое скрещивание? Это объединение гамет – яйцеклетки, порожденной одним родителем, со спермием от другого родителя. Оба родителя диплоидны и гомозиготны в отношении гена a. Гаметы гаплоидны и каждая несет по одному из гомологов каждой хромосомы, полученной от их родителей. Оба гомолога одного растения имеют аллель А, значит, любая гамета будет нести его же. Аналогично, любая гамета второго растения несет аллель а. У нас нет никакого выбора – все яйцеклетки первого растения имеют генотип А (только одна буква, так как только один гомолог), а все спермии второго растения – генотип а. Из зиготы образуется семя, из семени вырастает растение. Этот новый индивидуум, получившийся от скрещивания, от зиготы до растения, называется гибридом первого поколения (принято говорить – гибрид F1). Каков будет генотип этих гибридов? Нетрудно догадаться, что все они будут одинаковы и что у них один гомолог будет нести аллель А, а второй – аллель а. Соответственно они имеют генотип Аа, т. е. гетерозиготны. А какой фенотип? До этого места мы пользовались нашими знаниями о том, что такое ген, как он работает и как происходит распределение аллелей между гаметами в мейозе. Однако общего логического решения наш вопрос логического не имеет. Чтобы что-то предсказать, мы должны знать механизм реализации наследственной информации в фенотипе (в целом это - центральная проблема всей биологии) в нашем случае одновременном присутствии аллелей А и а. Именно неоднозначность фенотипа гетерозиготы в общем случае составляет значительную часть сложности классической генетики. Вместо того, чтобы пытаться предсказать, гораздо проще узнать это из эксперимента. Но поскольку мы с вами заранее договорились, что ген кодирует фермент, участвующий в биосинтезе пигмента антоциана, вы можете сделать предположение. Попробуйте! Дело в том, что фермент – это катализатор, т. е. вещество, ускоряющее реакцию и в ее процессе не расходующееся. Количество катализатора влияет на скорость протекания реакции. Но если эта скорость не имеет критического значения, то есть не лимитирует весь процесс в целом, то реакция будет идти, пока не израсходуется продукт. Другими словами, если у гомозиготного растения фермент синтезировался за счет транскрипции одновременно с обоих копий аллеля А, имеющихся в двух гомологах, то у гетерозиготы он будет синтезироваться за счет транскрипции только одного аллеля А. Если с соответствующей мРНК может считаться определенное количество белкового продукта – фермента (а так обычно и есть), то можно ожидать, что гетерозигота АА будет иметь вполовину меньше фермента, чем гомозигота Аа. Однако разница в два раза обычно не так уж существенна с точки зрения химической кинетики. И можно ожидать, что уменьшенное вдвое количество фермента никак не отразится на полноте протекания катализируемой им реакции – все молекулы субстрата превратятся в молекулы продукта. В таких случаях говорят, что процесс идет по принципу «все или ничего». Есть сколько-то фермента – реакция прошла до конца, нет – не прошла вообще. В этом состоит помехоустойчивость диплоидной фазы. Согласно этой логике, какого цвета будут цветы у гетерозиготы Аа? Красные. У гороха все именно так и есть! Это явление называется доминированием. Говорят, что аллель А доминантный, аллель а – рецессивный (это антоним слову доминантный). У большинства организмов (но не у дрозофилы) принято доминантный аллель обозначать прописной буквой, рецессивный – строчной. Эта терминология хороша для системы из двух аллелей. Бывают более сложные ситуации, когда имеется несколько аллелей и один и тот же аллель может быть доминантным по отношению к одному, но рецессивным по отношению к другому. Но много генов подобны рассматриваемому примеру – кодируют фермент и имеют два основных аллеля – дикий тип и нуль-аллель. И дикий тип всегда доминантен по отношению к нуль-аллелю. Поскольку о локусах генетики узнают не раньше того, как обнаруживают их мутантный аллель, сложилась традиция обозначать локусы так же, как и первый найденный мутантный аллель. Большинство мутантных аллелей рецессивны, поэтому большинство локусов обозначаются с маленькой буквы. Но вот другое растение – львиный зев. У него тоже бывают красные и белые цветы. И вот при скрещивании красноцветкового растения и белоцветкового образуются гибриды F1, у которых цветы розовые. Выясняется, что растения с красными цветами гомозиготны по некоему аллелю (обозначим его опять-таки А) и соответственно имеют генотип АА. Растения с белыми цветами – гомозиготны по другому аллелю, а, т. е. имеют генотип аа. А гетерозиготы Аа имеют промежуточный цвет цветков – розовый. В этом случае говорят о неполном доминировании. Поэтому большая и маленькая здесь написаны условно, они не имеют отношения к доминантности-рецессивности. Очевидно, что механизм неполного доминирования должен быть какой-то другой, чем закон «все или ничего». Мы видим, что количество красного пигмента фактически пропорционально количеству аллеля А: два аллеля – цветок красный, один аллель – розовый, ни одного – белый. Значит, в данном случае имеет значение количество производимой мРНК и транслируемого с нее белкового продукта. Такое бывает, когда рассматриваемый ген – регуляторный, и производит не фермент, а какой-то регуляторный белок, связывающийся с регуляторным участком какого-то гена. Обычно таких белков синтезируется всего несколько молекул и не в каждой клетке им удается связаться с соответствующим участком ДНК. Людей по их профессии можно условно разделить на рабочих и чиновников. Первые ежедневно вынуждены производить большие объемы продукции, вторые за день оформляют всего несколько документов, которые кому-то что-то предписывают. Среди генов в первом приближении все так же (только генетический чиновник обычно умеет выпускать только один какой-нибудь документ). Одни производят в достаточных количествах белки, нужные в клетке или за ее пределами, а вторые участвуют в управлении другими генами, производя совсем немного регуляторных белков, на них влияющих. Если молекул в 2 раза больше, то с вероятностью в 2 раза выше и/или во в 2 раза большем числе клеток какой-то ген включится и произведет, допустим, какой-нибудь фермент. Кстати, природа реального гена а у гороха пока не известна. Есть косвенные данные, что он тоже не кодирует фермент, а является регуляторным. Жесткой границей между доминированием и кодоминированием не существует. Если мы будем измерять количество пигмента у множества цветков, или какой-то другой признак у множества особей, то получим опять-таки распределение величин, которое вряд ли окажется одинаковым у разных генотипов. Однако распределение гетерозигот может: - существенно перекрываться с распределением одной из гомозигот – тогда мы будем говорить о доминировании, - не перекрываться с распределением обеих гомозигот – тогда мы будем говорить о неполном доминировании - незначительно перекрываться с распределением одной из гомозигот – тогда мы не сможем говорить ни о доминировании как таковом, ни о четком неполном доминировании, и таких признаков достаточно много. Так или иначе, фенотип гетерозиготы тем более отличается от фенотипов обоих гомозигот, чем более лимитирующим оказывается количество белкового продукта данного гена в каком-то каскаде биохимических реакций. И наоборот, в той мере, в которой это количество не лимитирует процесс, фенотип гетерозиготы будет приближаться к фенотипу гомозиготы по аллелю дикого типа. Если количество продукта его вообще не лимитирует (как в случае многих ферментов), признак будет развиваться по принципу «все или ничего», то есть мы будет наблюдать доминирование. Возьмем пример, где точно задействованы ферменты – группы крови человека. Есть четыре группы крови. Они определяются тремя аллелями одного гена, обозначаемые 0, А и В; 0 – это нуль-аллель. У гомозигот 00 эритроциты несут на поверхности некий гликопротеид, который, в свою очередь, несет некий гетероолигосахарид, состоящий из четырех мономеров. Аллели А и В кодируют функциональные (работающие) варианты определенного фермента, который пришивает к нему еще один моносахарид, но только аллель А кодирует вариант, который пришивает N-ацетилгалактозамин, а аллель В – вариант, который пришивает галактозу. Присутствие одного из этих ферментов приводит к модификации всех имеющихся олигосахаридов в соответствии с типом фермента. Если присутствуют оба, индивидуальные молекулы олигосахаридов будут модифицированы одним из этих двух способов, а на поверхности эритроцитов появятся олигосахариды и А, и В. Таким образом, мы имеем четыре фенотипа: 0, А, В и АВ. Это и есть четыре группы крови – первая, вторая, третья и четвертая. Давайте запишем все возможные для трех аллелей генотипы людей (а люди диплоидны) и посмотрим, какие им соответствуют фенотипы. Число различных генотипов равно числу сочетаний из трех по два, т. е. шесть: 00; 0А; 0В; АА; ВВ; АВ (порядок букв не важен, так как речь идет всего лишь о наличии соответствущего аллеля в ядре). Теперь вычислим, какие им соответствуют фенотипы. Генотип Фенотип 00 0 0А А 0В В АА А ВВ В АВ АВ В данном случае аллель А доминантен по отношению к аллелю 0, аллель В тоже доминантен по отношению к аллелю 0, а аллели А и В по отношению друг к другу кодоминантны, т. е. проявляются совместно. Раньше, когда работали в основном с внешними признаками, случаи кодоминирования попадались довольно редко. Но когда стала развиваться биохимическая генетика, там это оказалось одним из самых частых случаев. Дело в том, что макромолекулы (белки, куски ДНК) обычно анализируют в электрофорезе. Молекулы растворяют в водных растворах с такими условиями, где она приобретает заряд (а многие белки и ДНК его имеет в «нормальных условиях») и заставляют двигаться через гель под действием электрического поля. Гель – это, грубо говоря, желе (а слово – одно и то же, просто в немецком и французском вариантах, один принят в науке, другой – в кулинарии), сетка макромолекул в жидкости. К примеру, ДНК анализируют в агарозе – геле из полисахарида из красных водорослей, который использовался в качестве желе в дальневосточных странах. Под действием постоянного электрического поля молекулы вынуждены протискиваться сквозь нити сетки и скорость их продвижения в электрическом поле зависит от параметров сетки заряда и формы молекул. В результате все однотипные молекулы движутся с одной скоростью и образуют на геле мигрирующую полоску. А молекулы другого типа – другую полоску, мигрирующую с другой скоростью. У нас есть два аллельных варианта белка, если разогнать в электрофорезе препарат из гомозиготы, мы увидим одну полоску определенной подвижности, а если из гетерозиготы, то две, подвижность которых соответствует одной и другой гомозиготе. Это – типичный случай кодоминирования. Лекция 13. ГЕНЕТИКА 2. ГЕНЕТИЧЕСКОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ Из предыдущей лекции мы узнали о том, какие бывают гетерозиготы и почему у них такие признаки. Но, повторяем, генетика – это, по сути, наука о скрещиваниях. Мы мысленно скрестили только две гомозиготы гороха. Теперь будем скрещивать гетерозиготы. Это более увлекательное занятие. То, что при этом получается, изучается в школе, и сейчас перед нами стоит задача не столько пойти дальше и узнать больше, сколько двигаться медленнее, внимательнее разбирая каждый этап. Давайте рассмотрим все на примере растения. (У животных все будет точно так же, только вместо пыльцевых зерен нужно будет говорить о сперматозоидах.) Сначала нам нужно рассмотреть то, какое гетерозиготное растение будет производить гаметы. Гаметы образуются в результате мейоза. Вспомним мужской мейоз растения. В результате этого процесса образуются четыре гаплоидные клетки (составляющие тетраду), которые потом преобразуются в пыльцевые зерна. В первом делении мейоза гомологичные хромосомы расходятся в два разных ядра или две разные клетки (так называемая стадия диады). Во втором делении мейоза каждая клетка диады делится на две, в которые расходятся сестринские хроматиды каждого гомолога. Мы получаем четыре гаплоидных клетки тетрады, в каждую из которых попадает одна в сумме из четырех хроматид каждой пары гомологичных хромосом, из которых две несут аллель А, а две – аллель а. С точки зрения отдельной тетрады, это истинные соотношения, следующие из механизма мейоза, и их надо понимать буквально, а не в статистическом смысле. Если отклонения и бывают, то в виде непростых аномалий. Вот тетрады распались на пыльцевые зерна, образовалась пыльца, в которой смешались продукты разных тетрад. Сколько там будет пылинок, несущих аллель А, а сколько – аллель а? Правильно, половина тех, половина других, поскольку таково было соотношение в исходных тетрадах. Отклонения возможны только за счет случайных потерь пыльцы. Или неслучайных, если вдруг аллельное состояние гена а или какого-то гена, расположенного поблизости (об этом позже), сказывается на жизнеспособности мужских гаметофитов, т. е. пыльцевых зерен. В случае гена а гороха такого не наблюдается и, вообще, далеко не все гены работают в гаметофите и тем самым способны как-то влиять на его жизнь. Женский мейоз отличается тем, что только из одной клетки тетрады развивается зародышевый мешок и соответственно яйцеклетка (остальные три клетки тетрады – направительные тельца – погибают). Какой она будет нести аллель? Он может быть только какой-то один (яйцеклетка гаплоидна). Либо А, либо а. И в каждом случае – неизвестно какой именно. Поскольку ген а у нас опять-таки никак не влияет на судьбу клетки в женском мейозе (а таково большинство генов), то попадание в клетку аллеля А или а зависит от случая, причем эти события равновероятны. В точности как результат подбрасывания монетки. (Печальный опыт студенческих ответов заставляет оговориться, что доминантность или рецессивность аллелей здесь совершенно не при чем, так как это явление касается только формирования фенотипа и только гетерозиготного организма, а не поведения аллелей в мейозе и при оплодотворении.) Если рассмотреть все яйцеклетки, которые образовала гетерозигота, то каково будет соотношение тех, куда попали аллели А и а? Правильно, опять 1:1. Но, заметьте, это уже соотношение не строгое, а статистическое, поскольку в каждом мейозе выживает только одна клетка из четырех, причем попадание в нее того или иного аллеля нашего гена – дело случая. Если у нас N яйцеклеток, то соотношение аллелей A и а будет в точности такое, как и соотношение выпадения орла и решки в N подбрасываний монетки. Количество яйцеклеток с аллелем А (или выпадений орла), равно как и количество яйцеклеток с аллелем а (или выпадений решки), в реальном опыте описывается так называемым биномиальным распределением, которое имеет среднее и максимум 50 % и также имеет колоколообразный вид, как и нормальное распределение. Но в среднем все будет так же, как и в мужском мейозе – в среднем половина яйцеклеток будет нести один аллель, а половина – другой. Но не надо думать, что результаты женского и мужского мейоза чем-то отличаются на практике. Хотя в совокупности всей пыльцы аллели А и а несла строго половина пылинок, в образовании потомства у нас будет участвовать столько же пылинок, сколько и зародышевых мешков. Если яйцеклеток N, то в оплодотворении будет участвовать тоже N пылинок. И эти N пылинок будут представлять собой выборку из всего множества пыльцы, количество пылинок которой будет на много порядков меньше, чем общее количество образовавшейся пыльцы. А каково будет соотношение аллелей в выборке? Правильно – опять 1:1 в среднем. Распределение числа аллелей А (или аллелей а) в выборке из большого количества пылинок, в котором эти аллели представлены в строгом соотношении 1:1, описывается математически несколько другим распределением (гипергеометрическим: мы имеем дело с выборкой без возвращения и изъятие каждой пылинки в принципе влияет на соотношение оставшихся, тогда как каждое подбрасывание монетки никак не влияет на результат других подбрасываний), но на практике оно очень мало отличается от биномиального распределения. Стало быть, мы имеем совершенно тот же результат, что и в женском мейозе: в среднем около половины пылинок, участвующих в опылении, будет нести аллель А, остальные – аллель а, но от этого соотношения возможны случайные отклонения. Наконец спермии, находящиеся в прорастающих пылинках, сливаются с яйцеклетками в зародышевых мешках. Образуются зиготы, семена, вырастают растения. Какие они будут иметь генотипы и фенотипы и сколько каждого? Интуитивно понятно, что поскольку у нас в обоих случаях появляется выбор гаметофитов, то получается и некоторое разнообразие вариантов зигот. Поскольку мы договорились, что наш ген на мейоз и жизнеспособность гаметофитов не влияет, то выбор, по всей видимости, случаен. Однако случайность – это не полный хаос; любая случайность несет в себе довольно закономерностей, которые рассматривает такая наука, как теория вероятности. Так что мы можем сказать о результатах этого случайного выбора? Нужно рассмотреть различные варианты образования одной зиготы и оценить их вероятности. Это как раз та ситуация, для которой создана теория вероятности. Вероятность – это величина, измеряемая в долях от единицы, к которой тяготеют частотные соотношения экспериментально наблюдаемых событий разного типа – экспериментальные частоты. Здесь событие может означать что угодно, лишь бы его можно было четко зарегистрировать, – принадлежность объекта к тому или иному классу, наблюдение, событие в бытовом понимании и т. п. Вероятность соответствует той пропорции, в которой эти события будут происходить среди всего множества возможных событий в среднем. Причем чем больше событий мы пронаблюдаем, тем ближе наблюдаемые в опыте численные соотношения событий – экспериментальные частоты – будут соответствовать теоретически рассчитанным вероятностям. Эта закономерность имеет нестрогое название закон больших чисел. Вероятности всех возможных в той или иной ситуации альтернативных событий (которые образуют то, что в теории вероятности называется полной группой событий) в сумме должны равняться еднице – это входит в определение вероятности как численного параметра. Чтобы вычислить вероятность того, что зигота окажется принадлежащей к тому или иному классу, нам нужно начертить таблицу – это одно из любимых занятий генетиков. Как мы увидели, каждый гетерозиготный родитель производит гаметы двух типов: A и a. Вычислим вероятности того, что отдельно взятая гамета окажется принадлежащий к одному из этих двух классов. Они обозначаются P(A) и P(a). Как мы уже усвоили, эти вероятности равны. Вероятности всех возможных в той или иной ситуации исходов (полная группа событий) в сумме должны равняться еднице. А исхода у нас два – A и a. Значит, мы имеем систему двух простейших линейных уравнений: P(A) = P(a), P(A) + P(a) = 1. Отсюда получаем P(A) = P(a) = 1/2. Естественно, все эти процедуры проделываются мгновенно в уме. Они расписаны для того, чтобы показать основы того, как вычисляют вероятности. При оплодотворении спермий сливается с яйцеклеткой. Тех и других у нас есть два типа, вернее – два генотипа. Сколько возможно вариантов зигот? Начертим таблицу, где слева по вертикали записаны генотипы яйцеклеток, сверху по горизонтали – генотипы спермиев, на пересечении соответствующих строк и колонок – все получившиеся типы зигот. Спермии Яйцеклетки А А а АА Аа а аА аа Нам очень повезло, что мы диплоидны и у нас соответственно два пола. Будь пола три, а клетки – триплоидны, таблице пришлось бы быть трехмерной. Рассчитаем вероятности четырех вариантов зигот. Для этого обратим внимание, что принадлежность зиготы к тому или иному классу есть сложное событие, состоящие каждое из двух событий, что яйцеклетка принадлежала к определенному классу, и что спермий принадлежал к определенному классу. Это в явной форме видно из таблицы. Вероятности сложных событий вычисляются путем перемножения вероятности составляющих их событий. Проделаем. Спермии Яйцеклетки А Вероятность =1/2 a Вероятность = 1/2 А Вероятность = 1/2 АА Вероятность = 1/4 Аа Вероятность =1/4 a Вероятность = 1/2 aА Вероятность =1/4 aа Вероятность = 1/4 Обратите внимание, если вероятности всех возможных исходов (в нашем случае – генотипов одной зиготы) сложить, то получается 1. И это говорит о том, что мы проделали все правильно, рассмотрели всю полную группу событий, не потеряли никаких возможных исходов, не сделали ошибок в расчетах. Тут их практически и негде было сделать, но в более сложных случаях всегда полезно просуммировать вероятности по полной группе событий и проверить, получается ли единица. Итак, после встречи гамет двух генотипов мы получили зиготы. Скольких генотипов? Хочется ответить, что четырех. Но если подумать, то генотипы Aa и aA неразличимы. Хромосомы в ядре не располагаются слева материнская, справа – отцовская. Они там находятся как попало. Так что же нам нужно сделать? Объединить эти два события в одно, не забыв просуммировать их вероятности. Соответственно, мы получим три генотипа зигот: АА, Аа и аа с вероятностями соответственно 1/4, 1/2 и 1/4. Еще раз уточним, что же мы проделали. Мы рассчитали вероятность того, что одна отдельно взятая зигота будет иметь тот или иной генотип. При этом мы исходили из вероятностей, с которой тот или иной генотип будет иметь каждая из гамет. Если мы возьмем много гамет и получим много зигот, то мы получим их приблизительно в тех же соотношениях, в которых соотносятся вероятности, расчитанные для одной зиготы. Если эти соотношения выразить в долях от общего количества зигот, то они будут называться экспериментальными частотами. Как и вероятность, эта величина измеряется в долях от единицы, но представляет собой долю реально наблюдаемых объектов того или иного класса среди всех рассматриваемых объектов. Пусть у нас есть N объектов, каждый из которых может относиться к одному из k классов. Обозначим количество объектов, оказавшихся в кажом из классов в некоей реальной ситуации как n1, n2 ... nk (их сумма равна N). Значения этих целочисленных переменных, полученные в реальных опытах, также имеют распределение, описываемое теорией вероятности. Оно зависит от вероятностей попадания объекта в каждый из классов p1, p2, ... pk (их сумма равна 1) и называется мультиномиальным распределением. Наглядной моделью мультиномиального распределения будет количество выпадений одной из граней игральной кости в N подбрасываниях, причем в общем случае грани не обязательно имеют одинакую форму и, соответственно, вероятность выпадения. Если сделать много реальных выборок объемом в N объектов, то среднее значение (более точный термин – матожидание) экспериментальной частоты ni / N некоего класса i будет приближаться к его вероятности pi, а ее дисперсия (сумма квадратов отклонения частоты от своего среднего) будет обратно пропорциональна N. Вам должно быть понятно следующее: исходя из наших знаний о природе мейоза и оплодотворения, среди гибридов второго поколения (F2) ожидается три генотипа – гомозигота по одному аллелю, гетерозигота и гомозигота по другому аллеллю, причем их численные соотношения должны колебаться вокруг отношения 1 : 2 : 1 с точностью до случайных отклонений. Кстати, если в генетической статье встречается, к примеру, такое: получено 401 растение F2 и экспериментально наблюдаемые численности трех генотипов составили 100, 201 и 100, то у вас будут все основания заподозрить, что вас обманывают и цифры подогнаны. Обычно реальные соотношения выглядят примерно как 91, 211, 98 или даже 86, 193, 121. Иногда случайно можно действительно встретить такой точный расклад, как 100, 201 и 100, или 101, 200, 100, или 100, 203, 102. Но такие результыте встречаются очень редко. В целом чем больше рассматриваемая выборка, тем точнее соотношения классов будут приблежаться к теоретически ожидаемым, но тем менее вероятным будет любой конкретный индивидуальный расклад. Рассмотрим сами теоретические соотношения: 1 : 2 : 1. Это соотношения генотипов: одной гомозиготы, гетерозоготы и второй гомозиготы. А фенотипов? Как мы помним, все зависит от того, как выглядит гетерозигота, т. е. от отношений доминантности. При неполном доминировании или кодоминировании мы получим среди гибридов второго поколения три фенотипа в тех же численных соотношениях. В случае доминирования (пусть у нас будут все те же два аллеля – А и а) мы будем иметь два фенотипа – А и а – в соотношениях 3:1 (так как первый из них представлен гетерозиготами и одним из типов гомозигот). Это достаточно знаменитое соотношение. Итак, проследим снова весь наш опыт. Мы имели в качестве родителей двух гомозигот – АА и аа, имеющих фенотипы А и а (красные и белые цветы). Скрестив их, мы получили гибриды первого поколения, все одинаковые – гетерозиготы Аа с фенотипом А. После самоопыления мы получили три генотипа – АА, Аа и аа – в соотношениях, приближающихся к 1 : 2 : 1 и проявляющих те же два фенотипа, что и у родителей, А и а, в соотношении, близком к 3:1. Явление, с которым мы только что ознакомились, называется генетическим расщеплением. За счет расхождения гомологичных хромосом в мейозе у гетерозигот аллели, полученные от отца и от матери, попадают в разные гаметы и затем – в разных сочетаниях в зиготы. При этом потомство гетерозигот неодинаково – оно расщепляется и по генотипу, воспроизводя генотипы своих гетерозиготных родителей и гомозиготных бабушки с дедушкой, и по фенотипу, воспроизводя фенотипы их же. Действительно, пусть это будут не растения, а люди с карими и голубыми глазами. Карие глаза доминантны (в радужке много пигмента меланина), голубые – рецессивны (мало меланина). При браке между человекам «из кареглазой породы» и голубоглазым человеческим существом все дети будут кареглазыми, но гетерозиготными. Если такие гетерозиготные люди вступят в брак друг с другом, в среднем одна четверть их детей будут голубоглазыми. Кареглазого ребенка у голубоглазых родителей быть не может, если это именно его родители. А вот голубоглазый у кареглазых – может, если оба они были гетерозиготами по соответствующему гену (о чем они могут и не подозревать). И если вы в латиноамериканском сериале услышите, что какой-то признак «наследуется через поколение», поэтому кто-то не может на ком-то жениться, чтобы не оставить дефектных детей, вам остается только улыбнуться. Это чудом сохранившийся бытовой предрассудок доменделевских времен, когда был интуитивно обобщен тот факт, что иногда у потомства проявляется признак, которого не было у родителей, но был в их родословной. К примеру, голубоглазый король женился на кареглазой принцессе. У них родился кареглазый принц, который привез из дальних стран кареглазую царевну. У них родился голубоглазый принц. Все думают, что эти голубые глаза – от дедушки короля. Но они могли быть и от бабушки-царицы заморской страны. Все равно через поколение. А могли быть и от отдаленного предка царской фамилии в той стране, где все последующие правители были гетерозиготами. И король с королевой, и царь с царицей, и принц с царевной были кареглазыми, но в каждой паре были гетерозиготы. И вот у них родился голубоглазый ребенок, отнюдь не «через поколение». Но его дальних голубоглазых предков народ не помнит, а вот через поколение – это тот максимум длины родословной, который может пройти перед глазами наблюдательного человека за время его жизни и который могут припомнить старожилы. Когда время жизни наблюдателя совпадает со временем жизни его объекта, трудно проследить правила наследования на достаточную глубину. Вот так предрассудок и сформировался. В реальности были гомозиготы, гетерозиготы и перетасовка двух аллелей у последних. В результате – самые разные варианты родословных, которые все подчинаются строгим математическим правилам – правилам комбинаторики и теории вероятности. В проведенном нами мысленном опыте мы начинали с заведомо гомозиготных родителей и интересовались, какие получатся потомки. Но сплошь и рядом генетике приходится решать обратную задачу – узнавать неизвестный генотип родителей по известному фенотипу потомства. К примеру, если голубоглазый ребенок родится у кареглазых родителей – значит, оба родителя были гетерозиготными. Возвратимся вновь к растениям, так как людей скрещивать не принято. У нас есть горох с красными цветами. Как узнать, он гомозигота или гетерозигота? В случае с горохом это достаточно просто – нужно дать ему самоопылиться и пронаблюдать, будет ли среди его потомков иметь место расщепление по интересующему нас локусу. Любая гетерозигота ничем не отличается от той, которая получена в первом поколении моногибридного скрещивания, поэтому в потомстве любой гетерозиготы мы будем наблюдать расщепление 3 : 1. Потомство же гомозиготы будет тождественно родителю. Кстати, Мендель проделывал такую процедуру, поскольку его интересовали именно генотипические классы (хотя самого термина «генотип» еще не было). Однако этот прием не возможен в случае раздельнополых организмов или обоеполых, но самонесовместимых растений. Зато интересующую нас особь нужно скрестить, и желательно с гомозиготой, чтобы комбинаторика генов того, с кем мы скрещиваем, не путалась под ногами. Если мы скрестим его с гомозиготой АА, что мы получим? Растения с красными цветками, так как эта гомозигота дает гаметы только с аллелем А и каждый ее потомок будет нести как минимум один аллель А и соответственно иметь красные цветы. Совет: скрестите лучше с гомозиготой по рецессивному аллелю, аа. От этого родителя будут исходить только гаметы с аллелем а. Он представляет удобный фон для аллеля, пришедшего от неизвестного родителя. У нас есть всего два варианта генотипа неизвестного родителя с красными цветками – гомозиготный и гетерозиготный, АА и Аа. Что будет в первом случае? Гомозигота дает одинаковые аллели, несущие аллель А. Они встречаются с одинаковыми же аллелями от известного нам родителя, которые несут аллель а.Таким образом, все потомство с генотипом Аа и красными цветами. А во втором, если тестируемый родитель окажется гетерозиготой Аа? Какие гаметы производит геторозигота – мы уже видели. Поровну с аллелем А и а. И вот они встречаются с одинаковыми, с аллелем а, гаметами второго родителя. Что получаем? Поровну зиготы Аа и аа, с красными и белыми цветами. Так что скрещивание с партнером, гомозиготным по рецессивному аллелю, наиболее информативно. Оно называется анализирующим скрещиванием. Именно его лучше всего применять для выяснения генотипа некоторой особи или линии. Анализирующим оно называется потому, что с его помощью легко отличить гомозиготу от гетерозиготы. Если мы хотим узнать генотип в отношении многих локусов, то для скрещивания нам лучше бы иметь такую линию, где все они были бы представлены рецессивными аллелями в гомозиготе. Такие тестерные линии, в которых собраны в гомозиготном состоянии рецессивные аллели многих генов, специально создаются для генетических экспериментов. К примеру, у гороха, дрозофилы, мыши. Мы упомянули о многих генах, но до сих пор рассматривали поведение в скрещиваниях только двух аллелей одного гена (простите, локуса). Рассмотрим поведение хотя бы двух генов (простите, локусов; так слово «ген» машинально употребляют как синоним «локуса»). Возьмем опять же горох, ту же пару аллелей гена (локуса) а, А и а. И еще возьмем ген (локус) le, определяющий нормальный или карликовый стебель растения гороха: аллель Le определяет нормальный стебель, аллель le – карликовый, Le доминирует над le. Возмьмем опять-таки две гомозиготы. Вам не кажется, что в случае двух локусов может быть уже больше двух типов разных гомозигот? Сколько именно? Столько, сколько существует комбинаций разных аллелей разных локусов. У нас в одном локусе два аллеля и во втором локусе два аллеля. С участием этих аллелей гомозигот может быть 2 х 2 = 4. Если у гороха были бы группы крови и мы рассматривали еще и определяющий их ген в качестве третьего локуса, то нам пришлось бы домножить эту величину еще на число его аллелей, т. е. на 3, и получить 12 разных вариантов гомозигот. Но ограничимся нашим случаем – два гена с двумя аллелями каждый. Подчеркнем, что сейчас мы говорим не о том, что получим в опыте, а о том, что возьмем в опыт. Далеко не всегда в распоряжении имеются все возможные варианты и гораздо чаще приходится брать то, что есть. Итак, распишем, какие варианты гомозигот возможны в случае двух локусов, а и le, по упомянутой выше паре аллелей в каждом: AA LeLe, AA lele, aa LeLe и aa lele. Допустим, у нас есть все они. Но нам интересно взять таких родителей, которые различались бы по обоим локусам. Значит, это либо пара AA LeLe и aa lele, либо пара AA lele и aa LeLe. Если мы проведем скрещивание родителей из любой из этих пар, то что мы получим? Гетерозиготу. По каким локусам? По обоим. Каков будет ее генотип? Aa Lele. А фенотип? A Le. А какое мы получим генетическое расщепление в потомстве гибридов F2? Нам нужно бы снова расписать образующиеся гаметы. Для этого вспомним, что в мейозе пара гомологичных хромосом, несущая пару аллелей каждого локуса, расходится к разным полюсам деления и попадает в разные клетки диады. Таким образом, половина (или – в женском мейозе – в среднем половина) гамет несет один аллель, а остальные (т. е. тоже половина) – другой. А у нас тут взято два локуса. Приведенное выше рассуждение по отдельности совершенно справедливо для каждого из них. А какие мы получим генотипы гамет в отношении обоих локусов сразу? Для этого нужно понять, как будут расходиться их аллели в первом делении мейоза. Мы помним – и подчеркнем, что с точки зрения расхождения в разные клетки в мейозе гены представляют собой всего лишь участки молекулы ДНК, а заключенная в них генетическая информация никак на это расхождение не влияет. Для этого хорошо бы знать, в одной хромосоме они находятся или в разных. Допустим, что в разных (в нашем примере конкретных генов гороха так и есть). Мы помним из рассмотрения полового процесса, что в мейозе пары гомологов расходятся независимо друг от друга, т. е. происходит случайная перекомбинация хромосом, полученных от отца и от матери (в чем, собственно, и состоит цель полового процесса). Значит, вероятность сложного события, состоящего в попадании в гамету одного из двух аллелей одного локуса и попадания в нее одного из двух аллелей другого локуса можно получить путем перемножения вероятностей каждого из событий. Чертим таблицу, перемножаем вероятности (в каждой клетке записан и генотип, и рядом – соответствующая ему вероятность): Локус le Локус a Le 1/2 le 1/2 А 1/2 АI 1/4 Аi 1/4 а 1/2 аI 1/4 аi 1/4 Получаем, что все четыре комбинации равновероятны. Рассуждение равно справедливо и для мужского, и для женского мейоза. Реальные частоты гамет четырех классов будут колебаться вокруг этих теоретических вероятностей и подчиняться закону больших чисел. Теперь перейдем к оплодотворению, которое также случайно между гаметами разных классов. Будет удобно начертить таблицу, на пересечении столбцов и строк которой у нас будут встречаться и сливаться соответственно материнские и отцовские гаметы, а их вероятности – перемножаться, чтобы дать вероятность именно такого слияния. Яйцеклетки Спермии A Le 1/4 A le 1/4 a Le 1/4 a le 1/4 A Le 1/4 AA LeLe 1/16 AA Lele 1/16 Aa LeLe 1/16 Aa Lele 1/16 A le 1/4 AA Lele 1/16 AA lele 1/16 Aa Lele 1/16 Aa lele 1/16 a Le 1/4 Aa LeLe 1/16 Aa Lele 1/16 aa LeLe 1/16 aa Lele 1/16 a le 1/4 Aa Lele 1/16 Aa lele 1/16 aa Lele 1/16 aa lele 1/16 Так как вероятности всех вариантов гамет у нас равны, то равны и вероятности получающихся от их объединения зигот в каждой клеточке, а именно они равны 1/4 x 1/4 = 1/16. Но в некоторых клеточках получаются неразличимые генотипы. Генотипы одинаковы относительно оси симметрии вдоль главной диагонали, плюс все генотипы по побочной диагонали одинаковы. Выпишем генотипы отдельно и просуммируем вероятности. Генотип Вероятность AA LeLe 1/16 AA Lele 1/8 AA lele 1/16 Aa LeLe 1/8 Aa Lele 1/4 Aa lele 1/8 aa LeLe 1/16 aa Lele 1/8 aa lele 1/16 Нетрудно видеть, что то же самое можно было бы получить, не расчитывая вероятность встреч гамет каждой пары классов, а сразу перемножив моногенные расщепления по каждому локусу: Генотипы AA 1/4 Aa 2/4 aa 1/4 Le Le 1/4 Le le 2/4 le le 1/4 A A Le Le 1/16 A A Le le 2/16 A A le le 1/16 A a Le Le 2/16 A a Le le 4/16 A a le le 2/16 a a Le Le 1/16 a a Le le 2/16 a a le le 1/16 Итак, наша зигота может иметь 9 разных генотипов с определенными соотношениями вероятностей. Теперь выясним, скольких фенотипов может оказаться выросшее из нее растение. Для этого нам нужно вспомнить, что аллель А доминантен по отношению к а, а аллель Le – по отношению к le. Повторим тот же столбик генотипов, приписав справа фенотипы. Генотип Вероятность Фенотип AA LeLe 1/16 A Le AA Lele 1/8 AL AA lele 1/16 A le Aa LeLe 1/8 A Le Aa Lele 1/4 A Le Aa lele 1/8 A le aa LeLe 1/16 a Le aa Lele 1/8 a Le aa lele 1/16 a le Теперь найдем одинаковые фенотипы и просуммируем их вероятности Фенотип Вероятность A Le 9/16 A le 3/16 a Le 3/16 a le 1/16 Мы видим, что гибрид второго поколения (F2) может получиться четырех разных фенотипов, которые представляют все возможные комбинации родительских фенотипов в отношении признаков, определяемых нашими локусами. Им соответствуют определенные вероятности.. Это означает, что если мы возьмем много гибридов, то их экспериментально наблюдаемые частоты будут случайно колебаться вокруг этих значений вероятностей. Иными словами, на большой выборке гибридов мы получим четыре фенотипа, численные соотношения которых будут соотноситься приблизительно как 9 : 3 : 3 : 1, причем (оговариваем это снова и снова) чем больше будет выборка гибридов, тем ближе реальные численности окажутся к этим соотношениям. Таким образом, мы с вами ознакомились с наследованием признаков, определяемых аллелями двух независимо рекомбинирующих локусов, и пронаблюдали их расщепление в поколениии F2. В генетике это принято называть дигибридным расщеплением, хотя правильнее было бы назвать его дигенным. Но так сложилось. Соответственно расщепление по одному локусу, там, где мы получили соотношение 3 : 1, называется моногибридным. Причем опять-таки, если для случая дигибридного расщепления мы оформим вероятности фенотипов в виде таблицы, где фенотип в отношении одного гена будет находиться в столбцах, а другого – в строчках, то мы увидим наглядно, что фенотип в отношении каждого гена демонстрирует нам уже знакомое расщепление 3 : 1, а вероятности дигибридных фенотипов есть просто произведения вероятностей моногибридных. Фенотипы Le Le Сумма A 9/16 3/16 3/4 a 3/16 1/16 1/4 Сумма 3/4 1/4 1 Давайте мы и для случая двух генов проделаем анализирующее скрещивание. Опылим двойную гетерозиготу Aa Lele двойной гомозиготой по рецессивным аллелям, aa lele. Что мы получим? Легко понять, что, поскольку гомозигота дает гаметы только одного типа, в данном случае с генотипом a le, нам достаточно взять последний столбец из той таблицы, где было 16 клеточек, а именно – соответствующий этой гамете. Только вероятность у этой гаметы будет уже не 1/4, а 1 – это означает, что эта гамета может быть только такой и никакой другой. Получаем всего четыре генотипа – Aa Lele, Aa lele, aa Lele, aa lele – с равной вероятностью 1/4, которым соответствуют уже знакомые нам все четыре фенотипа A Le, A le, a Le, a le, но на этот раз – в равных соотношениях. В случае двух генов анализирующее скрещивание особенно удобно, так как получающиеся соотношения фенотипов наиболее простые, и легко видны все отклонения от них (мы еще рассмотрим, откуда они берутся). Мендель в своих опытах по скрещиванию гороха дошел ровно досюда. Он рассматривал много признаков, в том числе именно те, что и мы с вами. Он получал гибриды первого и второго поколения и рассматривал моногибридные и дигибридные расщепления. Его работа была опубликована в 1865 г. и забыта. К самому концу XIX в. эти закономерности были независимо переоткрыты сразу тремя учеными – голландцем Гуго Де Фризом, немцем Карлом Корренсом и австрийцем Эрихом Чермаком. В 1900 г. они независимо прислали свои работы в один и тот же журнал «Труды немецкого ботанического общества». Во всех трех упоминалась работа Менделя, причем все уверяли, что ознакомились с ней уже после завершения своего труда. Тогда ученые не пытались перебежать дорогу друг другу, от приоритета не зависели их материальные блага и вообще в научном мире процветали честь и уважение друг к другу. Сейчас никто не поверил бы в такую приписку в чужой статье и, наверное, мало кто бы сделал ее в своей (причем с такой припиской работу не приняли бы в печать как неоригинальную). К тому времени были накоплены многие факты из области наследования признаков и открытие основных закономерностей витало в воздухе. Незадолго до того вышла книга Фоке «Растительные помеси», в которой 17 раз, но кратко и без понимания упоминалась работа Менделя, в результате чего все три автора узнали, что они были не первыми. Корренс назвал свою статью «Правила Г. Менделя о поведении потомства сортовых гибридов», у двух других о Менделе говорилось в примечаниях. В то же самое время аналогичные опыты велись другими учеными на самых разных объектах, в том числе и на животных, но до их публикации к тому моменту дело не дошло. Буквально уже через несколько лет стали выходить многочисленные статьи и книги о «менделизме». Вы наверняка слышали, что принято говорить о «трех законах Менделя». Сам Мендель не формулировал никаких ёмких законов, он привел свои результаты и объяснил, что они означают и что из них следует. «Законы Менделя» пошли с легкой руки его переоткрывателей, прежде всего Корренса. Тот назвал свою вышеупомянутую статью совершенно корректно: «Правила Г. Менделя о поведении потомства сортовых гибридов»; здесь четко обрисована ситуация, для которой сформулированы эти правила, а именно для скрещнивани сортов. Однако последователи стали говорить о перечисленных там трех правилах как если бы это были универсальные законы. Возможно, это была попытка не ударить в грязь лицом перед физикой, где были законы Ньютона, Максвелла и др. Вот эти пресловутые «законы Менделя»: 1) закон единообразия гибридов первого поколения; 2) закон расщепления во втором поколении; 3) закон независимого расщепления признаков. Закономерности наследственности логичны и легко понятны, но не стоит их загонять в прокрустово ложе трех «законов». Потому что эти «законы» применимы только к узкому классу ситуаций и далеко не ко всем генам и в качестве «законов» они представляют собой недоразумение. Что такое «первое» и «второе» поколение? Единообразные гибриды получаются только от скрещивания гомозигот. В каком по номеру поколении бы мы их ни получили и откуда бы ни взяли вообще. В такой формулировке закон неявно предполагает, что скрещиваются «сорта» или «породы» – это, как правило, группы генетически родственных организмов, длительное время размножающихся в чистоте и имеющих многие гены в гомозиготе. Действительно, иногда можно иметь так называемые чистые линии – такие группы одинаковых организмов, у которых практически все гены находятся в гомозиготе. Их можно получать длительным близкородственным скрещиванием. Выше вы видели, что у гетерозигот при самоопылении половина потомства всегда гомозиготна, а гомозиготы порождают только гомозиготы же. Если всем потомкам гетерозиготы дать самоопылиться и в равной степени размножиться, то в следующем поколении гетерозигот будет 1/4, в следующем – 1/8 и т. д. У животных и людей самоопыление невозможно, но его можно заменить скрещиванием брат – сестра. Расчеты вероятностей несколько усложнятся, но результат будет тот же – доля гетерозигот будет падать в геометрической прогрессии, пока не упадет настолько, что в очередном поколении у нас не окажется ни одной гетерозиготы. Это может произойти несколько раньше или несколько позже того момента, когда теоретически расчитанная их численность (вероятность, умноженная на число потомков) не станет меньше единицы. Но произойдет обязательно. Останутся только гомозиготы. Каких типов и в каких соотношениях? Если генотип никак не влияет на выживаемость носителей, то для каждого локуса – столько типов, сколько было аллелей. Но если во всяком поколении брать только одну особь (если речь идет о самоопылении), или потомство одной особи (если в половом размножении участвуют два родителя), то у нас в конечном счете останется только один тип гомозигот. Причем это произойдет по всем вообще генам. Это и будет чистая линия. Чистые линии хороши тем, что их потомство всегда неотличимо от родителей. Генетического расщепления нет, новым аллелям взяться неоткуда. (За исключением аллелей, возникающих за счет новых мутаций, а вы помните, что эукариотические организмы каждый несут в среднем одну совершенно новую мутацию – в одном из десятков тысяч своих генов.) Всегда знаешь, что имеешь. А кто знает, что в чистых линиях плохого? У гороха ничего, он самоопылитель и, если его никто не скрещивает специально, он всегда – чистая линия. А у перекрестноопыляемых растений и у животных в гомозиготу могут выйти весьма неприятные аллели. Это рецессивные аллели, представляющие собой сломанные гены, т. е. гены, не выполняющие своей молекулярно-биологической функции, в чем бы она ни состояла. Обычно они не влияют на фенотип в гетерозиготе, но могут вызывать общее ослабление, какоенибудь уродство или даже смерть в гомозиготе (аллели последнего типа называются летальными). У высших растений выражена стадия гаметофита, хоть и небольшая (три гаплоидных ядра у мужского, 6 гаплоидных и 1 диплоидное – у женского), где часть таких неполноценных аллелей, а именно тех генов, которые работают и в гаметофите, незаметно отбраковывается. У животных, включая людей, увы, отбраковываются уже получившиеся диплоидные организмы, а именно получившие плохой аллель в гомозиготу, от обоих родителей. Поскольку генов очень много, а в чистых линиях в гомозиготу выходят практически все гены, то многие из них наверняка окажутся дефектными. И по мере потери гетерозиготности создаваемая чистая линия будет все ослабевать и может вымереть совсем, за счет выхода в гомозиготу рецессивных леталей (аллелей, в гомозиготе вызывающих гибель организма). Если каким-то образом собрать в чистую линию только полноценные аллели, можно получить «хорошую» чистую линию. Иногда такое получается случайно. Похоже, египетские фараоны, женившиеся строго на сестрах, представляли собой почти чистую линию, причем, судя по изображениям и мумиям, это были красивые и вполне полноценные люди. Но фараоны Египта были крайне редким исключением. Практически во всех обществах существует запрет на близкородственные браки. И чем примитивнее общество, тем сложнее правила выбора невесты, так что зачастую молодые люди не вступают в брак просто потому, что в нужном подразделении нужного рода просто нет девушки подходящего возраста. Вряд ли такие неоправданно переусложненные правила основаны на выводах из наблюдений о слабости потомства от близкородственных браков. В примитивных обществах всегда очень много сложных и с нашей точки зрения нелепых правил и ритуалов, не приносящих никакой объективной пользы. Вопрос: почему так получается – выходит за рамки биологии (да и другие науки не очень-то на него отвечают – хотя вашей будущей науке, психологии, и следовало бы). Скорее всего брачные правила возникали наряду с прочими странными правилами. Однако выживали именно те общества, где близкородственные браки оказывались запрещенными. Когда люди жили маленькими изолированными деревнями, они особенно опасны. Таким образом, брачные правила вероятнее всего получили всеобщее распространение вследствие своего рода естественного отбора культур. Кстати, здесь уместно подумать о том, что на генетическом уровне означает «близкие родственники». В качестве мерила генетической близости двух индивидуумов удобно выбрать долю аллелей, общих по происхожденгию, по всем локусам генома – она называется «коэффициент родства» и обычно обозначается r. Пусть у отца и матери нет ни одного одинакового аллеля во всех локусах генома, т. е. каждый родитель гетерозиготен по каждому локусу и ни один аллель одного родителя не тождествен ни одному аллелю другого, то есть все аллели уникальны. Эта ситуация для реальных людей практически невозможна, но удобна для нашего умозрительного рассмотрения. Каждый из их детей получает по одному аллелю каждого локуса от отца и от матери. Таким образом, у каждого ребенка ровно половина аллелей – общие с отцом, и ровно половина – общие с матерью, т. е. коэффициент родства детей и родителей составляет 1/2. А насколько близки друг к другу братья и / или сестры? В генетике употребляется понятие сиб, что означает «брат либо сестра». Каждый из сибов получает половину аллелей от одного и того же отца и половину аллелей от одной и той же матери. Но какую именно половину? В мейозе аллели каждого локуса попадают в ту или иную гамету совершенно случайно. Поэтому гаметы, дающие начало разным сибам, несут случайную половину аллелей родителей. А это значит, что каждый локус гаплоидного генома двух гамет одного родителя может с равной вероятностью нести одни и те же или разные аллели. Это значит, что из половины аллелей, получаемых каждым из двух сибов от одного родителя, половина (т. е. всего одна четверть всех его аллелей) будут идентичными аллелями, а половина (также всего одна четверть аллелей) – разными. То же самое происходит и с аллелями, получаемыми от второго родителя. Любые два сиба получают одну четверть идентичных аллелей от одного родителя и одну четверть идентичных аллелей от второго родителя, т. е. в сумме половина их аллелей будет идентична. Таким образом, коэффициент родства между братьями и / или сестрами также равняется 1/2. Только если в случае родителей и детей это соотношение строгое, то в случае сибов – вероятностное. Легко убедиться, что генетическая близость между дедами / бабками и внуками / внучками, между дядями / тетями и племянницами / племянниками, между сводными братьями / сестрами составляет 1/4, между между двоюродными братьями / сестрами 1/8. А еще легче для выяснение доли общих по происхождению аллелей у двух родственников воспользоваться следующим алгоритмом. «Начнем с себя» – у каждого из нас все аллели общие с самим собой, поэтому при сравнении индивидуума с самим собой r=1. При сравнении двух субъектов коэффициент родства r складывается из компонент, представляющих родство через каждого их общего предка. Нужно подсчитать число звеньев родословной, n, связывающей двух сравниваемых субъектов через каждого их общего предка. Величину r можно получить по формуле r= (1/2)n1 + (1/2)n2 ... , где n1, n2 ... – длины родословной для каждого общего предка. Поясним на простых примерах. Два брата имеют двух общих предков – отца и мать, и отделены друг от друга двумя звеньями родословной через каждого из них (звено от одного брата к матери плюс звено от матери до другого брата, звено от одного брата к отцу плюс звено от отца к другому брату). Значит, r = (1/2)2 + (1/2)2 = 1/4 + 1/4 = 1/2, что мы и получили выше. А каково значение r между отцом и сыном? Сын связан с отцом одним звеном родословной, но сколько же у них общих предков? Один – это сам же отец и есть. Один общий предок и одно звено родословной дает по формуле уже знакомый нам результат 1/2 . Напомним, что эти цифры мы получали из допущения, что все аллели родителей – разные. У реальных людей многие аллели находятся в гомозиготе и многие аллели разных людей совпадают. Поэтому истинные значения генетической близости между родственниками гораздо выше, а мы с вами сейчас фактически нашли их нижние пределы. Но соотношения генетической близости при разной степени родства сохраняются. Глядя на своих родственников и имея в виду степень родства и генетической близости, мы получаем богатую пищу для размышлений о влиянии наследственной информации на свойства живых организмов. Поскольку у нас с вами не будет времени на популяционную генетику, расскажем здесь о явлении, прямо противоположном чистой линии – о панмиктической популяции. Вообще, популяцией называют некое множество особей и их потомков, между которыми возможен обмен генами за счет полового размножения. Обычно популяции нечетко отграничены друг от друга. Возьмем бабочку хвостатку березовую. На самом деле ее гусеницы развиваются на черемухе (название «березовая» ей было дано случайно, но раз данное, оно и осталось, по правилам зоологической номенклатуры). Черемуха растет во влажных местах, к примеру, по берегам рек. Бабочки в долине одной реки могут свободно спариваться друг с другом. Но вряд ли могут пролететь очень большое расстояние. Поэтому вероятность спаривания двух бабочек тем больше, чем ближе они находятся друг к другу, а бабочки из верховий и низовий никогда не встретятся. Тем не менее, обмену генов в одной долине как процессу, включающему много поколений, ничто не препятствует. Все хвостатки березовые одной долины будут представлять одну популяцию. Но черемуха растет и в сырых местах в лесу. Там тоже могут быть небольшие популяции хвостатки. А еще бабочки могут перелетать от леска к леску, и так либо индивидуальные бабочки, либо их гены за несколько поколений могут путешествовать из одной долины в другую. Так что все популяции хвостатки березовой умеренной зоны Евразии оказываются не до конца отделенными друг от друга. Панмиктическая популяция – это идеальная популяция. Она полностью отграничена от внешнего мира, а любые две особи разного пола имеют в ней равную вероятность скреститься. Практически идеальную панмиктическую популяцию можно устроить для мушки дрозофилы в таком специальном «популяционном ящике» – ящике, где есть питательная среда для личинок и где мухи живут и размножаются. В идеальной популяции, где все имеют равные шансы на размножение, аллели сохраняются приблизительно в том численном соотношении, в каком они имелись у ее основателей, однако эти соотношения подвержены случайным колебаниям, которые тем меньше, чем больше численность популяции. С первого же поколения после образования идеальной популяции численные соотношения между гетерозиготами и гомозиготами разных типов начинают флуктуировать вокруг так называемых равновесных частот. Для случая двух аллелей – обозначим их x1 и x2 (хочется, чтобы вы привыкли, что аллели обозначаются по разному) равновесные частоты генотипов можно вычислить из так называемого соотношения Харди – Вайнберга (давайте не будем углубляться в их математический вывод). Пусть p – частота аллеля x1 в популяции. Она равна удвоенному количеству гомозигот x1x1 плюс количество гетерозигот x1 x2, деленному на удвоенное общее число особей (т. е. мы считаем не особи, а имеющиеся у них аллели, которых вдвое больше, чем имеется диплоидных особей, причем нужных аллелей имеется по две у каждой гомозиготы и по одной у каждой гетерозиготы). Легко понять, что частота аллеля x2 будет равна 1-p. Соотношения Харди – Вайнберга представлены в таблице: Генотипы Равновесные частоты x1 x1 x1 x2 x2 x2 p2 2p(1 – p) (1 – p)2 Можно заметить две вещи. Во-первых, равновесные частоты получаются как разложение бинома. Вовторых, если частоты аллелей x1 и x2 равны между собой (или если наша популяция происходит от единственной гетерозиготы), то соотношения Харди – Вайнберга сводятся к уже знакомому нам расщеплению 1 : 2 : 1. Если в популяции присутствует k аллелей: x1, x2, x3, ..., xk, с частотами p(x1), p(x2), p(x3), ..., p(xk) (сумма этих частот должна равняться единице), то соотношения Харди – Вайнберга также сохраняют вид разложения бинома. Частоты гомозигот x1x1, x2x2, ..., xkxk будут соответственно равны p(x1,)2, p(x2) 2, ..., p(xk) 2, а частоты гетерозигот x1x2, x1x3, ..., x1xk , x2x3, x2x4, ..., x2xk и т. д. будут, равны соответственно 2p(x1)p(x2), 2p(x1)p(x3), ..., 2p(x1)p(xk), 2p(x2)p(x3), 2p(x2)p(x4), ..., 2p(x2)p(xk) и т. д. Соотношения генотипов легко превратить в соотношения фенотипов, если знать отношения доминантности между аллелями. Есть целый раздел генетики – генетика популяций, который в основном исследует частоты генотипов в популяции и те факторы, которые на них влияют. Соотношения Харди – Вайнберга имеют в генетике популяций очень важное значние как показатель близости популяции к генетическому равновесию, то есть к идеальной популяции. Мы отвлеклись. Продолжим критику «законов Менделя» как формулировок (но никоим образом – как открытых им закономерностей!). «Закон расщепления гибридов второго поколения», конечно, верен (при условии что это второе поколение – от скрещивания гомозигот), но не говорит нам, какое именно расщепление мы увидим. А это зависит от многого – от схемы скрещивания, от отношений доминантности и т. д. А вот третий закон – независимого расщепления признаков – в общем случае неверен. Далеко не все признаки расщепляются независимо, и мы это скоро увидим. Менделю необыкновенно повезло, что, работая с семью генами, он действительно случайно выбрал только независимо комбинирующие гены! Так что давайте не вспоминать о трех законах Менделя, зато будем хорошо себе представлять механизмы наследования генов и признаков, изучению которых положил начало и так далеко продвинул Грегор Мендель. Если хотите воздать ему должное, говорите о закономерностях менделевской генетики или о менделизме. На самом деле, до Менделя уже было известно многое: и дискретное наследование, и явление доминирования, и равноправие полов в наследственности, и однородность первого поколения гибридов, и расщепление во втором. Заслуга Менделя состоит, во-первых, в том, что он стал анализировать наследование отдельных признаков, а не пытался охватить весь фенотип в целом. Во-вторых, и это была без преувеличения гениальная догадка, он предположил, что зародыш получает от родителей некие материальные задатки наследственности, которые в результате имеются у него в двойном комплекте. И поставил эксперименты, которые блестяще согласовывались с этими предположениями. Для этой догадки тогда совершенно не было никаких оснований в том, что было известно о строении живых существ, но она однозначно описывала наблюдавшуюся Менделем феноменологию. И предвосхитила открытие поведения хромосом в мейозе. Таким образом, описав закономерности наследования как математическую абстракцию, Мендель приоткрыл природу наследственности как биологического явления, имеющего материальное основание. Итак, что мы можем добавить к наблюдениям Менделя? Во-первых, неполное доминирование или кодоминирование. Мы уже упомянули о нем в случае моногибридного расщепления. Теперь рассмотрим дигибридное расщепление. Возьмем вместо локуса le локус tl. У гороха мутантный аллель tl в гомозиготе превращает усики в листочки. У гетерозиготы Tltl усик приобретает плоскую пластинку, то есть по сути превращается в очень узкий листочек. Таким образом, пара аллелей по данному локусу проявляет неполное доминирование. Как будет расщепляться в F2 двойная гетерозигота Aa Tltl? Возьмем нашу таблицу с вероятностями генотипов и в левой колонке просто заменим ген le на ген tl. В правой колонке запишем фенотипы. Фенотип в отношении гена tl однозначно соответствует генотипу, поэтому просто скопируем обозначения фенотипа через удвоенный двухбуквенный символ гена. Генотип Вероятность Фенотип AA TlTl 1/16 A TlTl AA Tltl 1/8 A Tltl AA tltl 1/16 A tltl Aa TlTl 1/8 A TlTl Aa Tltl 1/4 A Tltl Aa tltl 1/8 A tltl aa TlTl 1/16 a TlTl aa Tltl 1/8 a Tltl aa tltl 1/16 a tltl Мы видим, что фенотипов имеется шесть. Расположим их сразу в таблицу: фенотип по a против фенотипа по tl. Фенотипы TlTl Tltl tltl Сумма A 3/16 6/16 3/16 3/4 a 1/16 2/16 1/16 1/4 Сумма 1/4 2/4 1/4 1 Здесь мы видим два моногибридных расщепления – 3 : 1 для гена с доминированием и 1 : 2 : 1 для гена с неполным доминированием, а дигибридное расщепление включает 6 фенотипов в соотношениях 3 : 6 : 3 : 1 : 2 : 1. Если оба гена кодоминантны или проявляют неполное доминирование, т. е. фенотип однозначно соответствует генотипу и никакие два генотипа не имеют идентичного фенотипа, то мы получим соответственно 9 фенотипов на 9 генотипов, в тех же соотношениях, что и в одной из предыдущих таблиц, где было записано 9 генотипов в столбик. Лекция 14. ГЕНЕТИКА 3. ГЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, ЛЕТАЛИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА, ХРОМОСОМНЫЕ АНОМАЛИИ Взаимодействие генов Далее мы можем добавить к наблюдениям Менделя так называемое взаимодействие генов. Этот термин может ввести в заблуждение, поскольку в лице своих материальных носителей – участков ДНК – гены с друг с другом не взаимодействуют, взаимодействуют только их продукты – белки и, реже, РНК (однако белковые продукты одних генов часто взаимодействуют с другими генами, взаимодействуя именно с ДНК последних). Речь идет о взаимодействии генов как регуляторов определенных звеньев программы развития организма. Рассмотрим простейший случай взаимодействия генов – эпистаз. Этим термином обозначают явление, когда сама возможность фенотипического проявления какого-то гена зависит от фенотипического проявления другого гена. Возьмем опять-таки наш любимый ген гороха - a и нашу пару аллелей – А (красные цветы) и а (белые цветы). У гомозиготы аа в цветках не образуется пигмент антоциан. Возьмем второй ген – b. У него тоже есть два аллеля – дикий тип B (цветки нормального цвета) и мутантный b – цветки без пурпурного оттенка, теплого бледно-розового цвета. Другими словами, ген b определяет оттенок цветка, причем два класса четко различаются. Но чтобы этот оттенок различался, должен быть пигмент. Если нет пигмента, то нет и оттенка. Стало быть, у гомозигот аа ген b НИКАК не влияет на фенотип. Ген a подавляет проявление гена b, он эпистатичен гену b, а ген b – гипостатичен гену a. Как будет выглядеть дигибридное расщепление по фенотипу при самоопылении двойной гетерозиготы Aa Bb? Ввиду эпистаза мы имеем всего три фенотипа, AB, Ab и a, так на фоне фенотипа a фенотип в отношении гена b не имеет смысла. Снова скопируем подходящую таблицу и заменим все, что нужно. Фенотипы B b сумма A 9/16 3/16 3/4 a 4/16 1/4 * Получаем расщепление 9 : 4 : 3. Это был так называемый рецессивный эпистаз – ген a влиял на проявление гена b будучи в гомозиготе по рецессивному аллелю. Доминантный эпистаз можно проиллюстрировать на примере лошадей. Черная окраска доминирует над гнедой, но есть доминантный аллель раннего поседения, который делает лошадь серой вне зависимости от того, какой она была до поседения. Нам поэтому нужно было бы слить клеточки не нижней строки, а верхней. И для трех фенотипов – седой, черный и гнедой, мы бы получили расщепление 12 : 3 : 1. Чаще взаимдействие генов бывает более сложным. Так, гомозигота по двум и более аномальным аллелям (чаще всего нуль-аллелям) приводит к появлению качественно новых фенотипов, не сводимых к одному из фенотипов родителей или их сумме. Вот, к примеру, у гороха есть мутация tl, которая в гомозиготе превращает все его усики в листочки. И есть другая мутация, af, которая, наоборот, превращает все листочки в ветвистые усики. Вопрос: как будет выглядить двойная гомозигота tl tl, af af ? Из общих соображений не догадаешься, такие вещи нужно проверять эмпирически. Кстати, реальный результат в чемто похож на то, что можно ожидать от ситуации, когда горох никак не может решить, что у него должно расти – листочки или усики. Лист превращается в систему многократно ветвящихся усиков, на конце которых сидят пучки маленьких листочков. Горох имеет сложный лист, в основании его находится пара широких прилистников, затем идет ось листа, на которой парами располагаются листочки, а затем – простые усики; лист заканчивается непарным усиком. На рис. 14.1 показано, что можно сделать с листом гороха, комбинируя несколько мутаций по разным генам, влияющим на его структуру. Как видим, можно даже превратить его в дваждынепарноперистый, когда на оси листа располагаются оси второго порядка, несущие листочки. Заметим, что дваждыперистый лист был характерен для предков всех бобовых растений. Оказывается, нечто подобное можно воспроизвести всего двумя мутациями. Эти мутации выключают гены, появившиеся у более поздних бобовых, от которых произошел горох; тем самым они возвращают генетическую систему управления развитием листа к варианту, свойственному самым первым бобовым. Плейотропия Выше мы рассмотрели случаи эпистаза, когда несколько генов влияют на один и тот же признак. Но часто встречается и противоположный случай – когда один ген влияет на несколько признаков. Это не может вызывать у нас никакого удивления, так как ранее мы уже порассуждали о том, что выделение признаков – дело субъективное, так что любой может вместо одного признака выбрать несколько, отражающих немного отличающиеся аспекты того же явления. Однако бывают случаи, когда признаки, на которые влияет один и тот же ген, не имеют, казалось бы, ничего общего друг с другом. Мы упоминали о серповидно-клеточной анемии, при которой молекулы гемоглобина из-за замены одной аминокислоты слипаются друг с другом, эритроциты принимают неправильную форму, эффективность транспорта кислорода по крови резко ухудшается. Жизнеспособность детей, гомозиготных по аллелю серповидноклеточной анемии, резко снижена и они, как правило, не доживают до взрослого состояния. У гетерозигот по аномальному аллелю половина молекул гемоглобина нормальна, и этого оказывается достаточно для нормального функционирования крови. (Такие люди испытывают проблемы лишь в условиях недостатка кислорода – при очень сильных физических нагрузках, в высокогорьях.) Однако в таких эритроцитах не может нормально жить малярийный плазмодий, поэтому гетерозиготы не болеют малярией. Такое их преимущество и привело к тому, что мутантный аллель получил широкое распространение в Африке. Заметим, что он не может вытеснить нормальный аллель, так как среди фенотипов частота успешных гетерозигот должна остоваться выше частоты гомозигот, больных серповидно-клеточной анемией. естественный отбор в пользу гетерозигот должен оставаться более эффективным, чем естественный отбор против гомозигот. Таким образом, мы видим влияние одной мутации на два признака – эффективность транспорта кислорода кровью и устойчивость к малярии. Однако если мы разберемся в подоплеке этих влияний, то увидим, что оба они сводятся к хрупкости эритроцитов. Поскольку молекулярный продукт одного локуса как правило выполняет только одну молекулярную функцию, плейотропии исчезает, когда мы переходим с уровня организма как целого к процессам на более низком уровне – клеточном или молекулярном. Все знают так называемых рыжих людей. На самом деле далеко не у всех их волосы действительно имеют рыжий цвет, зачастую они выглядят светло-русыми. Однако вы легко распознаете рыжего человека даже на черно-белой фотографии. И сколько бы девушка не красилась в огненный цвет, она от этого не станет рыжей. У рыжих есть нечто неуловимо общее в форме лица, в скулах и посадке глаз. Кроме того, у них бледная кожа, много веснушек, они легко сгорают на солнце и не способны загорать. На биохимическом уровне у рыжих людей дефектен клеточный рецептор к гормону меланокортину, который стимулирует в клетках химическое преобразование красноватого пигмента феомеланина в более темный пигмент эумеланин. Рыжие люди мутантны по этому рецептору, у них вырабатывается меланокортин, но компетентные в отношении него клетки (в данном случае термин самоочевиден) оказываются к нему нечувствительными. Это хорошо объясняет, почему у них бледная кожа и красноватые волосы. Влияние на черты лица совершенно неочевидно. Возможно, он имеет отношение не к пигментации, а к какой-то другой функции гормона меланокортина. Есть порода кошек, отличающаяся белой шерстью, голубыми глазами и глухотой. Все три признака определяются одним и тем же мутантным аллелем. У людей также есть нечто подобное – бывают люди с голубым оттенком белков глаз и у них часто бывают дефектны слуховые косточки, что в подростковом возрасте приводит их к глухоте. Летали Рассмотрим еще одно явление, изменяющее менделевские соотношения. Допустим, в моногибридном расщеплении мы получили вместо ожидаемого расщепления 3:1 нечто около 5:1 или 7:1. Причем все было нормально – изначально имелись две гомозиготы, получилась гетерозигота с доминантным фенотипом, а во втором поколении – такая вот незадача! Мы вынуждены предположить, что гаметы, несущие разные аллели, имеют неодинаковую выживаемость или конкурентоспособность, однако какое-то их количество все же участвует в оплодотворении и они совместимы с жизнью, о чем говорит само существование гомозигот. В главе о мейозе мы упоминали о летальных генах, или леталях, – тех, которые убивают своего носителя. Здесь под «генами» мы не можем подразумевать ничего, кроме аллелей, так как летальных локусов быть не может – на ДНК не может возникнуть специального участка с особой функцией убивать своего носителя. А вот летальные аллели очень даже нередки. Обычно это «сломанные» функциональные аллели, не способные производить жизненно важный функциональный белковый (или РНК-) продукт. Следует оговорить, что речь идет о смерти до размножения. Вы знаете проходных лососевых рыб, умирающих сразу же после нереста (и тем самым добавляющих органики в водоемы, где выплодится их молодь, так чтобы для нее могла сформироваться кормовая база). Вы также знаете, что большинство рыб нерест не убивает, и наверняка таковы же были предки лососевых. По-видимому, в эволюции лососевых зафиксировалась в качестве полезной мутация, убивающая родителей после нереста. Однако такую мутацию нельзя назвать леталью, так как она не препятствует (а даже способ ствует) размножению. С другой стороны, любая мутация, которая делает организм стерильным, т. е. неспособным размножаться, в популяционном и эволюционном смысле эквивалентна летали, хотя бы сам ее носитель процветал и наслаждался жизнью. Как правило, если организм не тратится на размножение, все сэкономленные ресурсы идут на его собственные нужды. Стерильные растения, к примеру, обычно пышно разрастаются. Да и на людях эта закономерность прослеживается великолепно. Как правило, летали рецессивны – это означает, что если летальный аллель оказывается в гетерозиготе с нормальным, то нормального аллеля, который кодирует полноценный продукт, хватает для обеспечения жизнеспособности носителя. Такие мутации не имеют других фенотипических проявлений помимо летальности в гомозиготе (поэтому у них как правило нет осмысленных названий). Теоретически ничто не препятствует и существованию доминантных леталей, убивающих своего носителя даже в гетерозиготе. Допустим, дефектная копия белка оказалась способной блокировать какой-то жизненно важный процесс. Однако доминантная леталь исчезает вместе со своим носителем сразу же или вскоре после своего возникновения и мы никогда не сможем ее зарегистрировать, тогда как ДНК, содержащая рецессивную леталь, в составе гетерозиготы будет реплицироваться и о ее существовании мы можем догадаться по генетическому расщеплению в потомстве, прежде всего по недостатку носителей аллелей сцепленных с ней локусов (об этом ниже). Иногда летальный аллель может иметь нелетальное проявление в гетерозиготе. У овчарок колли существует седая форма. Такие собаки гетерозиготны по некоему аллелю, который в гомозиготе летален. Соответственно этот аллель доминантен в отношении своего видимого проявления, но рецессивен в качестве летали. При скрещивании седых колли с нормальными он ведет себя как обычный доминантный аллель, обеспечивая расщепление седых и неседых собак как 1:1. При скрещивании же двух седых собак мы вместо соотношения 3:1 получим соотношение 2:1 – верный признак, что гомозигота по «седому» аллелю нежизнеспособна. У растений существует особый класс гаметофитных леталей – летальных аллелей по локусам, имеющих жизненно важную функцию в гаплоидном поколении. Диплоидное растение, содержащее такую леталь в гетерозиготе, будет нормальным, но половина его гаметофитов, получившая в мейозе хромосому, несущую гаметофитную леталь, будет погибать. Если летальность проявляется в мужском гаметофите, то у такого растения половина пыльцы будет стерильна. Такую пыльцу можно легко регистрировать в виде пустых пыльцевых зерен, поскольку стенка пыльцевого зерна нарабатывается еще диплоидной клеткой до ее вступления в мейоз. По сути, летальность является одной из форм взаимодействия генов, поскольку представляют собой испорченные узлы генной сети, приводящей к формированию и функционированию полноценного организма. Взаимодействие генов следует понимать именно на информационно-управленческом уровне. Кроме генного взаимодействия на летальность аллеля может влиять так называемое взаимодействие генотип–среда. Некий аллель может быть вполне жизнеспособным в одних условиях и летальным в других. К примеру, многие бактерии способны расти, расщепляя широкий спектр органические веществ, присутствующих в среде их обитания. Допустим, кишечная палочка может усваивать многие вещества, образующиеся при переваривании пищи. Если ферментная система по расщеплению какого-то из них, допустим лактозы, будет нарушена, бактерия «не заметит» этого и будет усваивать другие. Но если мы специально поместим бактерии на бедную среду, в которой не будет ничего «съедобного», кроме лактозы, то мутация по лактатдегидрогеназе, к примеру, окажется летальной. Такие летали называют условными. Генетическое сцепление Представим себе, что у нас есть некий объект, который мы можем скрещивать и проводить анализ генетического расщепления в потомстве. Это может быть горох, плодовая мушка, кошки. Допустим, мы выявили у него два альтернативных признака и убедились, что они соответственно контролируются двумя генами – a и b, каждый из которых представлен двумя аллелями – A, a – и соответственно – B, b. Причем в каждой паре аллель, обозначенный заглавной буквой, доминирует над обозначенным строчной. Иными словами, создается самая типичная генетическая ситуация. Допустим, мы получили две линии, гомозиготные соответственно по A, B и a, b, скрестили их между собой, убедились в единообразии поколения F1 (проявляющее, как ему положено, фенотип A, B), скрестили особей этого поколения друг с другом и получили потомство F2. Мы собираемся наблюдать дигибридное расщепление, в котором количество потомков четырех возможных фенотипов будет флуктуировать вокруг ожидаемого соотношения 9 : 3 : 3 : 1. А получаем всего два класса фенотипов, идентичных фенотипам родительским линиям, в соотношении, представленном в таблице. Фенотипы A a Сумма наблюдаемая Ожидаемые сумма и соотношение B 98 0 98 96 (3/4 b 0 30 30 32 (1/4) 98 30 128 128 96 (3/4) 32 (1/4) 128 Сумма наблюдаемая Ожидаемые сумма и соотношение Или рассмотрим аналогичную ситуацию, но пусть два аллеля гена а, a1 и a2 проявляют кодоминирование, т. е. мы умеем отличать гетерозиготы по этому гену от обоих типов гомозигот. В подобной ситуации мы получили бы в F2 шесть возможных фенотипов. И вот допустим мы снова сталкиваемся с тем, что в реальном потомстве не все из них оказались представлены. Путь мы получили расщепление, приведенное в следующей таблице: Фенотипы a1 a1 a1 a2 a2 a2 Сумма наблюдаемая Ожидаемые сумма и соотношение B 33 65 0 98 96 (3/4) b 0 0 30 30 32 (1/4) 33 65 30 128 Сумма наблюдаемая Ожидаемые сумма и соотношение 32 (1/4) 64 (2/4) 32(1/4) 128 128 И наконец, если кодоминирование проявляют оба гена, вместо девяти ожидаемых фенотипических классов мы можем получить в F2 всего три, к примеру, в таких соотношениях, которые представлены в таблице. Фенотипы a1 a1 a1 a2 a2 a2l Сумма наблюдаемая b1 b1 33 0 0 33 32 (1/4) b1 b2 0 65 0 65 64 (2/4) b2 b2 0 0 30 30 32 (1/4) 33 65 30 128 128 Сумма наблюдаемая Ожидаемые 32 (1/4) 64 (2/4) 32 (1/4) сумма и соотношение Ожидаемые сумма и соотношение 128 Нетрудно видеть, что все три таблицы, по сути, показывают одно и то же расщепление, но так, как если бы наша способность различать генотипы по фенотипам с каждым разом увеличивалась. Иначе говоря, представлены такие цифры, которые дали бы нам расщепление, идентичное приведенному в последней таблице, если бы мы отказались от нашей способности видеть гетерозиготы по гену b и объявили, что аллель b1 доминирует над b2, и расщепление, идентичное таковому в первой таблице, если бы мы отказались от нашей способности видеть гетерозиготы по гену a. Мы видим, что каждое моногибридное расщепление фенотипов, т. е. расщепление, рассмотренное отдельно по гену a и гену b, очень близко к теоретически ожидаемому – 96 : 32 для генов, в которых наблюдается доминирование одного аллеля над другим, и 32 : 64 : 32 для генов с кодоминирующими аллелями. В то же время дигибридное расщепление одновременно по двум генам не имеет ничего общего с ожидаемым. А именно аллели двух генов ведут себя как единое целое. Все те гибриды F2, которые несут аллель a1, одновременно оказываются несущими аллель b1, и нет ни одного носителя аллеля b1, который не нес бы аллель a1. Какой мы можем сделать отсюда вывод? Казалось бы, самый естественный вывод такой: на самом деле мы имеем дело с одним и тем же геном, который проявляет плейотропию, то есть влияет одновременно на оба наших признака. Выяснив механизм наследования каждого признака по отдельности, мы предположили, что они контролируются каждый своим геном, a и b, а на самом деле это один и тот же ген. Аллель a1 является одновременно аллелем b1, а аллель a2 - одновременно аллелем b2. Это очень логичное предположение, и зачастую так и оказывается. Можно также предположить, что гены эти все же разные, но по какой-то причине аллель a1 всегда наследуется вместе с аллелем b1, а аллель a2 – с аллелем b2. Как если бы эти аллели разных генов были сцеплены друг с другом. В трех нижеследующих таблицах приведем еще несколько примеров расщеплений, причем не умозрительных, а взятых из наших собственных опытов с горохом, опубликованных в журнале Pisum Genetics («Генетика гороха»). В первом и втором случае сохраняем настоящие обозначения генов. Аллель Astr определяет наличие фиолетовых пятен на бобах и доминирует над аллелем astr, пятен не вызывающих. Аллель D определяет наличие пурпурного кольца в основании прилистников и доминирует над аллелем d, кольца не формирующим. Аллель tl в гомозиготе приводит к тому, что на месте усов у гороха формируются листочки. У гетерозигот Tl tl усы имеются, но если присмотреться, то вдоль каждого из них идет узкая листовая пластинка, т. е. они проявляют некоторую тенденцию к превращению в листочки. У гомозигот Tl Tl усики в сечении четырехгранные, без пластинки. Обозначениями a1, a2 и b1, b2 заменены громоздкие обозначения кодоминантных аллелей условных генов a и b. Сумма наблюдаемая Ожидаемые сумма и соотношение Фенотипы D d Astr 68 2 70 67,5 (3/4) astr 3 17 20 22,5 (1/4) 71 19 90 90 67,5 (3/4) 22,5 (1/4) 90 Сумма наблюдаемая Ожидаемые сумма и соотношение p = 6,0 ± 2,6 % (В этом примере мы, между прочим, видим, что теоретически ожидаемые численности фенотипов не являются круглыми целыми числами, что лишний раз указывает на невозможность получения «точных» расщеплений в реальных ситуациях, а лишь на возможность получать фактические расщепления, более или менее к ним приближающиеся.) Сумма Ожидаемые наблюдаем сумма ая и соотношение Фенотипы Tl Tl Tl tl tl tl Astr 23 56 4 83 84,75 (3/4) astr 2 10 18 30 28,25 (1/4) 25 66 22 113 113 28,25 (1/4) 113 Сумма наблюдаемая Ожидаемые сумма и соотношение 28,25 (1/4) 56,5 (2/4) p = 16,6 ± 3,8 % Сумма Ожидаемые наблюдаемая сумма и соотношение Фенотипы a1 a1 a1 a2 a2 a2l b1 b1 18 5 1 24 24,25 (1/4) b1 b2 5 41 6 52 48,5 (2/4) b2 b2 0 6 15 21 24,25 (1/4) 23 52 22 97 97 Сумма наблюдаемая Ожидаемые 24,25 (1/4) 48,5 (2/4) сумма и соотношение 24,25 (1/4) 97 p = 13 ± 3.0 % В этих расщеплениях мы наблюдаем все теоретически ожидаемые классы, за исключением класса a1 a1, b2 b2 в последней таблице. Однако наблюдаемые численности тех классов, в которых комбинации признаков не совпадают с признаками непосредственных родителей F1 и участвовавших в скрещивании родительскими линиями, гораздо ниже теоретически ожидаемых для дигибридного расщепления. Все эти результаты можно интерпретировать следующим образом. Если первые три таблицы этого раздела иллюстрировали случаи абсолютного сцепления аллелей разных генов, унаследованных от одного родителя, то в трех последних аллели также сцеплены и как правило наследуются вместе, но в определенном проценте случаев они рекомбинируют, образуя сочетания (например D Astr или a1 b2), не свойственные родителям. Не напоминает ли вам это что-либо из того, что мы успели изучить ранее? Хотя бы лексически, из слова «рекомбинация». Да, эта феноменология хорошо соответствует поведению хромосом в мейозе. Каждая пара гомологов распределяется между образовавшимися в мейозе гаплоидными клетками независимо от других пар гомологов. Это соответствует независимому наследованию генов, рассмотренному на предыдущей лекции. Если два разных гена располагаются в одной и той же хромосоме, то их аллели, принадлежащие каждому из гомологов, должны были бы быть сцеплены и наследоваться всегда вместе. Однако, как вы помните, в профазе мейоза гомологи обмениваются между собой участками ДНК за счет процесса, называемого кроссоверная рекомбинация, или кроссинговер. Если рекомбинация произойдет между двумя локусами, то аллели этих локусов образуют новые сочетания, не имевшие места у гомологов до мейоза. В начале XX в. группа энергичных выдающихся генетиков под руководством Томаса Моргана обратила внимание на параллелизм между наследованием некоторых признаков и поведением хромосом в мейозе, что послужило аргументом ранее выдвинутой хромосомной теории наследственности, предполагавшая, что именно хромосомы являются материальными носителями наследственности. Эта теория, как вы знаете, подтвердилась блестящим образом. Любопытно, что Менделю не встретился ни один случай генетического сцепления, который шел бы вразрез с его предположением о независимой комбинации наследственных задатков. Остается только гадать, что было бы, если бы он с ними столкнулся, – задержалось ли бы возникновение генетики как науки либо Мендель смог бы дополнить свою теорию представлением о генетическом сцеплении. Расщепление гибридов поколения F2 между прочим позволяет с определенной степенью точности оценить частоту (p), с которой в мейозе происходит рекомбинация между сцепленными генами. Под каждой таблицей приведено наиболее вероятное значение p, вычисленное на основании приведенного в ней расщепления. Однако, в силу того что под личиной некоторых фенотипов у нас скрываются несколько генотипов, эта процедура не самая простая и требует решения уравнений от квадратных до четвертой степени (что конечно же в наше время компьютеров труда не составляет). Мы могли бы определять эту величину точнее, если бы имели точную информацию о генотипе каждой гаметы. Этого несложно достигнуть, если применить знакомое нам анализирующее скрещивание. Напомним, что анализирующее скрещивание состоит в скрещивании гибридов поколения F1 с особями, гомозиготными по рецессивным аллелям исследуемых генов. Такие индивидуумы (как правило, они представляют собой чистую линию) называются тестером. В привычных для нас обозначениях для двух генов это будет скрещивание Aa, Bb x aa, bb. Действительно, в потомстве от такого скрещивания гомолог, пришедший от второго родителя, несет лишь рецессивные аллели, так что мы всегда можем сказать, получили ли мы от первого родителя доминантный или рецессивный аллель. Кроме того, мейоз у гомозиготного второго родителя не порождает никаких новых сочетаний генов, так что по расщеплению в потомстве мы можем судить о продуктах мейоза только у первого родителя. Таким образом, мы можем напрямую подсчитать соотношение хромосом, в которых у первого родителя прошла и не прошла рекомбинация между исследуемыми генами. В таблице приведен пример генетического расщепления в анализирующем скрещивании. Фенотипы B b Сумма А 28 8 36 a 5 25 30 Сумма 33 33 66 Здесь фенотипические классы A B и a b представляют нерекомбинантные хромосомы, унаследованные от исходных родителей гетерозиготы Aa, Bb, а классы A b и a B представляют хромосомы рекомбинантные. Процент кроссинговера может быть найден путем деления суммарного количества представителей рекомбинантных классов на общее число потомков. В нашем случае это будет 13 / 66= 19,7. Как мы уже говорили, мейотическая рекомбинация, как правило, может пройти в любом месте хромосомы. Естественно было бы предположить, что точки, в которых она происходит, случайны. Однако на самом деле между кроссоверными событиями существует некое отталкивание, Вероятность двух и более кроссоверных событий на участке бивалента быстро падает по мере уменьшения его длины, а что на совсем коротких расстояниях два кроссоверных события становятся невозможными (причем этот предел разный для разных организмов). Это явление называется интерференцией. Тем не менее, можно предположить, что чем дальше гены расположены на хромосоме, тем больше вероятность того, что между ними произойдет кроссинговер. Это именно так и есть. Тем самым процент рекомбинации является мерилом расстояния между генами. На этом основано построение рекомбинационных генетических карт (рис. 14.2), которые назывались просто генетическими картами тогда, когда не было физических генетических карт, где расстояние между генами напрямую измерено в количестве пар нуклеотидов в ДНК – они появились лишь в последние десятилетия. Приведем несколько замечаний по поводу генетических карт: – генетические карты линейны, так как гены расположены на одномерной нити ДНК (это самоочевидно, но стоит напомнить); – генетические карты одного организма представлены отрезками, количество которых равно гаплоидному числу хромосом, так как локусы распределены по всем хромосомам. Локусы, расположенные на одной хромосоме, образуют одну группу сцепления; – если физическое расстояние между сцепленными генами достаточно велико, то в одном мейозе между ними может произойти более одного акта кроссинговера. Нетрудно заметить, что если одна и та же хроматида будет вовлечена в два кроссоверных события на участке между двумя локусами, то с точки зрения рекомбинации между аллелями этих локусов не произойдет. Если первый обмен меняет родительскую комбинацию аллелей разных локусов на противоположную, то второй обмен ее восстанавливает. Три обмена по результату ничем не отличаются от одного и т. д. Если расстояние между локусами слишком велико, то вероятность сохранения и обращения родительских комбинаций их аллелей выравнивается. В результате вероятность рекомбинации между их аллелями не может превысить 50 % и стремится к этой цифре по мере увеличения физического расстояния между генами; – если мы имеем на хромосоме три последовательно расположенных локуса a, b и с, то наблюдаемое в опыте рекомбинационное расстояние между локусами a – с будет меньше суммы расстояний a – b и b – c, так как в совместном расщеплении генов a и с мы не будем видеть результатов двух одновременных рекомбинационных событий, произошедих между a и b и между b и c соответственно, но учтем их при анализе совместного расщепления этих пар генов. Поэтому рекомбинационные генетические карты составляются на основании расстояний между близко сцепленными генами, когда вероятностью двойного кроссинговера можно пренебречь. Кроме того, для учета эффекта двойных кроссоверов применяются специальные картирующие функции. – исключая двойные кроссоверы на коротких расстояниях, интерференция помогает построению генетических карт. – единицей измерения рекомбинационных расстояний является сантиморган (сМ). Он назван так в честь упоминавшегося выше основного автора хромосомной теории наследственности, Нобелевского лауреата Томаса Моргана. 1 сМ соответствует вероятности рекомбинации в 1 %. – в силу своей физической природы, общее число актов генетической рекомбинации в одном мейозе равно общему числу хиазм. Каждая хиазма осуществляет рекомбинацию с вероятностью 100 %, но в нее случайным образом вовлекается только одна из двух сестринских хроматид каждого гомолога. Поэтому общая длина рекомбинационной карты для организма равна 100 n / 2 сМ, где n – среднее суммарное число хиазм во всех хромосомах мейоцита. Как правило, рекомбинационные и физические генетические карты неплохо соответствуют друг другу, однако у большинства генетических объектов рекомбинационная карта оказывается сокращенной вблизи центромер и растянутой вблизи концов хромосом. Мы помним, что центромера обычно характеризуется наличием многократно повторенных друг за другом голова-к-хвосту последовательностей ДНК. Дело в том, что в таких местах рекомбинационные узелки часто ошибаются «номером» повтора и осуществляют неравный кроссинговер, при котором число повторенных копий в одном гомологе увеличивается, в другом – уменьшается. Чтобы избежать этого, интенсивность рекомбинации в таких местах специально подавляется (и тем не менее, неравный кроссинговер – один из основных механизмов изменения числа копий повторенных районов ДНК). Опять-таки мы помним, что в метафазе первого деления мейоза биваленты удерживаются хиазмами, так что для правильного расхождения гомологов необходима хотя бы одна хиазма на бивалент, а лучше две – по обоим концам хромосомы. В начале профазы мейоза спаривание гомологов начинается с концов. Чтобы гарантировать наличие хиазм, одна хиазма для надежности как правило помещается вблизи конца хромосомы. Каждая хиазма означает один акт кроссинговера, в результате рекомбинация вблизи конца хромосомы идет с повышенной частотой. В некоторых случаях рекомбинация подавляется и в других участках хромосом. В частности, там, где эволюционно выгодно сохранять удачные комбинации аллелей разных локусов. Такие наследуемые всегда вместе группы аллелей разных локусов называются супергенами. У некоторых тропических бабочек есть такое явление – бейтсовская мимикрия: самки некоторых видов бабочек «подделываются» благодаря сходству крылового рисунка под неродственных им несъедобных бабочек и тем самым избегают атак хищников (птицы). При этом самки каждого вида полиморфны и каждая морфа подделывается под свой вид ядовитых бабочек. Смысл этого явления в том, что мимика (того, кто изображает) должно быть меньше, чем модели (того, кого изображают), иначе птицы не будут научаться ассоциировать этот облик с несъедобностью и мимикрия станет неэффективной. Так вот, каждая такая морфа кодируется одним супергеном. Иногда такие виды попадают в области, где модель отсутствует. В таких местах контроль за рекомбинацией ослабевает и локусы, ранее объединенные в суперген, начинают рекомбинировать. Это приводит к появлению самок с произвольными комбинациями признаков окраски разных морф. (Оговоримся, что контроль за рекомбинацией не возникает при первой необходимости, а достигается путем естественного отбора в длинном ряду поколений.) У некоторых организмов, например у ржи, рекомбинация подавлена вдоль всей хромосомы, но с необходимостью происходит возле ее концов. Это нужно для того, чтобы в мейозе на каждую пару гомологов (бивалент) приходилась как минимум одна хиазма, иначе гомологи не будут правильно расходиться в метафазе первого деления мейоза. Данное явление называется локализованные хиазмы. Определение пола Когда мы с вами скрещивали гетерозиготу с гомозиготой по рецессивному аллелю, т. е. проводили анализирующее скрещивание, то у нас получалось расщепление 1 : 1. Если ничто не влияет на жизнеспособность гамет, оно выполняется с хорошей точностью. Хотелось бы напомнить вам, что есть еще одна очень хорошо всем нам известная ситуация, в которой наблюдается генетическое расщепление потомства в отношении 1 : 1, выполняющееся с удивительной точностью. Не догадываетесь? Это расщепление по полу, расщепление на мужчин и женщин. Возникает законный вопрос: нет ли между этими двумя случаями какой-либо аналогии. Аналогия есть, и самая полная! Все мужчины всегда гетерозиготны, а женщины гомозиготны. Но не по аллелю какого-то гена, а по целой хромосоме. У человека среди 23 пар гомологичных хромосом одна пара является парой половых хромосом. Хромосомы всех остальных пар называются аутосомами. У всех женщин эта пара представлена одинаковыми гомологичными хромосомами, называемыми Х-хромосомами. У мужчин эта пара гомологов неравная. Одна из них представлена такой же Х-хромосомой, как и у женщин, другая является так называемой Y-хромосомой, которая гораздо меньше. Y-Хромосома содержит очень мало генов. Но именно там находится ген, который делают мужчин мужчинами. Он кодирует определенный белок, который связывается с ДНК и активирует другой ген, запускающий цепочку следующих химических сигланов, заставляющий половые органы развиваться в семенники. Если этот белок не появляется, то половые органы развиваются в яичники, так что пол по умолчанию у нас женский. Развитие всех остальных половых признаков определяется гормонами, выделяемуми семенниками либо яичниками. Гомозигот по Y-хромосоме не бывает, так как два ее носителя – оба мужчины – не в состоянии скреститься друг с другом; и даже если бы были в состоянии, то такая гомозигота была бы лишена множества жизненно-необходимых генов, присутствующих в Х-хромосоме и отсутствующих в Ухромосоме. Две женщины также не в состоянии скреститься, но они (будучи гомозиготами по Х-хромосоме) образуются за счет того, что у мужчин половина гамет (сперматозоидов) несет Х-хромосому, которая встречается с несущей Х-хромосому гаметой (яйцеклеткой), образуемой матерью (а женщины как гомозиготы не образуют других вариантов гамет). Другая половина сперматозоидов несет Y-хромосому и, объединяясь с несущей Х-хромосому яйцеклеткой, дает мужчин. Таким образом, «скрещивание» между мужчинами и женщинами – всегда анализирующее и всегда дает расщепление по фенотипу «пол» 1 : 1. Х-Хромосома кодирует множество полезных генов, которые оказываются у женщин в двойной дозе, а у мужчин – в одинарной (гемизиготе). Обычно такие вещи, как изменение дозы множества генов, не проходят для организма безнаказанно. Мы видели в случае генов, проявляющих доминирование, что организму зачастую неважно, содержится ли в ядре одна или две копии какого-то функционального гена (допустим, кодирующего фермент). Однако существуют регуляторные гены, белковые продукты которых представляют собой управляющие сигналы для других генов и синтезируются в считанном количестве молекул, и изменение их дозы может иметь критические последствия для организма. Чтобы скомпенсировать этот эффект, в каждой клетке женщины одна из Х-хромосом случайным образом инактивируется и плотно упаковывается. Это явление называется лайонизация в честь изучившей механизмы этого явления Мэри Лайон. Таким образом, все женщины – генетические мозаики. В их клетках случайным образом работает только одна из двух гомологичных Х-хромосом, полученных от отца и матери. У кошек этот мозаицизм можно наблюдать непосредственно. Все видели черепаховых кошек с окраской из чередующихся рыжих и серых пятен. Это всегда кошки, и никогда коты. Дело в том, что ген рыжеволосости у них расположен в Ххросомоме (в отличие от человека, где он находится в одной из аутосом). Если кошка гетерозиготна по нормальному и «рыжему» аллелю, случайная инактивация одной из Х-хромосом в клеточных клонах, из которых впоследствие развиваются пигментированные клетки, как раз и приводит к такой пятнистой масти. Если бы и у человека этот ген находился в Х-хромосоме, а не в хромосоме 16, то у некоторых девушек волосы были бы от природы мелированными. У такого популярного генетического объекта, как «плодовая мушка» дрозофила, пол определяется примерно так же, как и у нас. Однако есть и разница – лайонизации у нее нет, зато есть некий компенсаторный механизм, активирующий гены единственной Х-хромосомы у самцов. Кроме того, у них, в отличие от нас, мужской пол зависит не от присутствия Y-хромосомы, а от соотношения дозы X хромосомы и набора аутосом. Пол определяется соотношением продуктов генов «числителей», находящихся в Ххромосомах, и «знаменателей», находящихся в аутосомах, которые конкурируют за регуляторную область гена, экспрессия которого направляет развитие мухи в отношении того или иного пола. И у человека, и у дрозофилы крайне редко возникают аномальные особи, у которых имеется сразу три половые хромосомы – две Х и одна Y. У людей такие индивидуумы являются мужчинами, а у мух – самками. Такая система определения пола – не единственная, встречающаяся у животных. У таких неродственных (но почему-то красивых и летающих) групп, как птицы и бабочки, все наоборот: две одинаковые половые хромосомы имеют самцы, а разные – самки. (Говорят, что у людей гетерогаметный пол мужской, а у бабочек – женский). В некоторых группах у самок присутствуют две Х-хромосомы, у самцов – одна, а Ухромосомы нет. Иногда половых хромосом бывает много – до семи Х и семи У-хромосом у ехидны. Многие животные – гермафродиты, например улитки. Другие, например некоторые рыбы, способны менять пол по мере надобности. Тли все лето размножаются партеногенетически, т. е. самки рождают идентичных себе дочерей без оплодотворения. Однако при ухудшении условий, особенно осенью, в их потомстве появляются самцы, с тем, чтобы они оплодотворяли самок и вследствие генетической рекомбинации получались новые сочетания генов, которые могут оказаться полезными в меняющейся среде. Пол большинства рептилий зависит от температуры в определенный период эмбрионального развития, но эта зависимость нежесткая: изменяется лишь соотношение полов; а сам пол по-видимому определяется сдвигом тонкого баланса между действием нескольких генов в ту или другую сторону. Исследования половых хромосом показали, что они возникли независимо в разных крупных группах живых организмов (таких как, например, сумчатые и плацентарные млекопитающие, птицы и пр.), бывших первоначально гермафродитами или пол которых определялся условиями развития. Наследование, сцепленное с полом Как мы уже говорили, Х-хромосома содержит множество генов, тогда как в Y-хромосоме генов очень мало. В результате аллели локусов Х-хромосомы у самцов (мужчин) находятся в гемизиготе, т. е. в единственной копии, не имеющей своей визави, тогда как самки (женщины) имеют, как и в случае «обычных хромосом», т. е. аутосом, по два аллеля, полученных от отца и от матери, которые могут оказаться в гомозиготе и гетерозиготе. Это приводит к определенным особенностям наследования признаков, кодируемых генами, расположенными в половых хромосомах, иногда их довольно нестрого называют перекрестным наследованием, или крисс-кросс-наследованием. Проще всего рассмотреть это явление на примере наследования цвета глаз у мушки дрозофилы. Глаза у нее в норме красные, красный цвет может быть разных оттенков, что определяется многими генами, но есть один ген, обозначаемый w (от white) и локализующийся в Х-хромосоме, который кодирует белок, транспортирующий пигмент в клетки глаза, потеря функции которого приводит к тому, что глаза становятся не окрашенными, т. е. белыми. В генетике дрозофилы аллели принято обозначать надстрочными символами к обозначению локуса, но если мы рассматриваем единственный аллель, не способный выполнять функцию гена (как правило – производить нормальный белок), надстрочный символ можно опустить – в наше случае такой аллель будет обозначаться просто w. Аллель дикого типа обозначается надстрочным символом +, в нашем случае это будет w+. Если самец имеет красные глаза, то из наших знаний о природе гена w+ и его локализации на Ххромосоме мы должны заключить, что он гемизиготен по нормальному (функциональному) аллелю W. Пусть у нас есть белоглазые самки. Если данный фенотип вызван аллелем w (а есть и другие гены с таким эффектом), то они должны быть гомозиготны по аномальному (мутантному) аллелю, ww. Скрестим тех самцов с этими самками. Наши самки производят одинаковые яйцеклетки, несущие аллель w. Сперматозоиды же самцов несут либо Y-хромосому, на которой нет аллелей нашего гена, либо Ххромосому, несущую аллель w+. Сливаясь с яйцеклетками, сперматозоиды первого типа дадут самцов, гемизиготных по аллелю w, так как единственная их Х-хромосома получена от матери. Не имея ни одного функционального аллеля рассматриваемого гена, все эти самцы будут белоглазыми. Сперматозоиды второго типа будут давать гетерозиготных самок w+w, которые будут иметь красные глаза. Итак, мы взяли белоглазых самок и красноглазых самцов, а получили красноглазых самок и белоглазых самцов – пола поменялись цветами. Такие случаи и привели к понятию «перекрестное наследование». Но это лишь метафора, описывающая именно такую ситуацию – скрещивание самок, гомозиготных по рецессивному аллелю с самцами, гемизиготными по доминантному аллелю. Теперь скрестим самцов и самок первого поколения друг с другом. Все наши самки являются гетерозиготами w+w и соответственно проихводят яйцеклетки двух типов, несущие один из аллелей. Самцы также производят сперматозоиды двух типов, несущие либо Х-хромосому с аллелем w, от которых родятся самки, либо Y-хромосому, от которых родятся самцы. Поскольку самцы лишены нормального аллеля w+ и не передают его в потомство, цвет глаз потомства никак не зависит от отца и целиком определяется аллелем, полученным от матери. Таким образом, мы имеем аналог анализирующего скрещивания, и во втором поколении гибридов получаем соотношение красноглазых и белоглазых мух 1 : 1 независимо от пола. Теперь скрестим белоглазых самцов, которые, как мы знаем, гемизиготны по аллелю w, с красноглазыми самками, гомозиготными по нормальному аллелю, w+ w+. Наши самки производят одинаковые яйцеклетки, несущие аллель w+. Сперматозоиды же самцов несут либо Y-хромосому, на которой нет аллелей нашего гена, либо Х-хромосому, несущую аллель w. Сливаясь с яйцеклетками, сперматозоиды первого типа дадут самцов, гемизиготных по аллелю w+, так как единственная их Х-хромосома получена от матери. Сперматозоиды второго типа будут давать гетерозиготных самок w+w. Нетрудно понять, что все эти гибридные мухи первого поколения (F1) будут красноглазыми, так как имеют как минимум один функциональный аллель w+. В этом случае цвет глаз поменял мужской пол – все родительские самцы были белоглазые, все самцы первого поколения гибридов – красноглазыми. Однако цвет глаз женского пола остался какой и был. Давайте теперь скрестим самцов и самок первого поколения друг с другом. Поскольку все дочери всегда получают одну Х-хромосому от отца, а в нашем случае она несет аллель w+, то все они будут красноглазыми (а их генотипы будут представлены двумя классами, w+w и w+ w+, в соотношении 1 : 1). Сыновья получают от отца Y-хромосому, но ни одного аллеля нашего гена. Таким образом, их цвет глаз целиком определяется аллелем, полученным от матери. Все матери первого поколения гибридов являются гетерозиготами w+w, производят поровну гаметы, несущие аллели w+ и w, и таковы же будут генотипы и их соотношение у сыновей. Так что в данной ситуации самцы второго поколения будут поровну и красноглазыми, и белоглазыми. Но это мухи, а интересные гены, находящиеся в половой Х-хромосоме, имеются и у людей. Их наследование, естественно, ничем не отличается от находящихся в половых хромосомах генов дрозофилы. Мы уже упоминали про гемофилию в связи с особами королевских фамилий в Европе. Все говорит о том, что данный конкретный аллель возник благодаря мутации, случившейся не где-нибудь, а в клетках зародышевого пути самой королевы Виктории. Ген, рецессивный аллель которого определяет гемофилию, находится в Х-хромосоме. Там же находится ген, рецессивный (мутантный) аллель которого определяет дальтонизм (дефект цветового зрения). В случае генов человека нас мало интересует вопрос, что будет, если скрещивать такие-то и такие-то генотипы друг с другом, поскольку люди скрещиваются друг с другом по своему усмотрению, а не по желанию экспериментатора. Но для нас небезразлична частота встречаемости соответствующих патологических фенотипов в популяции. Обозначим как p частоту в популяции мутантного аллеля, вызывающего в гомозиготе или гемизиготе дальтонизм. Кто может сказать, с какой частотой у нас будут рождаться девочки, страдающие дальтонизмом? Чтобы страдать дальтонизмом, они должны иметь несчастье родиться гомозиготами по мутантному аллелю. Вероятность этого сложного события, т. е. выпадения мутантного аллеля дважды, для Х-хромосомы, полученной от матери, и Ххромосомы, полученной от отца, есть p x p = p2. А мальчики? У них имеется единственная Х-хромосома, полученная от матери, и если она несет мутантный аллель – они будут дальтониками. Таким образом, рождение мальчика-дальтоника – это простое случайное событие, как то попадание Х-хромосомы с мутантным аллелем от матери. Значит, мальчики с дальтонизмом будут рождаться с вероятностью p, равной частоте мутантного аллеля в популяции. Поскольку p, являясь частотой, по определению меньшей единицы, величина p много больше p2, т. е. мальчики-дальтоники рождаются гораздо чаще, чем девочки, что и имеет место в действительности. Можно было бы порассуждать на тему, что природа-мать бережет своих дочерей, но экспериментирует, тестируя аллели на выживаемость, на сыновьях, которых и немного достаточно в качестве производителей, чтобы обеспечить потомство, тогда как каждая самка дорога, ведь ей предстоит если не воспитывать потомство, то образовывать богатые запасами яйцеклетки. Но чтобы этого не делать, достаточно вспомнить, что у многих животных гетерогаметным является женский пол. У них все схемы наследования и частоты появления самцов и самок с мутантным фенотипом в отношении генов, находящихся в половых хромосомах, остаются теми же самыми, но зеркальными в отношении самцов и самок. Нерасхождения хромосом Мы выяснили, что наш пол определяется комбинацией двух половых хромосом – X и Y, которые сильно различаются по генетическому содержанию, но имеют и нечто общее, позволяющее им конъюгировать друг с другом в профазе мейоза и правильно расходиться к полюсам в анафазе его первого деления. Но в их правильном расхождении иногда случаются сбои, так что гамета, а затем и зигота получает аномальный набор половых хромосом. (Чаще всего Х- и Y-хромосома отходят вместе к одному полюсу.) Такие дети развиваются и рождаются, но демонстрируют характерные наборы аномалии развития, или синдромы, с которыми вам как психологам небезынтересно будет ознакомиться. Синдром Тернера встречается в соотношении 1 на 2 000 девочек. Он характеризуется невысоким ростом, широкой укороченной шеей (зачастую с крыловидными складками), широкой грудной клеткой, недоразвитыми молочными железами и половым оволосением, множественными родинками, определенной пространственной дезориентацией при хорошо развитом вербальном мышлении, неразвитыми половыми органами, отсутствием менструального цикла. Тот факт, что в этом случае половые органы не развиваются ни в яичники, ни в семенники, а представляют собой всего лишь тяжи соединительной ткани, тогда как развивается именно девочка, еще раз подчеркивает, что у нас женский пол развивается «по умолчанию». Причина всех этих бед – не хватает одной Х-хромосомы. Носительницы синдрома Тернера в наиболее полном выражении из половых хромосом имеют всего одну Х-хромосому. С частотой 1 : 1 000–2 000 рождаются девочки с тремя Х-хромосомами вместо двух. Их особенности не столь заметны, чтобы они были описаны в виде особого синдрома. Для них характерен высокий рост и нарушения менструального цикла. Интересный случай представляет собой синдром Кляйнфельтера – примерно один мужчина на 1 000. Высокий рост, непропорционально длинные конечности, отложение жира на груди и бедрах по женскому типу, недоразвитые семенники, бесплодие, пассивный характер, связанный с недостатком в крови тестостерона, вялость и в то же время склонность к аффективным вспышкам, повышенная внушаемость. Как вы думаете, каков у его носителей набор половых хромосом? Две Х и одна Y. Имея Y-хромосому, такие зародыши развиваются по мужскому пути, но полноценных мужчин из них все же не получается. В среднем один мужчина из 1 000 получает две лишние Y-хромосомы. Это случается из-за нерасхождения двух хроматид Y-хромосомы во втором делении мейоза. Такие мужчины имеют так называемое «высокое переносье» и несколько сниженные интеллектуальные способности. Долгое время сущесвовал миф, что они склонны к агрессии и антиобщественному поведению, но это не подтвердилось, по-видимому, такой вывод был сделан благодаря некоторой корреляции сниженного интеллекта и сниженной социальной адаптации. Количество хиазм, образующихся вследствие рекомбинации между довольно несходными между собой Х- и Y-хромосомами, не всегда достаточно для надежной стабилизации бивалента X-Y в метафазе первого деления мейоза, с чем и связана относительно высокая частота нерасхождения этих хромосом. Однако не всегда нерасхождение случается только с половыми хромосомами. Как правило, чем меньше хромосома, тем больше вероятность нарушений правильного расхождения ее в мейозе. Это, по-видимому, опять-таки вызвано небольшим количеством хиазм, образующихся вследствие рекомбинации. Всем хорошо известен синдром Дауна, характеризующийся умственной отсталостью, своеобразным, несколько уплощенным типом лица и смертью в среднем возрасте. В среднем один ребенок из 700 рождается с этим синдромом, причем у молодых матерей вероятность родить «Дауна» составляет около 1 : 2 000, а у матерей после 40 лет – 1 : 22. Синдром Дауна вызван тем, что самая мелкая из хромосом, 21-я по номеру, представлена не в двух, как положено диплоидному организму, а в трех копиях. В генетике это называется трисомией. Когда хромосома, которой у диплоидного организма надлежит присутствовать в двух копиях, находится в одной копии, говорят о моносомии (и мы с вами уже рассмотрели пример моносомии по Х-хромосоме), когда она вообще отсутствует – о нуллисомии. У человека нуллисомия ни по одной хромосоме несовместима с жизнью, но вот у некоторых организмов, особенно у тех, у кого геном расфасован в очень большое число хромосом, она встречается. Хромосомные перестройки Через определение пола мы с вами подошли к теме хромосомных аномалий и рассмотрели такие из них, которые связаны с изменением количества хромосом. Но хромосомы могут изменяться не только в числе, но и в структуре. В таких случаях говорят о хромосомных мутациях, но чаще – о хромосомных перестройках. Хромосомные перестройки связаны с разрывами хромосом и их воссоединением. Вообще-то молекула ДНК одной хромосомы разрывается достаточно часто – к примеру, во время рекомбинации, иногда при репликации или переупаковке ДНК, когда нужно снять сверхспирализацию, но эти разрывы быстро сшиваются заново. Хромосомные перестройки возникают тогда, когда возникает более одного разрыва, а сшиваются они не так, как положено. Во время рекомбинации также возникает два разрыва, которые затем сшиваются крест-накрест, но они возникают и сшиваются в строго соответствующих друг другу точках двух гомологов. А вот если они сошьются в «незаконных точках», то это будет уже хромосомной перестройкой. Вариантов хромосомных перестроек существует множество, но все их можно свести к четырем основным типам: делеции – два разрыва одной хромосомы сшиваются так, что участок между ними теряется. При этом хромосома лишается некоторой своей части. Можно было бы предположить, что могут существовать делеции и тогда, когда хромосома просто оборвана с одного своего конца. Однако при таких обрывах теряется теломера, которая совершенно необходима для контакта концов хромосомы с ядерной оболочкой и правильного поведения хромосом в мейозе, поэтому такая хромосома, лишенная теломеры, просто теряется; дупликации – удвоения некоторого участка хромосомы. Такое бывает, к примеру, когда дуплицированный участок «позаимствован» у второго гомолога за счет неправильной рекомбинации в профазе мейоза. Особенно часто такое случается с повторенными друг за другом участками хромосом (тандемными повторами); инверсии – два разрыва одной хромосомы сшиваются так, что участок хромосомы между ними оказывается перевернутым; транслокации – два разрыва, произошедших на двух негомологичных хромосомах сшиваются так, что хромосомы оказываются обменявшимися своими участками. Можно выделить также транспозиции – вырезание участка хромосомы и встраивание его в другое место той же или другой хромосомы, но это можно рассматривать как сочетание делеции с дупликацией или двух транслокаций. Влияние хромосомных перестроек на организм может быть разным. Крупные делеции приводят к потере важных генов и потому летальны как минимум в гомозиготе. Дупликации приводят к увеличению копийности генов, находящихся в дуплицированном участке, что может негативно сказаться на слаженной работе генома, т. е. привести к генному дисбалансу. Крупные делеции также приводят к генному дисбалансу, даже находясь в гетерозиготе. Инверсии никак не влияют на организм, если, конечно, один или оба разрыва не пришлись на важные гены, что случается редко, а произошли в межгенных промежутках (которые обычно весьма обширны). Однако крупные инверсии, крупные дупликации и почти все транслокации, находясь в гетерозиготе с хромосомами ненарушенной структуры, приводят к нарушениям правильного расхождения хромосом в мейозе, поскольку спаривание их гомологичных участков в профазе приводит к различным проблемам топологического характера. Гомологичные участки хромосом спариваются в любом случае, но при этом у гетерозигот по инверсиям образуются кольца, а у гетерозигот по транслокациям – кресты, вовлекающие две пары гомологов. Мы не будем вдаваться в подробности, при желании вы можете сами поупражняться в топологии и посмотреть, что происходит при спаривании хромосом при разных ситуациях. Все эти аномальные биваленты нарушают правильное расхождение гомологов и могут приводить к нерасхождению хромосом или их дальнейшим разрывам. При этом часть гамет будет получать ущербные копии гаплоидного генома, а часть – избыточные копии. В обоих случаях образуются неполноценные гаметы. Поэтому хромосомные перестройки могут не влиять на жизнедеятельность своего носителя, но создавать проблемы при его размножении. К примеру, у человека транслокационный обмен 21-й хромосомы с одной из крупных хромосом резко повышает частоту возникновения синдрома Дауна, так как большая хромосома «прихватывает с собой» связанную теперь с ней 21-ю. Наследование количественных признаков Когда мы рассуждали, какие бывают признаки, то выделили класс количественных признаков, которые можно выразить вещественным числом, но не принадлежностью к какому-то альтернативному классу объектов. В случае таких признаков у нас нет ставших уже привычными фенотипических классов. Не станем же мы считать отдельным фенотипом любое значение признака, – поскольку на любом отрезке значений существует бесконечное количество вещественных чисел. Однако количество генотипов может быть очень велико, но заведомо небесконечно, ведь количество генов в классическом генетическом значении – как наследственных факторов, влияющих на признаки организма, – ограничено десятками тысяч, да и число аллелей ограничено конечным числом индивидуумов. Все дело в том, что развитие организма не строго определено генетически – на него всегда оказывает то или иное влияние условия среды, прежде всего во время его эмбрионального развития, а иногда в нем заложен определенный уровень случайности. Если мы возьмем такой признак, как количество рук у человека, то он почти не подвержен влиянию среды. Если же возьмем вес человека, то он с очевидностью зависит от режима его питания. Классические примеры из учебников природоведения – одинаковые генетически одуванчики, имеющие широкие листья с плавными краями на плодородной почве и узкие изрезанные листья на сухой почве, или листья полуводного растения стрелолиста, стреловидные над водой и линейные под водой. Можно привести еще пример из соседней Томской области. Границу нашей и Томской области занимает самое большое в мире Васюганское болото. Это пространство сфагновых болот, на котором обильно растет сосна, очень похожая на японские бонсаи – карликовые деревца 2–3 м высотой с густыми ветвями, которым может быть за сотню лет. На самом деле это обыкновенная сосна, растущая в специфических условиях. На экологическом стационаре в Томской области был поставлен эксперимент – выкопана траншея глубиной, постепенно увеличивающейся до нескольких метров. Эта траншея обеспечила дренаж болотной почвы, тем больший, чем больше была ее глубина. Сосны, росшие неподалеку от траншеи, почувствовали себя лучше и начали быстро расти. В результате вдоль траншеи с нарастающей глубиной образовался строй сосен с плавно, но существенно нараставшей высотой. Это были те самые сосны, которые многие десятки лет были совершенно одинаковой небольшой высоты. Ряд признаков животных и растений не строго детерминирован, так что допускают случайные колебания вследствие случайностей на уровне работы генетического аппарата (допустим, связался какой-то регуляторный белок, присутствующий в ничтожных количествах в ядре, с реплицирующейся ДНК или не связался). Такие колебания хорошо видны на примере случайной асимметрии каких-то признаков симметричных органов. Например, количество ячеек между определенными жилками на правом и левом крыле стрекозы. Хорошим объектом для таких исследований послужили свободноживущие морские многощетинковые черви. Почти все сегменты их длинного тела «по своей идее» одинаковы, каждый сегмент несет с каждой стороны подвижные выросты – параподии – усаженные щетинками. Количество щетинок как на правой и левой параподии одного сегмента, так и между сегментами варьирует в пределах определенного диапазона, но совершенно случайно. Эти примеры показывают, что диапазон значений многих признаков, которые допускает один и тот же генотип в зависимости от условий среды или даже за счет собственной нестрогости процесса развития – норма реакции признака – может быть очень велик. Неудивительно, что если у нас есть гены, влияющие на какой-то из приведенных в качестве примера признаков, то выделить этот эффект на фоне различий в условиях среды, часто нам не известных, будет непросто. Так и получается. Обычно мы без труда можем различить растения нормального и карликового гороха по росту, а в сомнительных случаях без колебаний различаем их по относительной длине междоузлия. Но не всегда эффект одного гена на признак столь велик и обычно у нас нет подсказки по другим признакам. Поэтому даже если на количественный признак влияет всего два-три разных гена, нам будет непросто различать генотипы – мы увидим всего лишь непрерывную изменчивость признака. Влияние нескольких генов на один и тот же признак называют полимерией, и классическим примером тут служит цвет волос людей. Есть несколько генов, влияющих на их окраску, у каждого есть «сильные» и «слабые» аллели – первые усиливают степень пигментации, вторые – не усиливают ее. В результате интенсивность пигментации волос зависит от общего количества «сильных» аллелей во всех этих генах. И хотя их не так и много, кто возьмется разбить людей на классы по цвету волос. Но есть такие признаки, на значение которых влияют сотни, если не тысячи, генов. К примеру, размер тела. Любое генетическое нарушение, так или иначе влияющее на жизнь организма во время его развития (прежде всего, ухудшающее ее), скажется на размерах. Или возьмем такую важную и сложную характеристику человека, как интеллект. Интеллект – функция такой сложнейшей структуры, как мозг (и в конструктивном, и химическом отношении), в формировании которой задействовано множество генов. Понятно, что отклонения в функции каждого из этих генов скажутся на интеллекте (причем большинство – в негативную сторону). В основном эти гены наследуется независимо друг от друга, а значение интегрального признака сказывается от общего баланса «повышающих» и «понижающих» аллелей, причем для каждого гена существует не два этих типа, а произвольно количество аллелей разной «силы». Что мы получаем в результате? Мы получаем слитное наследование, очень хорошо совпадающее с интуитивной и бытовой «теорией крови», существовавшей задолго до генетики и прекрасно существующей в обиходе «нормальных людей»! Она гласит всего лишь, что признаки потомства в среднем промежуточны между признаками родителей. Интуитивно мы часто отбрасываем это «в среднем», однако даже в обыденной жизни сталкиваемся с индивидуумами, некоторые количственные признаки которых отгюдь не промежуточны между родительскими. В целом для признаков, на которые влияет множество генов, «теория крови» вполне верна. Немного терминологических тонкостей. Вклад изменчивости по отдельно взятому гену в изменчивость такого интегрального количественного признака обычно невелик, как раз в силу того что таких генов очень много. Обычно он сопоставим с влиянием окружающей среды или меньше такового. Исходя из термина «полимерия», наследование таких признаков назвали полигенным, а сами подобные гены – полигенами. С развитием молекулярной генетики эти термины стали иногда приводить к недоразумениям. В геноме обнаружено много семейств структурно родственных друг другу генов, которые стали называть мультигенными семействами (к наследованию признаков это не имеет никакого отношения). Молекулярные биологи, далекие от классической генетики, иногда стали называть их «полигенными семействами» (оба слова имеют одинаковое значение – «многогенные», но одно по-латыни, другое погречески). В связи с бурным развитием молекулярной биологии такая стихийная «экспроприация» термина привела к тому, что гены количественных признаков теперь приходится называть английской аббревиатурой QTL (quantitative trait loci). Нетрудно понять, что обычный генетический анализ полигенных признаков (оставим «классическую» терминологию) невозможен. Генетикам приходится проводить много измерений и вычислений, требующих изощренной математической статистики, имея на выходе обычно лишь такие результаты, как предположительное число генов, влияющих на признак, или вклад определенного участка хромосомы в наследование того или иного количественного признака. Приведем один из самых простых примеров – формулу Кастла – Райта, позволяющую оценить число генов (N), влияющих на признак. В формулу заложены очень сильные допущения – у одного из родителей собраны в гомозиготе «сильные» аллели, у другого – все «слабые» аллели, все соответствующие локусы не сцеплены, эффект всех сильных аллелей равен друг другу и складывается (отсутствуют нелинейные эффекты взаимодействия аллелей разных генов): N = (p1 – p2)2 / 8(VF2 – VF1), где p1 и p2 – значения признака у родителей, VF1 и VF2 – дисперсии (или вариансы, т. е. суммы квадратов отклонений индивидуальных значений признаков от среднего, деленной на общее число индивидуумов) в пределах поколений гибридов F1 и F2. Нетрудно понять, что VF1 здесь служит мерилом влияния среды, так как гибриды F1 от гомозиготных родителей должны быть генетически идентичными. Вообще, дисперсии – очень важные параметры в генетике количественных признаков. Важным понятием является, к примеру, наследуемость признака – отношение доли наследуемой части дисперсии признака к общей его дисперсии. Кстати, условие, гласящее, что эффекты аллелей всех локусов должны просто складываться (это называется аддитивным наследованием), которое необходимо для многих расчетов, как правило, выполняется, если рассматривать не сами значения признаков, а их логарифмы. Это возникает вследствие того, что признаки формируются в ходе индивидуального развития организма, которое по сути есть очень сложная химическая реакция, происходящая под управлением генов, которые в определенные моменты обеспечивают определенные концентрации определенных веществ. Эти концентрации выступают как сомножители в уравнениях скоростей составляющих индивидуальное развитие реакций, а значения признаков напрямую зависят от каких-то из этих (или даже всех) скоростей. Поэтому индивидуальные вклады отдельных генов в количественный признак обычно не складываются, а перемножаются, то есть каждый ген увеличивает или уменьшает значение признака во сколько-то раз (допустим, один ген увеличивает закладку какого-то органа в 1,5 раза, потом включается другой и увеличивает ее еще в 1,2 раза). Как известно, логарифм произведения есть сумма логарифмов сомножителей. Поэтому и получается, что логарифм значения признака складывается из суммы, а не произведения, вкладов разных генов. А согласно центральной предельной теоремы матстатистики, распределение суммы многих независимых случайных величин стремится к нормальному распределению. Как видите, генетика может быть очень непростой наукой и во всех своих проявлениях, простых и сложных, тесно связана с математикой. Объем нашего курса не позволяет углубляться в сложности, поэтому на этом наше знакомство с генетикой мы закончим. Лекция 15. ЭВОЛЮЦИЯ КАК ФАКТ Мы живем в воздушной стихии и дышим воздухом и при этом не воспринимаем у воздуха никаких свойств, так что и само его существование для людей долго не было очевидным и о нем догадывались только благодаря существованию ветра. Подобным образом эволюция является чем-то собой разумеющимся для большинства биологов. Хочется начать лекцию со слов: «В наше время факт эволюции признается всеми, а между тем еще совсем недавно сама эта идея воспринималась в штыки». Но вот уже второе заявление подано в суд на Министерство образования по причине того, что в школе преподают основы теории эволюции... В идее эволюции людей более всего всегда раздражала именно обезьяна, как наш ближайший, но такой несолидный родственник, а не какие-нибудь там «черви». Нет больших врагов, чем близкие соседи. Самое большое сходство раздражает именно тем, что слишком бросаются в глаза отличия. Но что говорить об обезьянах! В эпоху великих географических открытий имелись большие сомнения и в человеческой природе аборигенов заморских стран. Причем они шли даже не от излишнего шовинизма, а проистекали из некоторых утверждений Библии, касающихся «всех людей» – американские индейцы, живущие за океаном, никак не могли быть потомками Ноя, который был общеизвестен как предок всех современных людей. Другими словами, обращаем ваше внимание на то, что аргументы против человеческой природы аборигенов носили вполне научный характер – люди отталкивались от теоретических положений, в тот момент считавшихся верными, и руководствовались рациональным мышлением, которое тогда отличалось разработанной практикой и большой культурой – ведь это было время расцвета схоластики. Когда были вскрыты египетские пирамиды и найдены мумии животных, то среди ученых возник ажиотаж. Дело в том, что пирамиды Древнего Египта были явлением писаной истории и более или менее хорошо датированы. Получалось, что эти животные жили почти сразу же после сотворения мира, дата которого полагалась известной точно. В Библии сказано, в какие именно дни создавались животные и растения (и ничего не сказано о микроорганизмах), но относительно возможности или невозможности их изменений ничего не говорится. Выяснилось, что кошки и ибисы из пирамид были точно такими же, как и на момент этого научного спора. Это был аргумент против эволюции, ибо получалось, что она должна была происходить в течение очень короткого времени, после чего все оставалось неизменным. Альтернативой эволюции была теория катастроф Кювье, согласно которой необычные ископаемые животные, такие как динозавры, были созданы одновременно с существующими ныне, но просто не дожили до наших дней. Много позже английский ученый Эдвард Бернетт Тайлор предположил, что и представление о душе, присущей всем живым, а заодно и неживым существам, равно как и выведенные из него в дальнейшем представления о божествах и, в конце концов, о едином боге, можно рассматривать в качестве наиболее рациональной тогда интерпретации бесспорных фактов, а именно: 1) феномена жизни как чего-то такого, что в один момент может покидать тело, не претерпевающего в этот момент никаких видимых физических изменений; 2) факта путешествий, общения с умершими родственниками и т. п. во время сновидений. Таким образом, в то время, когда идея эволюции принималась в штыки, этому способствовало как раз рациональное мышление и наличный набор положений, как верных, так и оказавшихся впоследствии иллюзорными. Прогресс науки, т. е. накопление знаний и пересмотр некоторых из них, умерил претензии религии на точное знание о прошлом. Католический палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден утверждал, что три дня творения следует понимать чисто метафорически, и католическая церковь сейчас стоит именно на этих позициях. В своей книге «Введение в христианство» нынешний Римский Папа Бенедикт XVI, тогда кардинал Йозеф Ратцингер, объяснял триединство божье по аналогии с корпускулярно-волновым дуализмом Де Бройля (утверждение о том, что любой объект микромира – это одновременно и волна, и частица), а бессмертие души трактовал как бессмертие в памяти божьей. Мы посвятили пять лекций биохимии, пять – цитологии и три – генетике. Углубившись в эти предметы, человек обычно выныривает наружу с вполне сформировавшимся и при этом очень спокойным (без полемического заострения) эволюционным мышлением. Особенности тонкого строения биологических объектов не оставляют сомнения в том, что эволюция имела место. Так как именно здесь мы можем оценить всю подлинную степень внутреннего сходства и несходства между разными организмами. И эти сходство и несходство таковы, что подразумевают эволюцию как естественное и единственно приемлемое объяснение. Некоторые явления невозможно рассмотреть без рассуждений наподобие: «Это понадобилось для того, чтобы...». При этом всякий раз можно понять, у какой группы организмов возникли те или иные конструктивные решения, кем были унаследованы. Таким образом, в каждой лекции попутно рассказывалось эволюцию, потому что вся биология есть наука о продуктах эволюции неких исходных самовоспроизводящихся химических систем. Действительно, возьмем митохондрии с их прокариотически организованной генетической системой (структура и упаковка ДНК, рибосомы), уменьшенным количеством тРНК и, наконец, с их функцией в клетке, которая совпадает со способностью свободноживущих аэробных бактерий – осуществлять клеточное дыхание. Для этого у них реализованы цикл Кребса в матриксе, цепь переноса электронов на внутренней мембране, применяется удивительными изобретение, как АТФ-синтетаза, которая работает как гидроэлектростанция, переводя энергию разности концентраций протонов и разности электрических потенциалов на мембране в энергию химической связи АТФ. Мы находим сходным образом устроенные митохондрии у всех эукариот – у простейших, растений, грибов, животных, включая человека. Ознакомившись со всеми этими сложнейшими, в чем-то явно случайными и в то же время одинаковыми у всех эукариот деталями, ни у кого не возникнет сомнений в том, что все они родственники и произошли у всех эукариот из одного корня, а корень этот находился где-то среди множества свободноживущих аэробных бактерий. Еще более убедиительно выглядят особенности генетического кода, который предполагает единый четырехбуквенный язык нуклеотидов в двух диалектах – ДНК и РНК, двадцатибуквенный язык аминокислот, 33 транспортных РНК, являющихся посредниками при переводе с одного языка на другой, 20 аминацил-тРНК-синтетаз, являющихся истинными переводчиками, рибосомы – цеха, в которых перевод происходит. Уже рассматривая аминокислоты, мы не можем отделаться от впечатления, что набор их случаен и что для обеспечения тех же функций их могло быть несколько больше или несколько меньше или они могли быть несколько другими, относящимися к тем же основным классам. Мы видели, что в энергетических процессах используются некие нуклеотиды, отличные от тех, которые присутствуют в ДНК и РНК, так что и набор нуклеотидов в нуклеиновых кислотах мог бы, наверное, быть другим. Причем существование двух диалектов языка нуклеотидов – ДНК и РНК – наглядно демонстрирует такую возможность. Сама структура генетического кода являет нам несколько вполне случайных отклонений от так называемого идеального кода, у которого значение имели бы два первых нуклеотида и класс третьего. Вся эта машина поражает достаточно неожиданными качествами: 1) огромной сложностью; 2) эффективностью (несколько даже удивительной при такой тонкости устройства); 3) единичностью и уникальностью множества решений в тех случаях, когда имелась возможность выбора между одинаково эффективными вариантами, причем эта единичность и уникальность выглядит вполне случайной (как индивидуальность человека возникает из случайности сочетания нескольких десятков тысяч генов); 4) идентичностью у всех известных нам живых организмов. Мы не можем отделаться от вполне естественного предположения, что все мы вместе – всего лишь результат двух явлений: 1) нескольких принципиальных конструктивных решений, к примеру появления нуклеиновых кислот как самовоспроизводящихся биополимеров и белков как универсальных химических и даже механических машин; 2) распространения и модификации одной-единственной удачной модели, вместе со всеми ее случайными чертами. Может быть, эта модель – не самая удачная среди всех теоретически возможных, но наверняка самая удачная из реально возникших на заре зарождения жизни. Сложно удержаться от высказывания, что это первая модель, способная завоевать рынок. В результате она до сих пор держит на нем абсолютную монополию и другие решения, пусть даже они возникнут, просто не в состоянии пробиться, не имея стартового капитала. Это действительно хорошая аналогия, но теперь давайте ее рассмотрим в обратном порядке: что есть этот рынок и тот стартовый капитал. Рынок здесь – это экологическое пространство, или пространство экологических ниш. Экологическая ниша – это среда, в которой может обитать тот или иной вид, скажем так: полный набор его потребностей. У каждого вида – своя ниша, и насколько различаются свойства видов, настолько различаются и свойства ниш. На первый взгляд, получается лишнее понятие, определяемое логически порочным кругом. Но экологических ниш на практике иногда оказывается больше, чем видов. Экологическая ниша часто оказывается заметной, когда она возникает впервые или когда она пустовала и ее заняли на наших глазах. К примеру, когда в Австралию завезли овец, тамошние пастбища овечьим пометом, потому что там не было подходящих навозных жуков, чтобы его перерабатывать. Тогда завезли и жуков и все пришло в норму. Очевидно, что не будь овец и других копытных, не было бы и экологической ниши для навозников. Иными словами, одни организмы создают экологические ниши для третьих, те – для следующих и т. д. Все как на рынке: спрос рождает производство, но производство влияет на спрос, развивает его и диверсифицирует. Мы имеем систему с положительной обратной связью, склонную к безудержному разбуханию. Такова и эволюция. Думается, что никто, посмотрев на Землю 3 млрд лет назад (восстановительная атмосфера, активный вулканизм, высокие температуры), не сказал бы, что там есть или хотя бы предвидится экологическая ниша для бронтозавра, мамонта и человека. И вся эволюция могла бы пойти по-другому, если бы не пара астероидов, врезавшихся в Землю в конце триасского и мелового периода (в последнем случае в результате эффекта типа ядерной зимы вымерли динозавры, аммониты и вообще 90 % населявших Землю видов, а накопление мелов на дне океана временно прекратилось). Экологическое пространство можно определить как множество всех видов живых организмов, которые потенциально могли бы существовать в данном месте, к примеру на данной планете. Это понятие абсолютно неконкретное и умозрительное – никто не знает, кто мог бы существовать, но не существует, а кто не мог бы. Вот кролика завезли в Австралию – и стала Австралия бедствовать. Не было там ниши для кролика, которая бы вписалась в австралийское экологическое пространство, не разрушая его. Кролик съедает траву, разрушая местные экосистемы. Возникает другое, более бедное экологическое пространство. Но все авторы отмечают, что завезенная из Америки ондатра органично вписалась в экосистемы Старого Света, вполне размножившись и нигде ничего не нарушив, т. е. была у нас ниша для ондатры, хотя никто об этом не подозревал. Экологическое пространство – такое же абстрактное понятие, как и рынок, но эволюция и экспансия товаров на рынке и видов живых организмов – вещи вполне реальные, и происходят по сходным законам, для понимания которых нам и потребовались эти абстрактные понятия. Иначе говоря, в конкретных примерах мы сталкиваемся с определенными свойствами того или иного экологического пространства. А что у нас за стартовый капитал? Это наследие космоса, наследие взорвавшихся сверхновых звезд, из пепла которых сконденсировались звезды второго поколения, как и наше Солнце вместе со своими планетными системами. Это океан воды и множества разнообразной органики, из которой зарождавшаяся жизнь черпала конструктивные элементы и которой «питалась», пока не научилась производить «продукты питания» (органические вещества) самостоятельно. У нашей формы жизни все это было, и было чудовищное количество времени на эксперименты. А сейчас на нашей планете практически вся органика приватизирована – она принадлежит тем или иным живым организмам, причем входящие в нее атомы организованы в сочетания, полезные хозяину. Конкурировать с такой системой могла бы лишь не менее эффективная и отлаженная инопланетная жизнь, которой пока не наблюдается даже в телескопы. Вернемся к эволюции нашей жизни. О том, как именно возникли такие абсолютно универсальные ныне «находки», как генетический код и клеточная организация, ученые могут строить лишь более или менее правдоподобные теории, а о не сохранившихся до наших дней менее удачных моделях базового устройства живой материи вообще не осталось никакой информации. Но живые организмы обладают огромным количеством свойств, общих каким-то их группам. Мы с вами не рассматривали принципы организации многоклеточных организмов, но можно сказать, что одни и те же принципы реализуются разными путями. Растения (в широком смысле, включая многоклеточные водоросли) изобретали многоклеточность много раз, животные – минимум дважды: губки и все остальные (но самые древние известные остатки многоклеточных по видимому представляли независимые попытки). И мы ясно видим, что по начальным этапам образования многоклеточного организма из одной-единственной клетки – зиготы мы, во-первых, одинаковы с медузой (однослойная сфера из клеток впячивается, образуя полость кишечника), но неодинаковы с губкой. На следующем уровне неодинаковы с медузой, но одинаковы с печеночным сосальщиком (у нас обоих вместо радиальной симметрии появляется билатеральная, т. е. мы организмы, у которых есть не только передний и задний конец, но и правая и левая сторона). Далее, по способу образования тканей в раннем эмбриональном развитии мы неодинаковы с этим самым сосальщиком, но одинаковы с аскаридой (у нас есть третий слой зародышевых клеток – мезодерма). На следующем уровне мы неодинаковы с аскаридой, но одинаковы с трепангом – у нас ротовое отверстие происходит не из впячивания первичного кишечника, а открывается отдельно на противоположном конце тела – мы вторичноротые. У миноги и у нас с вами есть позвоночник, но у миноги нет костей. Кость есть у акул, но не в скелете, а только в чешуе и зубах, которые суть видоизмененные чешуи. Как и у костных рыб, у нас есть костный скелет, но у рыб нет ног. У нас есть ноги, как у лягушки... Впрочем, дальше вы все сможете назвать сами – сходства и различия начинают в буквальном смысле лежат на поверхности. Если вы посмотрите на детали строения четвероногих животных (крокодилов, кошек, коров, обезьян) от расположения атомов в органических веществах их тела до общей внешности, то увидите, что общего неимоверно много, а различия вполне поверхностны. Мы сделаны не только из одного конструктора, но, по сути, из одних комплектующих узлов, с небольшими доработками. Причем в том, что касается надклеточного уровня организации, перед нашими глазами одновременно есть почти все стадии сборки. Мы все в курсе, что одновременно со сложноорганизованными формами жизни существуют и просто организованные. В современном мире живут и процветают одноклеточные, двуслойные, первичноротые, хрящевые, холоднокровные и т. д. Этот факт был очевиден первому ученому-эволюционисту Жану Батисту Ламарку, которому принадлежит такое метафорическое понятие, как лестница живых существ. Он интерпретировал ее именно как путь восхождения от низших к высшим. У него не было сомнений, что эволюция имеет направление и цель – создание все более совершенных и сложных (что почиталось за синонимы) форм жизни, причем ее целью и результатом почитался, естественно, человек. Все более простые организмы рассматривались им как подготовительные этапы. Тот факт, что без низших высшие жить не в состоянии, не особенно осознавался (а сейчас мы знаем, что ни растения, ни животные не могут жить без бактерий). Заметим, что у Ламарка была лестница, но еще не древо. Для него усложнение организации было важнее возрастания разнообразия этой самой организации. Вопросы о том, кто совершеннее и есть ли у эволюции направление, не столь просты. Причем они сложны более не по сути, а по своей казуистике, так как тут очень важно содержание понятий совершенства, направления, цели и т. д. Лет 20 назад была высказана такая точка зрения, что живым существом, близким к идеальному, является бактерия (и для ее химической экологической ниши это сущая правда), а эукариоты и все многоклеточные возникли как результат накопления слабо вредных мутаций в малых популяциях. Согласно этой точке зрения, многоклеточные – это такие уроды и монстры, «мутанты», как их понимают в американских ужастиках. Сейчас пришли к тому, что сложность строения сама по себе не представляет эволюционного преимущества, но усложнение организации бывает полезно в определенных условиях. В результате мы имеем весь континуум форм от простых к сложным, который фактически является слепком всей эволюции. И мы можем видеть формы, в той или иной степени аналогичные промежуточным звеньям эволюционной ветки, которая привела к нам с вами. Мы видим одноклеточных жгутиконосцев, потом плоскую однослойную колонию жгутиковых клеток (трихоплякс из типа пластинчатых), она иллюстрирует простейшую многоклеточную форму. И далее – все то, о чем говорилось выше. Это кишечнополостные – медузы, гидры, актинии, которые изобрели впячивание части колонии клеток вовнутрь с образованием первичного кишечника. Потом – плоских червей, которые легли на дно, в результате чего у них образовалась брюшная и спинная сторона. Потом – круглых червей, у которых впервые сформировался третий тип зародышевых клеток – мезодерма; кроме того, они изобрели такую важную вещь, как анальное отверстие. Потом мы видим ряд странных организмов, у которых рот и анальное отверстие зачем-то поменялись местами – вторичноротых. Потом – ланцетника, у которого появляется хорда – плотная и эластичная продольная механическая ось тела, играющая важную роль при активном плавании. Потом – миног и миксин, у которых хорда есть только у зародыша, а потом заменяется позвоночником, подобным тому, который есть и у нас с вами, но хрящевым. Потом – акул, у которых уже есть челюсти и костная ткань в виде зубов и чешуй. Потом – костных рыб, у которых окостеневает позвоночник. Потом – кистеперых рыб, у которых появляется костная основа парных плавников. Потом – земноводных, у которых из этих плавников развиваются четыре ноги, появляются легкие, а костная чешуя исчезает. Потом – пресмыкающихся, которые утратили водную личинку (головастика), так что их жизнь стала проходить целиком на суше. У них вновь появилась чешуя, но уже из рога. Потом – млекопитающих, которые научились поддерживать постоянную температуру тела (независимо от них то же самое сделали птицы), для удобства поддержания которой они превратили чешую в волосы. Часть из них (в наше время – подавляющая) перестала откладывать яйца, перешла к живорождению и стала вскармливать детенышей продуктом видоизмененных потовых желез – молоком. Непосредственным предкам людей осталось сделать пустячок – встать на задние ноги (зачем – вопрос довольно спорный) и развить до непомерных размеров мозг. Предкам коров пришлось потрудиться на конструкторской ниве гораздо больше – шутка ли, превратить желудок в сложную многокамерную фабрику для разведения особых инфузорий и бактерий, питающихся целлюлозой! Есть еще один факт, поразивший биологов XIX в. Тот же самый ряд форм, восходящий от совсем простых ко все более похожим на нас, мы видим не только вокруг нас, но и внутри, а именно – в раннем эмбриональном развитии. Стадия бластулы – сфера из одинаковых клеток – в чем-то аналогична вольвоксу и трихопляксу. Стадия гаструлы, когда одна из ее сторон впячивается вовнутрь, чем-то похожа на гидру (только без щупалец – зародышу ведь не нужно самому добывать пищу). Затем имеется стадия, в чем-то похожая на ланцетника – с эластичной хордой на месте будущего позвоночника, и несколькими жаберными щелями (рис. 15.1). Дальше можно было бы не продолжать. Увидеть у зародыша человека жаберные щели, которыми он не дышит и никогда не будет дышать, но которые так похожи на те жаберные щели, которыми дышат ланцетники и акулы, – это многого стоит! После этого та стадия зародыша, когда он представляет собой мелкое четвероногое с хвостом, уже не так и впечатляет. Эти наблюдения эмбрионов привели к формированию так называемого биогенетического закона Геккеля – Мюллера, который в своей наиболее емкой форме гласит: онтогенез повторяет филогенез. В этой формулировке он, естественно, неверен. Никакая стадия развития зародыша не является рыбой или рептилией в полном смысле этого слова. Более точная и скучная формулировка: онтогенез воспроизводит онтогенезы предковых форм. И вообще, этот «закон» весьма приблизителен и в буквальном понимании неверен даже в первом приближении. Онтогенез (эмбриональное развитие) – это специальная программа развития данного конкретного многоклеточного организма из одной клетки, и там имеются свои решения, «придуманные» специально для успешного достижения этой цели в конкретных условиях – достаточно упомянуть плаценту. Однако появление структур, отсутствующих у взрослых организмов и вообще никогда не работающих, но полностью аналогичных работающим структурам предполагаемых предков, таких как хорда и жаберные щели у человека, – это неоспоримый факт и также неоспоримое доказательство верности наших эволюционных реконструкций. Отдельный вопрос: почему они появляются в зародышевом развитии? Единственное, но вполне разумное объяснение: генетическая программа развития организма никогда не создавалась заново, в ходе эволюции она лишь модифицировалась тем или иным образом. Какие-то ее ранние стадии программы развития могут составлять ее древнюю основу, и их было гораздо легче оставить как есть, в качестве временных состояний эмбриона, чем подвергать программу кардинальному пересмотру. Какие еще есть впечатляющие примеры рекапитуляции – воспроизведения в онтогенезе своих эволюционных предков? На ум приходят личинки насекомых с полным превращением, которые не похожи на взрослых, таких как жуки, мухи, бабочки. К примеру, личинки мух совершенно червеобразны, у них нет не только ног, но даже и головной капсулы. Личинки некоторых жуков также червеобразны (но с головой и ногами), личинки других жуков напоминают первичнобескрылых насекомых (таких, как сахарная чешуйница) – предков крылатых насекомых, гусеницы бабочек похожи на перипатов – многоногих червей, обитающих в тропических лесах и ни в кого не превращающихся. Но реальные червеобразные предки названных крылатых насекомых наверняка выглядели не очень похоже на их личинок. Червеобразность – идея довольно простая. Она содержится в ранних эмбрионах всех насекомых, но насекомым с полным превращением пришлось создавать заново «реального червя», т. е. червеобразный организм, способный питаться, передвигаться, защищаться и т. п., причем успешных конструкций здесь, возможно, не так и много. Заметьте, насекомые с полным превращением произошли от насекомых с неполным, у которых нет червеобразной личинки – червеобразны только их эмбрионы внутри яйца. Итак, и снаружи, и внутри мы видим, как постепенно, путем проб и ошибок, эволюция продвигалась по направлению к нам (и, конечно, не только к нам). Естественно, никто не утверждает, что мы произошли от конкретного ныне живущего червяка или тритона. Совсем не факт, что каких-то наших отдаленных предков систематик отнес бы к кишечнополостным, плоским или круглым червям. Однако все перечисленные формы без сомнения, являются близкими аналогами наших предков. И какие-то из них представляли собой вдавленные сферы, как и кишечнополостные, а следующие за ними имели вполне червеобразный облик. Нет никаких сомнений и в том, что длинная череда наших предков были самыми настоящими рыбами, в полном смысле этого слова, и что часть этой череды были кистеперыми рыбами, а их потомки – какими-то амфибиями, потомки которых, в свою очередь, – рептилиями (какими именно, более или менее понятно – терапсидами, но они вымерли уже к мезозою, т. е. сотни миллионов лет назад). Некоторых следующих предков систематик еще недавно отнес бы к млекопитающим самого примитивного отряда насекомоядных, то есть поместил бы их в один отряд с землеройками, кротами и ежами. Однако оказалось, что это сборный отряд, в который были объединены отнюдь не родственные, но имевшие примитивный облик млекопитающие. А какие-то следующие предки были уже обезьянами, как и мы с вами. И напомним, что эволюционная линия той же самой длины продвигалась не только к нам, но также по направлению к коровам, орлам, китам, мухам и к любому современному организму. Думается, если бы наукой занялось ракообразное саккулина, паразитирующее на крабах и представляющее собой мешочек, от которого отходят ветвящиеся отростки во все части тела краба (но свободноплавающая личинка которого похожа на личинок других ракообразных), он немало бы удивился, что его предки были похожи на этих самых крабов. Не знаем, счел ли бы он это комплиментом или хулой. Человек считает хулой то, что он произошел от рыбы, но человек действительно сложнее рыбы, а тут ситуация была бы обратная. И вот вам совершенно очевидная идея для медитации. Когда вы видите любое живое существо, хоть бактерию, которую вы травите антибиотиком или разводите при сквашивании молока, хоть таракана, которого вы давите, хоть корову, которую вы пасете и едите, хоть кинозвезду, которой вы восхищаетесь (а все они имеют примерно одинаковый химический состав, одинаковый генетический код, у всех есть мембраны, рибосомы и т. д.), подумайте, что у вас с ним был общий предок. Не некий умозрительный, которого мы мысленно реконструируем на основе наболюдаемого биоразнообразия и эмбрионального развития, а совершенно реальный и вполне конкретный, который, может быть, копошился в какой-то совершенно конкретной луже на неизвестно каком континенте (а тогда и континенты были совсем другие), которого никто не съел, но который успешно вырос, спарился и произвел потомство, продолжавшее копошиться все в той же луже, но от одного потомка со временем произошли вы, а от другого, к примеру, таракан на вашем столе. И это все абсолютно реально было! Хотите вы этого или нет. Эта идея совершенно просто и однозначно вытекает из факта эволюции, но она стоит того, чтобы о ней поразмышлять. Одной только картины разнообразия современных живых существ, во всем их сходстве и несходстве, дополненной к тому же картиной их эмбриогенеза, было бы достаточно для того, чтобы правильно восстановить их эволюционные взаимоотношения (филогению) и более или менее однозначно реконструировать принципиальные моменты строения общих предков тех или иных отдельно взятых организмов. Однако к этой картине добавляется еще один могучий пласт свидетельств истинности наших реконструкций. Это ископаемые остатки живых организмов прошлого, все вместе в целом метафорически называемые «палеонтологичекая летопись». Вошло в устойчивое сочетание выражение: «Неполнота палеонтологической летописи». Но даже и оно уже достаточно устарело. Палеонтология – крайне важная наука с экономической точки зрения, поскольку она помогает датировать геологические пласты, а следовательно, разведывать месторождения полезных ископаемых, прежде всего нефти и газа. Не надо думать, что здесь есть порочный круг. Геологи умеют определять возраст пород по своим весьма изощренным геологическим методам. Учитывается налегание одних пород на другие, причем сопоставляются данные из разных частей земного шара, их сминание в складки при горообразовании, накопление продуктов разрушения первичных пород в виде пород осадочных, проникновение пород изверженных, определенного типа, через другие породы, намагниченность пород, состав изотопов некоторых элементов, прежде всего радиоактивных и т. д. После этого выясняют, какие ископаемые остатки организмов находятся в осадочных породах определенного времени, и именно эти организмы служат в дальнейшем для быстрого практического определения возраста пород при первичной геологической разведке, так как это гораздо проще и дешевле, чем всякий раз устанавливать возраст сложными геологическими методами. (Существует книга под названием «Краткий справочник руководящих ископаемых».) И этот палеонтологический метод всегда оправдывается, что служит доказательством его эффективности, а также того, что определенные организмы действительно были приурочены только к своему геологическому времени. В силу своей практической важности, палеонтологические исследования всегда хорошо финансируются и палеонтологией накоплен материал совершенно огромный. Геологическая летопись действительно не может быть полной. Ископаемые остатки находят только в осадочных породах, отложившихся определенным образом. Лучше всего сохраняются организмы, попавшие в отложения болот и мелководий озер и морей. При этом преимущества сохраниться в ископаемом состоянии имеют те, кто населяют именно такие места, а обитатели, к примеру, сухих гор либо вообще не сохраняются, либо попадают в такие отложения случайно. Организмы с плотными покровами сохраняются гораздо лучше, чем мягкие. Для сохранения последних нужны особые условия. Иногда находят, к примеру, даже отпечаток летучей мыши вместе с тем насекомым, которое она поймала, или бабочку, сохранившуюся вместе с чешуйками. Осадконакопление всегда идет только в заполненных водой впадинах – болотах, озерах, морских заливах. Когда такие впадины заполняются осадками, они перестают их накапливать; осадки направляются туда, где теперь есть понижения. В результате нигде в мире нет полной колонки осадочных пород за все времена. В разных местах мы находим породы разных периодов – кембрийского, девонского, пермского, юрского, мелового и т. д. Даже сами названия геологических периодов образуются от мест, откуда соответствующие им породы были впервые описаны – Кембриджа, Девона (в Англии), Перми (это – наша Пермь), Юры (это в Альпах). И даже при самых благоприятных условиях вероятность того, что какой-то труп окаменеет и сохранится, а мы его найдем, очень невелика. Так что мы всегда имеем в ископаемом состоянии только фрагменты биоразнообразия былого. Да мы были бы и не в состоянии описать все биоразнообразие за все времена – ведь и большая часть современных организмов остается неописанной (прежде всего круглые черви, мелкие тропические насекомые, паразиты всех и вся). И тем не менее, история науки знает множество палеонтологических находок, которые удивительным образом подтверждали умозрительные реконструкции эволюционистов. Чего стоит отпечаток археоптерикса – почти птицы, с крыльями и покрытой перьями, но с когтистыми пальцами на крыльях, зубами и длинным хвостом (рис. 15.2). Ученые были уверены, что нашли то самое промежуточное звено между рептилиями и настоящими птицами. Конечно, вероятность найти останки непосредственного предкового вида для нынеживущей группы близка к нулю. Более того, сейчас полагают, что птицы и не могли произойти от археоптерикса, потому что в становлении птиц важным приобретением было противопоставление первого пальца на задних конечностях трем остальным, что избавило их от необходимости иметь длинный хвост в качестве противовеса и привело к возникновению двуногого перемещения с активным использованием прыжков. Крылья при этом использовались первоначально не для скользящего планирования, как у археоптерикса, а для облегчения и смягчения прыжков и увеличения их точности. Более того, оказывается, многие (пока неясно насколько многие) «обычные», совершенно нелетающие динозавры уже были покрыты перьями, так что перья были изобретены именно динозаврами и унаследованы от них птицами. Но даже если археоптерикс был небольшой тупиковой ветвью эволюции, тем не менее он послужил неопровержимым свидетельством существования в прошлом пернатых рептилий, имевших примитивные крылья, одна из которых могла стать предком всех современных птиц. Кстати, отпечатков археоптерикса найдено только два. Это значит, что вполне могло быть не найдено ни одного. Так что нам повезло. Или палеозойские рептилии терапсиды с дифференциацией зубов, как у млекопитающих (с клыками и резцами) и без роговых щитков, так свойственных рептилиям, но не свойственных млекопитающим (рис. 15.3). Или кистеперые рыбы с их мясистыми основаниями парных плавников, имеющих внутренний костный скелет, из которых потом развились конечности. К изумлению ученых, возле африканского побережья была выловлена и живая кистеперая рыба, хотя считалось, что они вымерли еще в палеозое. Заметим, что до наших дней кистеперая рыба, названная латимерией (рис. 15.4), дожила только на больших глубинах, тогда как мы с вами произошли от внешне очень похожих кистеперых рыб, населявших пересыхающие мелководья. Ну и, наконец, никого не оставляют равнодушными находки останков людей отдаленного прошлого: австралопитеков – фактически еще человекообразных обезьян, но уже почти ходивших на задних ногах и применявших каменные орудия, первых видов людей – Homo habilis, уже совершенно прямоходящих, но с небольшим относительным объемом мозга и скошенным подбородком, ряд позднее найденных и поэтому менее известных ископаемых видов людей, хорошо известных неандертальцев и других. Таких примеров масса. Однако не надо думать, что мы находим каких-то действительных реальных предков нас с вами или других современных существ. Как вы знаете, почти каждое живое существо (пожалуй, только кроме современных людей) оставляет много потомков, из которых большая часть погибает, не оставляя потомства. И так происходит в каждом поколении. Поэтому вероятность того, что мы найдем окаменевшие останки нашего реального предка, исчезающе низка, хотя и не равна нулю тождественно. Палеонтология дает нам некий временной срез биоразнообразия и помогает найти среди живущих и живших на Земле форм все более и более близкие к реально жившим предкам современных существ. И очень часто она дает нам формы, в настоящее время на земной поверхности отсутствующие, которые очень помогают нашим эволюционным реконструкциям. К идее эволюции мыслителей прошлого привели исследования строения организмов – сравнительной морфологии современных и вымерших организмов, а также сравнительной эмбриологии. На протяжении как минимум двух столетий это был основной материал для эволюционных построений. И он был отнюдь не маленьким! Эволюционные отношения существующих групп организмов – их филогения – были практически однозначно реконструированы на основе именно морфологических данных. Как правило, результаты таких реконструкций имеют вид так называемых эволюционных древес (деревьев). Аналогия между родословной живых существ и ветвями дерева вполне прозрачна и особых пояснений не требует, но мы к нему еще вернемся. В XX в. к морфологическим исследованиями добавились некоторые другие. Сначала – генетические. Генетику стали изучать на разных объектах, постепенно таких объектов становилось все больше. И у объектов, родственных с классической точки зрения, стали обнаруживать также и определенное сходство генетической системы, причем чем ближе родство, тем больше сходство. В свое время это привело великого отечественного генетика Николая Ивановича Вавилова к формированию закона гомологических рядов, который носит его имя. Приблизительно его можно сформулировать следующим образом: у сходных видов наблюдается сходный характер изменчивости. Классические примеры здесь были – сходная изменчивость культурных злаков, сходные наследственные варианты окраски у разных видов млекопитащих. Этот закон сыграл важную роль для понимания связи генетики и эволюции. Однако вызывает удивление, что многие превозносят его и сейчас, видя в нем некое проявление одинаковой направленности эволюции у родственных форм, т. е. воспринимая его как проявление некоей общей эволюционной программы. На самом же деле сейчас этот «закон» выглядит тривиальным. Речь ведь идет не о направлении эволюции близких видов, а всего лишь об их мутациях, т. е. поломках генов. Выше рассказано о белых цветах у гороха. Если вы весной пойдете по лесу, то рано или поздно встретите белую медуницу, а потом и белую чину весеннюю. Раз у всех этих растений в цветах есть пигмент антоциан, обеспечивающий окраску от синей до красной, значит, у всех их имеется возможность сломать систему его синтеза – вот вам и белые цветы. По сути, «закон» говорит лишь о том, что сходные организмы являются результатом развертывания сходной генетической программы их индивидуального развития. Программы индивидуального развития, а не эволюционных преобразований! Эту программу онтогенеза можно и ломать одинаково. А вот мутации «агути» у гороха не получишь, потому что он не млекопитающее и у него нет шерсти. Не все одинаковые мутации происходят у родственных видов независимо. У некоторых видов бывает нейтральный полиморфизм – генетически обусловленные альтернативные варианты каких-то признаков, все из которых являются одинаково нормальными, т. е. приспособленными к жизни в данной среде. Возможно, некоторые виды имеют сходный полиморфизм просто потому, что они унаследовали этот полиморфизм от своего общего эволюционного предка. Затем к услугам эволюционистов появились методы сравнительной биохимии. Когда ученые добрались до биополимеров, в особенности белков, у них появился весьма богатый материал для сравнений. А знания о белках, как вы уже усвоили, это львиная доля знаний об организмах. Набор белков фактически и составляет индивидуальность вида (будем смело пользоваться интуитивно понятным термином «вид» еще до его детального рассмотрения). Однако методы избирательного выделения белков определенного типа были исключительно сложными и трудоемкими, а методы их сравнительного анализа – ограниченными. Обычно после сложных процедур выделения ученым доставалась для анализа только скорость движения белка и его фрагментов в геле под действием электрического поля. И лишь в последние десятилетия произошел фантастический технологический прорыв, который, по сути, объединил сравнительную генетику со сравнительной биохимией, сформировав сравнительную молекулярную генетику и сравнительную геномику. Ученые научились читать последовательность ДНК и распознавать в ней те или иные гены. Таким образом, у них в руках оказалась совершенно точная и исчерпывающая информация о первичной структуре белков, РНК, а также участков ДНК, которые не кодируют ни того ни другого. Эта информация записана в четырехбуквенном коде нуклеотидов и оказалась как бы самой природой созданной для компьютерного анализа. Надеемся, вы понимаете, какое все это имеет значение для обсуждаемого нами вопроса? Степень различия между организмами стало возможным оценивать на уровне «чертежей их конструкции» – генов. К примеру, отпала необходимость сравнительной биохимии белков – о структуре белков теперь можно получить однозначную информацию из последовательности нуклеотидов, кодирующей их гены. Кроме того, геном (т. е. совокупность всей ядерной ДНК) у эукариот содержит очень много, до 80 %, ДНК, которая ничего не кодирует, а просто воспроизводится. Скорее всего, большая часть ее вообще не несет никакой функции и существует просто потому, что некогда завелась, а реплицировать ее дешевле, чем вырабатывать специальные механизмы ее распознавания и удаления. (Заметим, что такие механизмы сами должны были бы иметь «знания» о всех осмысленных последовательностях генома, а кто, в свою очередь, поддерживал бы чистоту этих знаний?) На первичную последовательность такой ДНК не налагается никаких химических ограничений. А это значит, что она в своей структуре накапливает любые случайные мутации, которые никак не сказываются на фенотипе организма, т. е. на его признаках и жизнеспособности. Такие мутации называются нейтральными. Нейтральными являются также мутации, связанные с заменами нуклеотидов в ДНК, кодирующей белки, которые не приводят к замене кодируемых аминокислот – синонимичные замены. Они оказываются возможными благодаря вырожденности генетического кода, где одной аминокислоте соответствует несколько разных кодонов. Чаще всего (но не всегда) синонимичными оказываются замены нуклеотидов в третьих позициях кодонов. Каждая отдельная мутация – событие случайное и, следовательно, непредсказуемое, но поступление мутаций происходит более или менее равномерно. В результате некодирующие участки ДНК изменяются случайным образом и на достаточно больших промежутках времени – с равномерной скоростью. Поэтому их часто называют молекулярными часами, а режим их эволюции – нейтральным режимом молекулярной эволюции. Зная скорость поступления мутаций, по количеству накопленных мутационных различий в таких участках ДНК можно оценить время, когда существовал ближайший общий предок двух сравниваемых организмов, то есть установить время с момента их дивергенции (момента расхождения эволюционны линий, приведших к этим организмам). Гены, которые кодируют важные белки или РНК, как правило, изменяются гораздо медленнее, ибо их последовательность ДНК осмыслена и на нее наложены большие функциональные ограничения, возникающие из имеющейся у этих белков необходимости правильно связываться с другими белками или небелковыми веществами. Например, молекула гистона Н3 имеет идентичную последовательность аминокислот у человека и пшеницы. Однако, даже несмотря на ограничения, такие белки все же эволюционируют, хотя и очень медленно. Они также представляют собой молекулярные часы, которые идут гораздо медленнее. Хорошими молекулярными часами «с медленным ходом» являются гены, кодирующие белки или РНК, которые должны присутствовать в каждой клетке и осуществлять там одинаковую функцию – это все гены, ответственные за структуры и функции клеток, общие для всех организмов, так называемые «гены домашнего хозяйства». В то же время некоторые гены могут изменяться с весьма неравномерной скоростью, в том числе быстрее, чем в случае нейтрального режима – в тех случаях, когда быстро изменяются и определяемые ими признаки фенотипа. Такие изменения генов называются адаптивным режимом молекулярной эволюции, так как они связаны с адаптацией (приспособлением). Поймать каждый такой случай – большая удача. Калибровку молекулярных часов и временную привязку ветвлений древес производят при помощи независимых датировок, полученных из других источников. К примеру, геологи могут оценить время, когда континент Гондвана распался на Южную Америку, Африку и Индию. Разрешение метода оценки времени дивергенции, основанного на последовательностях ДНК, эволюционирующих в нейтральном режиме – до 60–80 млн лет назад (это время, когда существовали последние динозавры). На основе последовательностей, имеющих функциональные ограничения, ученые пытаются получать датировки и событий на уровне отдаленности 500–800 млн лет назад. Результат такого анализа обычно также представлен в форме эволюционных древес, причем длина ветвей здесь изображается пропорциональной степени сходства последовательностей ДНК. Если молекулярные часы «идут» действительно равномерно, то степень сходства оказывается пропорциональна времени, прошедшему с момента ветвления. На рис. 15.5 представлен пример такого дерева, построенного для семейств цветковых растений. Помимо оценки времени дивергенции между организмами на основании количества нулкеотидных замен в каких-то последовательностях ДНК, установлению родственных связей между организмами служат также хромосомные хромосомные – делеции, дупликации, инверсии и транслокации. Каждое такое событие уникально относительно точной локалидации на молекуле ДНК и протяженности и, раз возникнув, наследуется всеми своими эволюционными потомками. Таким образом, нуклеотидные замены дают нам возможность установить время дивергенции, а хромосомные перестройки помогают однозначно установить порядок ветвления некоторых ветвей дерева. Современная молекулярная эволюционная генетика – изучение изменения последовательностей ДНК и белков – это огромная и очень сложная наука, в современном виде требующая робототехники, нанотехнологий, изощренной математики и мощных суперкомпьютеров. Но, как и у любой науки, основы ее достаточно просты и изложены выше. Ученые, занимающиеся ею, фактически имеют дело с биологической эволюцией в ее наиболее рафинированном виде – они держат в руках информацию о самых разных свойствах организмов в максимально стандартной, уже «офицрованной» форме, удобной для анализа. Реконструкции филогении, полученные на основе разных последовательностей ДНК, кодирующих и некодирующих (молекулярные часы), как правило, хорошо согласуются друг с другом. Бывают те или иные отдельные противоречия, которые удается разрешить анализом конкретного режима эволюционных изменений той или иной последовательности. Причинами бывает смещение нуклеотидного состава в сторону каких-то двух (А-Т либо Г-Ц) из четырех нуклеотидов, какие-то неожиданные функциональные ограничения и т. д. Когда филогения реконструируется сразу по нескольким разным последовательностям, она почти всегда согласуется с традиционными реконструкциями по внешним признакам, часто уточняя их или добавляя что-то важное и новое. Допустим, американские кондоры оказались родственниками аистов, а не хищных птиц, несмотря на свой крючконосый облик. И это находит подтверждение в совпадении оригинального способа терморегуляции кондоров и аистов – для охлаждения тела они поливают ноги мочой. Или другой случай: тщательный анализ ДНК показал, что непарнокопытные, рукокрылые и хищные относятся к одной эволюционной ветви млекопитающих (ее даже назвали Pegasomorpha, в честь мифической крылатой лошади – Пегаса), а парнокопытные и китообразные – к другой. Наконец, анализ ДНК митохондрий и Y-хромосомы показал, что последний общий предок всех без исключения современных людей жил в Африке 100–200 тыс. лет назад, причем скорее всего 150–170 тыс. лет назад. (У аборигенного населения Африки до сих пор встречается множество древних вариантов последовательностей митохондриальной ДНК, не вышедших за пределы этого континента.) Общие предки современного населения Евразии и Северной Америки также жили в Африке, около 100 тыс. лет назад. Заметим, что к тому времени, когда жили все эти общие предки, Евразия давно была заселена людьми, которые не оставили потомства, дожившего до наших дней. Так, последние неандертальцы жили в Европе всего 40 тыс. лет назад. Они были вытеснены или даже физически уничтожены людьми современного типа. Для сравнения масштабов времени могу сказать, что общий предок человека и шимпанзе жил (опять-таки в Африке) около 6 млн лет назад, а последнее оледенение закончилось всего около 12 тыс. лет назад. Однако буквально в последние два года выяснились совсем уж удивительные вещи относительно наших взаимоотношений с неандертальцами. Из черепов неандертальцев с большим трудом удалось выделить и расшифровать некоторые последовательности ДНК. Оказалось, что ядерный геном современных людей все же несет около 4% генов, унаследованных от неандертальца – всех современных людей, за исключением коренных африканцев! Во-первых, это очень немного. Генетический обмен между неандертальцами и современными людьми был столь невелик, что их следует считать разными видами человека – соответственно Homo neandertalensis и Homo sapiens. Во-вторых, получается, что наш собственный вид в чистом виде сейчас представлен только африканцами, а все европейцы, азиаты и индейцы – в некотором роде «бастарды». Надеюсь, сама ситуация полностью исключает интерпретацию в терминах «лучше» и «хуже». Успехи европейской цивилизации многие столетия позволяли европейцам относиться свысока и к африканцам, и к азиатам, и к индейцам, так что «чистота сапиенсной крови» не имеет никакого отношения к этим успехам. Далее, вы знаете, что митохондрии имеют свою ДНК, причем у животных они передаются потомству с цитоплазмой яйцеклетки, то есть исключительно по материнскому пути. Так вот, ни у каких современных людей нет никаких последовательностей митохондриальной ДНК, унаследованной от неандертальцев. Это значит, что со стороны нендертальцев в формировании нашего ядерного генома приняли некоторое участие исключительно неандертальские мужчины. Остается строить недвусмысленные догадки, при каких сомнительных обстоятельствах их гены могли попасть в «наш» геном. Наконец, совершенный фурор в науке произвел анализ ДНК, успешно выделенной из фаланги пальца девочки, найденного в Денисовой пещере на Алтае. Помимо этого пальца, в самых древних отложениях этой пещеры было найдено всего два зуба, так что физический облик ее обитателей оставался неизвестным, тогда как в расположенной не так далеко другой пещере были найдены остатки типичных неандертальцев. Так вот, оказалось, что «денисовец» - весьма отдаленный родственник неандертальца, почти так же отдаленный, как и наш вид. И среди современных людей гены «денисовца» были обнаружены, также в количестве первых процентов, лишь в ядерном геноме аборигенов Меланезии и Австралии. Получается, что на Алтае бок о бок жили, не смешиваясь, два разных вида людей – один хорошо нам известный неандерталец, другой «денисовец». Где еще обитал «денисовец» - неизвестно, но скорее всего в Южной Азии, поскольку он каким-то образом он умудрился поучаствовать в формировании ядерного генома первой волны выселенцев из Африки, которая вышла оттуда раньше и ушла дальше, сформировав темнокожее аборигенное население Австралии и Океании (заметим, что полинезийцы пришли в Океанию много позже). Отметим важный момент. Люди – существа двуполые. Митохондрии у человека передаются только по женской линии, а Y-хромосома – по мужской. На основе степени различия по митохондриальной ДНК мы оцениваем время существования последнего общего предка всех современных людей женского пола, т. е. «общую прародительницу» всех современных людей. Отсюда в средствах массовой информации пошли разговоры о том, что «ученые доказали существование Евы». Изучая Y-хромосому, мы оцениваем время существования «общего прародителя» мужского пола. Неудивительно, что обе оценки более или менее совпадают, притом что они не отличаются особой точностью. Но это совсем не значит, что общие прародитель и прародительница были, что называется, «мужем и женой», Хотя они совершенно реально жили и были единственными в своем роде мужчиной и женщиной. Они могли жить в разных регионах и их могло разделять несколько десятков тысяч лет, потому что они были не более чем соответственно мужчиной – последним общим предком всех современных Y-хромосом и женщиной – последним общим предком всех современных митохондрий. Такой последний общий предок есть у всех современных аллелей каждого локуса, и это всегда был некий совершенно реальный один человек (о котором мы никогда ничего точно не будем знать). Для каждого из немногим более двух десятков тысяч человеческих генов (в молекулярнобиологическом понимании этого слова) существовал человек, к которому восходят нуклеотидные последовательности данного локуса всех ныне живущих людей. (Не будем забывать, что различные части любого локуса могут рекомбинировать, так что любая данная последовательность может иметь гибридное происхождение, но и с учетом этого обстоятельства где-то во времени должен существовать предок всей последовательности целиком) За исключением ничтожного количества неандертальских и «денисовских» генов в современных людях, все они образуют своего рода облако в пространстве и во времени, локализующееся в общем смысле в Африке и в интервале 100–200 тыс. лет назад. Таким образом, предками современных людей как таковых, а не отдельных их генов, органелл или хромосом, является фактически все население Африки тех времен. Но, заметим, не Евразии и не более поздних времен. Такие выводы об истории нашего биологического вида для нас, без сомнения, очень интересны и важны, и они основаны на анализе именно нуклеотидных последовательностей генов. Подчеркнем важный факт. Филогенетические реконструкции на основе последовательностей ДНК делают или по последовательностям ДНК, которые ничего не кодируют или кодируют незначимые последовательности аминокислот в каких-то белках, так как именно они обладают свойством молекулярных часов. В анализ вовлекаются также те или иные функциональные гены, присутствующие и легко распознаваемые у всех анализируемых представителей – обычно это как раз «гены домашнего хозяйства». Однако во всех случаях – эти заведомо не те последовательности ДНК, которые ответственны, собственно, за различия по внешним признакам у сравниваемых организмов. Какие именно гены и в какой степени ответственны за различия по тем или иным признакам – в большинстве случаев неизвестно, и наука делает только первые шаги в разработке подходов выявления таких генов. Пока еще имеется мало исследований, в которых прослеживается вся цепочка от последовательности нуклеотидов до признаков сложного организма. Ясно одно – в случае каждого признака за различия по нему ответственна ничтожная часть генов генома, которую пока почти невозможно опознать и на которую совершенно невозможно наткнуться случайно. Если в филогенетический анализ вовлекается функциональный ген, то это хорошо известный ген, работающий более или менее одинаково у всех сравниваемых объектов. Вероятность того, что именно с его функцией будут связаны изменившиеся внешние признаки, исчезающе мала, а в случае некодирующей последовательности ДНК это полностью исключено. Это значит, что разные внешние признаки сравниваемые организмы приобретали за счет одних последовательностей ДНК (генов), а реконструкцию их филогении мы проводим по другим последовательностям ДНК. И тем не менее филогения, реконструированная по ДНК и по внешним признакам, как правило, совпадает. С эволюционной точки зрения это не удивительно. Все последовательности ДНК в одном геноме связаны общей эволюционной судьбой, так или иначе оставляющей свой след на каждой из них. Таким образом, эволюционными реконструкциями на любом уровне – палеонтологическом, морфологическом, биохимическом и, наконец, на уровне последовательностей нуклеотидов в ДНК – приводят нас к совпадающим филогенетическим деревьям, что говорит об одном – о том, что в реальности эволюция действительно имела место и шла именно теми путями, о которых свидетельствуют наши реконструкции. Лекция 16. ВОЗНИКНОВЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ Выше был сделан краткий и нестрогий обзор той феноменологии, которая неизбежно приводит нас к идее эволюции. Теперь следует несколько формализовать рассмотрение и уточнить базовые термины. Эволюционное учение именно так и развивалось – от расплывчатых представлений к системе достаточно строгих теорий. По происхождению слово «эволюция» означает «разворачивание», и когда оно вводилось, то подразумевалось, что изменения, происходящие с живыми организмами, представляют собой особый сценарий, который разворачивался с течением времени на нашей планете. Оказалось, что такого далеко идущего сценария не существует. Однако факт остается фактом, что под биологической эволюцией сейчас понимается любое наследуемое изменение в ряду поколений организмов. Предпринимались попытки вернуть термин к его первоначальному этимологическому значению (здесь очень усердствовал отечественный ученый А. А. Любищев, который больше прославился системой фиксации затрат своего времени), но такие попытки всегда бесплодны. Термины науки, как и любые слова языка, приобретают свои значения стихийно, это дало повод философу Витгенштейну совершенно справедливо отметить, что «значение есть употребление». Поэтому когда мы будем употреблять термин «эволюция», то не будем подразумевать ничего более сказанного выше. Когда это потребуется, к слову «эволюция» будет ниспослан соответствующий эпитет. Но есть и другое, более широкое и не менее устоявшееся понимание термина «эволюция». Оно связано с тем, что под эволюцией понимается не только изменение, но и возникновение разнообразия. Строго говоря, из существования эволюции как любого изменения организмов в ряду поколений логически не вытекает с необходимостью, чтобы эти изменения были разнонаправленными и приводили к разнообразию. Поэтому такое расширенное понимание эволюции возникло не логически, а эмпирически – реальная эволюция жизни на Земле приводила и приводит к разнообразию. Эти явления всегда было перед глазами биологов, и они не всегда отделяют одно от другого. Однако давайте посмотрим, нельзя ли порождение разнообразия в ходе эволюции в какой-то мере вывести и логически, если добавить какой-то минимум дополнительных исходных посылок. Почему эволюция должна приводить к разнообразию? На самом деле вопрос нетривиальный. В основе лежит определенная анизотропия (неравноценность направлений) во времени, присущая эволюции живых существ. Если два живых организма различаются более определенного порога, достаточно расплывчатого и никогда заранее не известного, но, тем не менее, весьма реального, они никогда не смогут объединить свои геномы в своих общих потомках, в которых признаки могли бы снова сблизиться. Можно ли скрестить муху и слона? Нет. Слона и лошадь? Тоже нет. Осла и лошадь? Можно! Только их общий потомок – мул – вырастет хотя и очень сильным и выносливым, но бесплодным. А разные породы лошадей скрещиваются без проблем, точно так же как и лошади одной породы. Таким образом, обсуждаемый феномен иллюстрирует нам барьер нескрещиваемости – понятие совершенно эмпирическое, но и вполне очевидное. Если немного подумать, то станет очевидно, что причина этого барьера – в сложной организации живых объектов. Действительно, нельзя собрать даже велосипед из деталей велосипедов разных марок. Что уж говорить об объединении двух неродственных клеток – этих сложнейших биохимических механизмов! Или о спаривании двух индивидуумов со сложной и несхожей программой поведения. Кстати, прокариоты устроены хотя и совершеннее как механизмы, но все же гораздо проще эукариот. И у них действительно барьеры для обмена генами гораздо слабее. Барьеры нескрещиваемости могут быть самыми разными. Их принято делить на две большие категории – презиготические и постзиготические. Презиготические – это то, что предотвращает оплодотворение, т. е. слияние гамет. К примеру, поведение. Самка может не понимать ритуал ухаживания самца, тембр его песни. Самец может не распознать запах самки в качестве привлекательного. Долгое время существовали культурные барьеры, предотвращавшие браки между людьми различных культур, в особенности примитивных и продвинутых (к примеру, «белые» не заключали браков с «дикарями»). Это типичный пример презиготического барьера. В наше время этот барьер у людей практически исчез. К презиготическим барьерам может относиться и разница в размерах – к примеру, очень мелкие собаки не могут спариваться с очень крупными, хотя и очень хотят этого. Сюда же можно отнести предпочтение разных местообитаний. Например, если какие-то паразиты живут в разных видах хозяев, они вряд ли найдут друг друга для спаривания. Постзиготические барьеры препятствуют развитию зиготы в том случае, если она уже образовалась. Здесь нет таких впечатляющих примеров, зато постзиготические барьеры имеют наиболее прямое отношение к невозможности объединения двух несхожих конструкций. Индивидуальное развитие организма из одной-единственной зиготы является следствием разворачивания (вот тут термин «эволюция» был бы уместнее!) определенной генетической программы в виде каскада регуляторных сигналов, которые провоцируют один другой. (Сейчас принято говорить о генетических системах управления, или генных сетях.) Гены включаются и выключаются в основном за счет регуляторных белков, кодирующихся другими генами, которые, в свою очередь, включаются и выключаются и т. д. Все построено очень тонко, все регуляторные белки возникают в свое время и в строго определенных количествах. И вот представьте, что зигота от двух своих родителей получает две разные такие программы. Поскольку в генетических системах управления даже весьма разных организмов есть общие элементы, эти две программы не столько будут пытаться работать независимо, сколько будут мешать друг другу – один и тот же или несколько различающийся регуляторный белок будет производиться программой одного родителя не тогда и не в тех количествах, когда это предполагается системой другого родителя и т. д. В результате даже если мы получаем зиготу от двух несходных родителей, ее правильное развитие невозможно, так как две разные генетические программы не понимают друг друга. «В одну телегу впрячь не можно коня и трепетную лань». Да и что в данном случае означало бы «правильное развитие»! Развитие в химеру? Таким образом, если два живых организма каким-то образом оказались в определенной степени различными, их потомкам уже не сблизиться за счет обмена генами. А могут ли какие-то организмы оказаться настолько различными, если их сколь угодно отдаленные предки были одинаковыми? И если да, то по каким причинам? Раз речь идет о сходстве и несходстве, прежде всего нужно понять, что мы сравниваем. Выше мы определили биологическую эволюцию как любое наследуемое изменение организмов в ряду поколений. Мы знаем, что наследуемые признаки организмов определяются генами. За изменением признаков, в том числе и достаточным для невозможности скрещиваться, лежат изменения в генах. В этом смысле можно сказать, что эволюция организмов сводится к изменению их генов, если более точно – к замене одних аллелей другими, но также и к созданию новых локусов – а это гораздо более редкое событие. Сам источник вполне непредсказуемых изменений генов – мутации – у нас «всегда под рукой» и обеспечивается самой физико-химической природой материального носителя наследственности. Долгое время думали, что бывают такие мутации в генах, которые за один раз изменяют множество признаков, причем так, что организм остается жизнеспособным. Одна так называемая «макромутация» – и вот у нас в потомстве возникает сразу новый вид. Родила царица в ночь не то сына, не то дочь, не мышонка, не лягушку, а неведому зверушку. Все как у мутантов из американских фильмов. Это даже получило название концепции hopeful monsters – многообещающих монстров. Однако этот взгляд не получил никакого подтверждения. Подобное столь же нереально, как однократным пересмотром чертежей – более того, одного чертежа! - превратить, к примеру, самолет Ту-104 в самолет Ту-154, причем так, чтобы тот сразу полетел и не разбился. Изменение живых существ с сохранением их жизнеспособности требует тонкой и кропотливой доводки их чертежей – генов – в течение долгого времени. Требуется много времени, множество «летных испытаний», последовательная замена одних аллелей другими во многих генах и у всех у всех потенциально скрещивающихся индивидуумов, с тем чтобы новые сочетания аллелей разных генов не терялись бы в каждом половом акте. Каждое изменение не может быть слишким большим, чтобы не нарушить жизнеспособность всей системы (можно одномоментно и радикально изменить, к примеру, яркую окраску крыльев с одной на другую, но нельзя, например, радикально изменить размер какого-нибудь внутреннего органа). Мы определили эволюцию как изменение в ряду поколений и именно в этих масштабах времени (причем в длинном ряду поколений) и достигается видоизменение и доводка генетической программы. Поэтому индивидуум – неподходящий объект для рассмотрения эволюции. Более подходящим объектом является локальная группа индивидуумов, вернее – многих поколений индивидуумов, существующая в данном месте длительное время, многократно превосходящее время жизни одного индивидуума. Индивидуальность этого объекта определяется не внутренними свойствами живых существ, а внешними причинами, прежде всего – географическими и вообще топографическими, т. е. она является следствием разнообразия реальной среды, в которой живут живые организмы. Сам рельеф местности, возвышенности, речная сеть, очертания береговой линии и более мелкие детали приводят к дроблению местообитаний и изменению локальных условий. Очерченный нами объект вполне понятен, но для него нет подходящего бытового слова. Для его обозначения используется термин популяция, что в переводе означает «население». Действительно, население разных городов – это хорошая аналогия – люди живут в городах в течение многих поколений, свободно мигрируют внутри города, а вот миграция между городами идет гораздо менее интенсивно. Когда мы рассматривали генетику, мы уже говорили о том, что такое популяция, на примере бабочек. Итак, единицей эволюции служит популяция – совокупность особей, занимающая определенное пространство (территорию) в течение времени, много большего, чем время жизни одной особи, более или менее отграниченная от других подобных совокупностей и связанная возможностью перемешивания генов разных особей посредством полового размножения. Понятно, что это определение работает для тех живых существ, у которых имеется половое размножение. Но о популяциях принято говорить и в случае самоопылителей или клонов, у которых нет полового размножения, а есть только воспроизведение своих точных копий и их миграция в пределах занимаемой группой территории, поэтому нашему определению мы могли бы добавить уточнение или непосредственным перемешивания особей в пространстве. Если обмен генами между двумя популяциями отсутствует или пренебрежимо мал (допустим, между ними горный хребет, река или просто малопривлекательное место), т. е. существуют некие межпопуляционные барьеры, которые определяют изоляцию популяций, то их эволюция пойдет независимо и они будут изменяться неодинаковым образом. Эти популяции, коль скоро они больше не могут обмениваться генами, приобретают независимую друг от друга эволюционную судьбу. Если это обстоятельство будет сохраняться достаточно долго, то представители двух популяций, которые раньше могли скрещиваться друг с другом, после длительного периода изоляции теряют эту способность за счет разного направления происходящих в них изменений. В таких случаях говорят, что они стали разными видами, т. е. произошло видообразование. Как это происходит, мы подробно рассмотрим в следующей лекции. Было время, когда под видами понимали любые разные сочетания признаков живых существ, мы бы сейчас с вами сказали «разные фенотипы». (Кстати, такой подход до сих пор практикуют некоторые старомодные ботаники, но, как правило, не зоологи.) Сейчас принята так называемая биологическая концепция вида. Удачное определение вида дать очень сложно, попытаемся дать наиболее простое: вид – это наибольшая совокупность особей, реально или потенциально способных объединять свои гены в плодовитом потомстве. В разных определениях встречается способность скрещиваться и давать плодовитое потомство (но здесь есть трудность с наличием двух полов – не могут же скреститься два самца), часто упоминаются внешнее сходство (но степень несходства разных морф, полов, стадий развития может быть огромной), то, что вид занимает определенный ареал (область обитания) или экологическую нишу (совокупность условий для своего существования), но эти понятия сами определяются через вид, т. е. здесь имеет место порочный круг. Можно сказать, что вид представляет собой потенциально единый генофонд, а разные виды – разные, изолированные друг от друга генофонды. Обратим внимание на отличие нашего определения вида от определения популяции – популяции были более или менее отграничены друг от друга, виды – полностью отграничены (это отражено в слове «наибольшая»). В популяциях сама возможность обмена генами всегда реальна, а в пределах вида такой реальной возможности часто не бывает. Добавление «реально или потенциально» возникло из-за сложностей с географической удаленностью и наличем непреодолимых барьеров, существующих недостаточно долго, чтобы привести к видообразованию. К примеру, бабочки махаоны из Европы и Америки за 10 тысяч лет существования Берингова пролива никак не могут объединить свои гены, так как не способны через него перелететь. Но если бы мы их привезли друг к другу, они не заметили бы подвоха и радостно спарились, так как действительно принадлежат к одному виду. Таким образом, мы ознакомились с критерием скрещиваемости для определения того, к одному или к разным видам относятся особи. Хотя и здесь есть много сложностей, связанных со степенью допустимого экспериментального вмешательства (вплоть до искусственного оплодотворения). Связанные возможностью спаривания или перекрестного опыления, особи одного вида в репродуктивной стадии не могут различаться слишком сильно. Отсюда вытекает и тот факт, что традиционное разделение на виды по внешним признакам как правило в значительной степени совпадает с их истинным делением на биологические виды, хотя здесь встречаются самые разные исключения – и сильные различия у представителей одного биологического вида, и разные, но неразличимые для традиционного систематика биологические виды. Такое понятие вида не применимо для организмов, у которых в размножении участвует один родитель, а не два – это растения, размножающиеся вегетативно, самоопылением и апомиксисом (когда семя развивается без опыления, за счет удвоения хромосомного набора женской гаметы, а иногда и без мейоза), а также партеногенетические (размножающиеся без самцов) животные. В таких случаях вид приходится определять по старинке, на основании внешнего сходства, причем степень различий, достаточную, чтобы считаться видами, приходится устанавливать произвольно, иногда по аналогии с ближайшими родственниками этих организмов, у которых «секс есть». Понятие «вид» для таких однородительских форм применяется лишь условно. Фактически у всех этих групп организмов видов не существует. Действительно, то, что традиционно рассматривается у них как виды, представляет собой набор клонов, которые никак не обмениваются генами, однако постепенно накапливают различия за счет независимых мутаций в тех или иных генах, без какого бы то ни было дискретного видообразования. Если к таким организмам применяют традиционные методы выделения видов, то можно не избежать конфуза. Допустим, недавно во «Флоре Восточной Европы» в двух близких родах растений – ястребинка и ястребиночка – было выделено в сумме 663 вида. Дело в том, что эти растения – апомикты, их семяпочка развивается без оплодотворения. В результате, число потенциальное число «видов», которые способен различить ботаник, у них бесконечно, а проще говоря – у них просто не существует видов. Еще больший сбой понятие вида дает в случае прокариот, у которых хотя и существует половой процесс, однако барьеры нескрещиваемости часто отсутствуют даже у достаточно несхожих форм. Фактически, вид как явление существует лишь у такого «исключения», как двуродительские эукариоты. Но это «важное исключение» включает большую часть одноклеточных эукариот и растений и подавляющее большинство животных, а его успех связан с обсуждавшимися выше преимуществами, которые дает генетическая рекомбинация. Можно сказать, что существование видов – это ограничение на эволюцию живых существ, накладываемое на нее перекрестным половым процессом, которое приводит к тому, вместо непрерывных плавных изменений имеют место быстрые неравновесные переходы между довольно стабильными, «квантованными» равновесными состояниями (видми), поддерживаемыми непрерывным генным обменом. Несмотря на все вышесказанное и с учетом его, вид – это единственная в той или иной степени реальная таксономическая категория. Все более высокие категории (а вы про них постоянно слышите) – род, семейство, отряд, класс, тип – выделяются из соображений удобства классификации и по большому счету условны. Еще парочка казуистических тонкостей, на которые будут даны ответы, определямые не логикой (которая не дает ответа), а эмпирикой – тем, что происходит в действительности. Вот вид разделился на два – появилось два новых вида вместо одного старого или к старому добавился новый? Раньше вопрос считался некорректным и предлагалось говорить о видах только в каком-то определенном временном срезе. Но потом выяснилось, что при образовании нового вида обычно небольшая популяция довольно быстро (всего за каких-то несколько десятков или сотен тысяч лет) эволюционирует и дает новый вид, а старый вид при этом остается без изменений. А если какая-то популяция все изменяется и изменяется, но на две упорно не делится – остается ли она одним и тем же видом? А если она изменилась очень сильно? Раньше было принято считать, что вопрос, конечно, некорректный, но если она изменится «достаточно», то, значит, образовался новый вид – произошла филетическая эволюция. Другими словами, если бы мы взяли по особи из прошлого и будущего, они повели бы себя как разные виды. Сейчас известно, что такие случаи действительно бывают, но редки. Оказалось, что виды существует почти без изменений довольно долго – обычно от одного до нескольких миллионов лет. Это называется эволюционный стазис. Но рано или поздно вид вымирает, так как сталкивается с несовместимыми с его существованием изменениями среды. При этом новые виды образуются в гораздо более сжатые сроки – обычно от десятков до сотен тысяч лет. Получается, что виды, подобно индивидуумам, размножаются, живут и умирают. Каким образом, мы рассмотрим в следующей лекции, когда коснемся механизмов видообразования. И наконец, в крайне редких случаях популяция может разделиться не по географическому принципу, а по какому-то другому (по сезону, по поведению). Видообразование с географической изоляцией называется аллопатрическим – к нему относится подавляющее большинство случаев, без географической изоляции – симпатрическим, такие случаи крайне редки и зачастую весьма спорны. Иногда выделяют также парапатрическое видообразование, когда два зарождающихся вида контактируют вдоль некоторого географического рубежа. Однако такие случаи всегда предполагают изначальную аллопатрию: две популяции, некоторе время находившиеся в изоляции, должны приобрести некий постзиготический барьер, снижающий эффективность размножения при скрещиваний представителей разных популяций. Такая ситуация благоприятствует и возникновению презиготических барьеров, которые исключали бы гибридизацию и тем самым повышали бы ффективность размножения, и в целом ускоряет видообразование. Очевидно, что и здесь все начинается с географический изоляции – аллопатрии. Мы пришли к выводу, что необходимой предпосылкой появления в ходе эволюции разнообразия является разделение некогда единых популяций на части и длительная физическая (географическая) изоляция этих частей. Отсюда следует безусловно верная мысль, которую редко можно встретить в учебниках. Войдя, допустим, в лес, мы наблюдае богатое сообщество множества самых разных эукариотических организмов – деревьев, кустарников, трав, грибов, червей, насекомых, птиц, млекопитающих – образующих весьма слаженную экосистему (в которую также входят прокариоты бактерии). Так вот: любые два вида, совместно живущие на территории этого леса, сколь сильно бы они ни различались друг от друга, не только произошли от совершенно реального предкового вида, но и стали в конечно счете столь разными именно и только оттого, что некогда некая популяция этого предкового вида оказалась разделенной на две популяции, занимавшие разные территории. Как тут не вспомнить крылатую фразу В.И. Ленина: «Прежде чем объединяться, нужно решительно размежеваться». Итак, в ходе рассмотрения того, откуда берется разнообразие, нам понадобилось ввести такие важные понятия, как популяция, вид и видообразование. Причем мы пришли к необходимости возникновения биологического разнообразия, исходя лишь из следующих допущений: 1) возможности самого факта эволюции как изменения в ряду поколений; 2) неоднородности земной поверхности; 3) невозможности сложным организмам скрещиваться, если их различия превысили некий предел (размеры которого не имеют принципиального значения), за счет несовпадения присущей им генетической программы развития. Эти допущения, в свою очередь, вытекают из уже имеющихся у нас знаний о биологии. Сама возможность эволюции вытекает из фактов молекулярной биологии и генетики, которые говорят о том, что гены (понимаемые хоть классически, хоть молекулярно-биологически) могут меняться в результате мутаций. Невозможность скрещиваться существенно разным формам жизни вытекает из наших знаний о гаметах, оплодотворении, мейозе, генетической программе развития и т. д.: чтобы существенно изменить свойства организма, требуется изменение многих генов и тонкая доводка их взаимной настройки. Заметим, что всех этих знаний еще не было у создателей теории эволюции. И тем не менее, они ее создали, и совершенно правильным образом, хотя ценой больших интеллектуальных усилий и при огромном сопротивлении обыденного человеческого сознания. Как отмечено выше, элементарной единицей эволюции можно считать популяцию. Однако у нас появилась и другая, не менее важная единица – вид. В более крупном масштабе времени удобно рассматривать в качестве единицы эволюции именно вид. Принято разделять два уровня рассмотрения эволюции – микроэволюционный, на котором рассматриваются популяции, происходящие в них изменения, и макроэволюционный, на котором рассматриваются виды и более крупные категории – таксоны надвидового ранга, объединяющие много видов. Исследуя микроэволюцию, чаще всего имеют дело с изменением состава и частот аллелей тех или иных генов; венцом микроэволюционных процессов оказывается свершившийся акт видообразования. При рассмотрении макроэволюции этот акт рассматривается как элементарное событие – фактически при макроэволюционном подходе виды размножаются как индивидуумы. Разделение ранее единого вида на два – это частный случай дивергенции – разделения одной эволюционной линии на две, имеющих собственную эволюционную судьбу. Отличие этого термина от термина «видообразование» состоит, в частности, в том, что «видообразование» применяется только к популяциям, достигшим уровня разных видов, а «дивергенция» – к общностям самого разного уровня: родам, отрядам и т. д., а также к весьма отдаленным эволюционным родственникам: можно, к примеру, говорить о том, что некогда произошла дивергенция человека и шимпанзе, животных и растений, прокариот и эукариот. Иногда говорят не о дивергенции видов или более крупных систематических групп, а о дивергенции какого–то признака – то есть о различиях по этому признаку, сопровождающих независимую эволюцию этих групп. Дарвин полагал, что естественный отбор способен привести к появлению и усилению различий по каким-то признакам у особей, населяющих одну и ту же территорию, и эти различия являеются причиной приобретения разными формами независимой эволюционной судьбы. Сейчас выяснилось, что дело обстоит скорее наоборот – разная эволюционная судьба вследствие изоляции является исходной причиной появления и накопления различий по признакам. (Надо заметить, что эпохальный труд Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» содержал единственную иллюстрацию – схему дивергенции. А сейчас его издают с массой сопровождающих текст картинок. По-видимому, в нашей культуре образное мышление стало доминировать над логическим, а раньше дело обстояло наоборот.) Можно сказать, что в этом конкретном вопросе «Дарвин был неправ». Однако часто муссируемый в отечественных средствах массовой информации вопрос был Дарвин прав или неправ вообще – не имеет никакого смысла. «Происхождение видов путем естественного отбора» - огромная книга, полная самых разных и иногда даже противоречащих друг другу мыслей, среди которых просто обязаны быть как верные, так и оказавшиеся неверными. Некоторые из них сегодня можно было бы смело назвать «антидарвиновскими». Но в этой книге Дарвиным предложены некоторые сорвешенно верные идеи – и прежде всего идея случайных спонтанных изменений живых организмов – ставшие краеугольными камнями современных представлений об эволюции, которые поэтому можно смело назвать «дарвинистическими». А может вид разделиться на три? Или более? В принципе, может, никаких видимых ограничений нет. Но вряд ли какие-то части прежнего вида достигнут уровня новых видов одновременно - тем более что такой конкретный момент времени и не может быть выделен, поскольку видообразование требует времени (на несколько порядков превосходящего продолжительность жизни человека). Так что на практике всю эволюцию можно считать цепью дивергенций – сначала дивергенцию старого вида с одним новым, потом с другим. Если рассмотреть цепочку последовательно происходящих дивергенций видов во времени, то мы увидим линию, довольно часто и во многих местах разветвляющуюс, и каждая ветвь, в свою очередь, также постоянно делится и т. д. Отсюда идет самое распространенное графически-метафорическое представление эволюции в виде эволюционного древа. Часто действительно рисуют дерево, в корнях которого располагают предковые формы, а на ветвях – их эволюционных потомков. Этот образ имеет, однако, важный недостаток. Ствол дерева обычно рисуют могучим, ветви – толстыми. Однако в эволюции нет никаких толстых и параллельных пучков. Каждая эволюционная ветвь всегда представлена одним-единственным видом, а дивергенция любых двух эволюционных ветвей, сколь обширными они бы ни были, всегда начинается с дивергенции одного вида на два, которые будут предковыми для этих ветвей. Дело в том, что эволюционная судьба каждого вида совершенно независима, поскольку не существует никаких долговременных эволюционных программ, которые заставляли бы многие виды эволюционировать в одном и том же направлении, что создало бы эффект могучих ветвей эволюционного древа. Это следует воспринимать не как теоретическое положение, а чисто как эмпирический факт – свидетельств существования таких долговременных программ не найдено, несмотня на упорные усилия многих «романтиков от науки». Эволюция оппортунистична, каждая отдельная эволюционная линия выживает как умеет. Поэтому реальная картина эволюции похожа вовсе не на дуб, а скорее на хлебную плесень – система одинаково тонких, многократно ветвящихся на две ниточек. Собственно, жизнь и завелась на Земле как плесень... Если бы разные эволюционные линии (филетические линии) дивергировали одновременно, т. е. ветви эволюционных древес ветвились на одних и тех же уровнях, то мы получили бы четкую качественную меру сходства и несходства и тем самым однозначную основу для классификации. Для любых двух организмов можно было бы сказать: дивергировали столько-то разветвлений назад. Все ветки, на которые каждая такая эволюционная ветвь разделилась после каждого такого деления, можно было бы назвать таксоном определенного ранга. Таксоны – это объекты биологической классификации: виды группируются в роды, роды в семейства, семейства – в отряды (ботаники говорят «порядки»), отряды – в классы, классы – в типы (ботаники говорят «отделы»), типы – в царства. Но в реальности эволюционные линии ветвятся совершенно независимо друг от друга, в соответствии со своими собственными обстоятельствами. Поэтому четкого и объективного алгоритма построения классификации надвидовых таксонов не существует. Биологи выделяют упомянутые выше ранги, а также таксоны произвольного количества промежуточных рангов – подсемейства, надроды и т. д. В каждой группе независимо решается, какой уровень различий считать классом, какой – семейством, какой – родом, из соображений практического удобства и даже моды. В целом, по мере разработки классификации идет девальвация таксономических рангов: в системе создателя научной классификации Карла Линнея (конец XVIII в.) все дневные бабочки принадлежали к одному роду Papilio, сейчас они составляют два родственных надсемейства, Hesperioidea и Papilionoidea. Процитируем начало того же самого стихотворение, конец которого завершал первую лекцию: все мы знаем, что И человек, и лемминг, и трава Имеют имя милостью Линнея – Блестящие латинские слова. Мы также знаем, что биологическая номенклатура бинарна, то есть название каждого вида состоит из двух слов – названия рода (например род Homo – человек) - это всегда существительное - и видового эпитета – названия вида, которое может быть прилагательным (Homo sapiens, человек разумный), причастием или существительным в роли приложения (Papilio machaon – парусник Махаон, Pinicola enucleator – латинское название птицы щур, которое можно перевести как «сосновик ядроизвлекатель» - и она действительно извлекает ядра из орешков сибирской сосны). Многие из названий можно лишь условно называть латинскими – существительные могут быть заимствованы из других языков (один московский диптеролог даже описал новый род и вид мухи из Вьетнама – Mukha tsokotukha, и это вполне законное название), однако прилагательные и причастия должны быть латинскими или латинизированными. Часто добавляют третье название для обозначения подвида (Homo sapiens neandertalensis – человек разумный неандертальский – хотя не исключено, что его стоило бы рассматривать как отдельный вид Homo neandertalensis). Из того, что биологическая номенклатура в основе своей бинарна, может сложиться ложное впечатление, что род – не менее важная таксономическая категоря, чем вид. Дело доходит до того, некоторые зоологи и ботаники даже считают более почетным описать новый род, чем новый вид, чем лишь усиливают девальвацию родовых названий. Однако это иллюзия. Если виды разных групп животных и растений имеют то общее свойство, что представляют собой потенциально единые генофонды, то общих критериев рода не существует, в каждой группе мнение о том, по каким признаком следует разделять роды, складывается стихийно, и роды разных организмов никак не могут быть сопоставлены друг с другом. Поэтому унитарная номеклатура, где вид обозначался была одним словом, была бы ближе к действительности, в которой лишь границы видов представляют собой некие качественные пороги. Однако номенклатура не могла бы быть унитарной по причине чисто технической – видов слишком много. Комбинация из двух слов окалась уже достаточной – она в состоянии породить многообразие сочетаний, сопостовимое с многообразием видов. Ghbxtv такое издевательство над собой может стерпеть лишь мертвый язык, поскольку видов все еще слишком много для языка живого – ведь в живых языках свое название имеет лишь ничтожная часть животных и растений, оказавшихся в той или иной степени небезразличных человеку. Это становится хорошо видно при попытке предложить параллельную латинской номенклатуру на национальных языках, к примеру, на русском. Уже при конструировании, а чаще при прямом переводе с латыни, родовых названий возникают всевозможные «сжатобрюхи», «тощехвосты» и «японодедки» (это реальные примеры названий, предложенных для родов стрекоз). Эстетическое чувство древних римлян (кто не знает - они-то и разговаривали в быту на латыни) наверняка было бы оскорблено современной биологической номенкатурой, даже бинарной. Говорить о биоразнообразии сегодня стало модно. Это действительно интересная и огромная область. Основным понятием и здесь также остается вид – единственный более или менее объективно обусловленный таксономический ранг, максимальный потенциально единый генофонд. Немудрено, что прежде всего говорят о видовом богатстве некоей области или некоей группы. Как вы думаете, сколько существует видов живых существ? Интуитивные оценки всегда занижены. До недавнего времени говорили, что описано около миллиона видов и еще примерно столько же не описано – в основном, это круглые черви, простейшие, различные паразиты. Вы не поверите, но до сих пор никто не сосчитал даже описанные виды. Виды описываются вот уже более 200 лет, информация содержится, в основном, в специальных изданиях и только сейчас начинает поступать в компьютерные базы данных, пока что содержащие массу ошибок. Причем во многих группах ученые еще не пришли к однозначному мнению о составе и объеме отдельных видов. Так что информация о том, сколько видов уже описано, пока только ожидается, притом нескоро. Когда корреспондент спросил знаменитого английского биолога-эволюциониста Джорджа Холдейна, к каким выводам относительно Создателя он пришел в ходе своих многолетних исследований его творения, тот ответил: «The Lord was very fond of beetles» (Господь очень любил жуков). Дело в том, что большинство видов живых существ – насекомые. Среди насекомых больше всего жуков. Однако речь идет именно и только о числе видов. По числу особей бактерии явно опережают все остальные, даже неясно, на сколько порядков. Их просто больше помещается на земной поверхности. По общей биомассе лидируют, без сомнения, растения (хотя, в основном, за счет малоактивной биомассы древесины) и к ним приближаются бактерии. А насекомые и, в частности жуки - просто самый успешный проект трансформера, биологический конструктор, допускающий множество жизнеспособных форм, которые одновременно достаточно эволюционно пластичны. До недавнего времени приблизительная диаграмма обилия видов в основных группах животных выглядела так, как представлено на рис. 16.1. Вы видите, что большинство животных – насекомые, можно разглядеть других членистоногих – ракообразных и паукообразных, моллюсков, кольчатых червей. Хордовые – поразительно разнообразный по организации и степени ее сложности тип, включающий оболочников, рыб и всех четвероногих и нас с вами – занимает весьма скромное положение. Но и эта картина оказалась сильно приукрашенной в нашу пользу. В конце 1970 -х – начале 1980-х гг. американец Т. Эрвин провел простое исследование. В дождевых тропических лесах Бразилии, Перу и Коста-Рики он расстилал под деревьями ткань, обрабатывал деревья инсектицидом и собирал нападавших насекомых. Падали прежде всего жуки. Эрвин оценил, сколько видов жуков живет на каждом виде дерева, потом проанализировал, на каком количестве видов деревьев встречается один вид жука. Оба этих параметра характеризуются неким распределением значений, а также такими простыми показателями, как среднее и дисперсия. А надо вам сказать, что дождевые тропические леса знамениты тем, как много там видов деревьев, так что два соседних дерева одного вида часто разделены километрами. Затем он сравнил разные типы леса в одном и том же и в разных местообитаниях. Проанализировав все эти данные, он пришел к выводу, что в тропических лесах всего мира живет около 30 (вплоть до 50) млн видов одних только жуков! Вы помните, что совсем недавно количество видов всех живых существ оценивалось примерно 1–2 млн. Поднялся огромный переполох, ученые, как могли, корректировали его оценки, но не смогли снизить их ниже 10 млн. А надо еще вспомнить, что у всех этих жуков есть паразиты, специфичные для одного или группы близких видов. Буквально десятилетие назад ученые нашли новый отряд насекомых – одновременно в пустыне Намиб в Африке и в ископаемом состоянии в балтийском янтаре. Эти насекомые напоминают мелких бескрылых кузнечиков и были названы Mantophasmoptera (богомолопалочники). Как видите, утверждение, которое часто можно слышать по телевизору: «Считалось, что все виды живых существ уже описаны, но тут ученым очень повезло – они нашли еще не описанный...» – просто смехотворно. Неописанных видов вполне макроскопических существ – жуков – гораздо больше, чем описанных. Причем описывать их – Сизифов труд – мало кто потом сможет этими описаниями воспользоваться, да и сами эти виды могут исчезнуть быстрее, чем их описания будут опубликованы. Девственный тропический лес – столь сложное и тонко настроенное сообщество, что после вырубки он не способен восстанавливаться. Вырубка тропических лесов (по площади вырубается примерно 4 площади Швейцарии в год) приводит к вымиранию связанных с ними видов катастрофическими темпами. Его темпы часто приводятся в природоохранных текстах. Приводимые обычно оценки имеют разброс от 20–30 видов в год до 1–5 видов в день, но, думается, они не учитывают обсуждавшееся выше разнообразие насекомых крон тропического леса. Встречаются такие оценки вымирания видов беспозвоночных, как 450 видов в день (это 1 вид за 3 минуты) в течение последних 30 лет. Так или иначе это более чем на порядок выше темпов вымирания видов при знаменитом массовом вымирании в конце мелового периода, во время которого полностью исчезли динозавры и аммониты. Есть оценки (по-видимому, не включающие тропических насекомых), согласно которым в течение 25 лет благодаря деятельности человека вымрет около 15 % видов, за 50 лет – 30 %. Если учесть насекомых, то вымрет, конечно, много больше половины современных видов. Так что человечество – это планетарного масштаба катастрофа. Мы рассмотрели видовое богатство. Теперь коснемся биоразнообразия на другом, наиболее общем уровне классификации и поговорим о типах многоклеточных животных. (Отделов растений, которые аналогичны типам животных, мы коснулись, когда говорили о жизненных циклах.) В настоящий момент невозможно перечислить все основные современные типы животных, потому что классификация таксонов высокого ранга постоянно пересматривается, и особенно интенсивно – в самое последнее время, в связи с поступлением большого количества молекулярных данных. Постараемся все же перечислить типы по уже немного устаревшей системе. Бесполезно пытаться различать типы по внешнему виду – большая часть из них выглядит как «черви», а такие типы, как моллюски, членистоногие и хордовые, могут выглядеть потрясающе разнообразно. Тип характеризуется набором тканей, набором и закладкой органов в эмбриональном развитии. Недостаток места и обилие типов, а также разнообразие внешнего вида во многих из них не позволяет привести их изображения. Но вы легко можете найти их во многотомном издании «Жизнь животных» или еще ближе, в универсальном справочнике – Интернете. Пластинчатые – микроскопические плоские подвижные пластинки, состоящие из двух слоев клеток, по сути – колонии жгутиковых клеток, по строению напоминающие самую раннюю стадию эмбрионального развития всех многоклеточных животных – бластулу. Ползают и питаются фагоцитозом. Чтобы судить о том, насколько пластинчатые родственны другим многоклеточным, данных пока недостаточно. Единственный известный род называется трихоплякс. Губки – неподвижные образования, часто неопределенной формы, формирующиеся двумя типами клеток и имеющие внутреннюю полость (часто усложненного строения), которую выстилают клетки со жгутиками, создающие ток воды через полость и захватывающие пищевые частички. В самом раннем эмбриональном развитии они как бы выворачиваются наизнанку – внутренние клетки становятся внешними, внешние – внутренними. Скорее всего, губки возникли независимо от других многоклеточных. Далее идут настоящие многоклеточные. Первая большая их группа называется первичноротые (почему – станет понятно, когда мы перейдем ко вторичноротым). Кишечнополостные – гидры, актинии, кораллы, медузы: двуслойные радиально-симметричные животные со слепой (без анального отверстия) кишечной полостью, топологически аналогичные вдавленной сфере и тем соответствующие следующей по отношению к упомянутой выше стадии эмбрионального развития более высокоорганизованных животных – гаструле. Все кишечнополостные имеют вокруг ротового отверстия щупальца, снабженные стрекательными клетками. Гребневики – почти прозрачные мешковидные морские создания, похоже на кишечнополостных в том, что двуслойны и имеют слепую кишечную полость, но, в отличие от кишечнополостных, имеют всего два щупальца по бокам тела и специальные подвижные гребешки, расположенные в несколько рядов вдоль тела, с помощью которых они и плавают. Плоские черви также аналогичны кишечнополостным по плану строения – двуслойности и закрытости кишечной полости, но, в отличие от них, имеют билатеральную симметрию и уплощенное тело, приспособленное не для плавания, но для ползания. Свободноживущие плоские черви – турбеллярии – покрыты ресничками, позволяющими им скользить по субстрату. Большая часть плоских червей представлена, однако, паразитами, имеющими необыкновенно сложный жизненный цикл, в ходе которого они меняют много хозяев, принимая в них самые разные формы и вегетативно размножаясь. Сюда относятся печально известные описторх, шистозома, печеночный сосальщик, эхинококк, бычий и свиной цепни. Круглые черви долгое время считались единым типом, но теперь их разбивают на десяток разных. Их объединяет наличие третьего типа первичных зародышевых клеток («третьего зародышевого листка») – мезодермы, открытая кишечная полость (появилось анальное отверстие) и вновь возникшая радиальная симметрия. Некоторые из входящих сюда типов движутся при помощи ресничек (коловратки, гастротрихи), тогда как наиболее известные круглые черви – нематоды – вообще не имеют ресничек и жгутиков на всех стадиях развития. Среди нематод есть паразиты, а такие группы, как скребни и волосатики, – паразиты целиком. Интересной особенностью большинства (если не всех) круглых червей является строго определенное число клеток, т. е. предельно жестко фиксированная программа эмбрионального развития, в которой происходит строго определенное число клеточных делений. Из общеизвестных круглых червей, пожалуй, можно назвать только паразитов кишечника: аскарид и остриц. Немертины – морские черви (и предлинные!), похожие на круглых но, в отличие от них, имеющие настоящую кровеносную систему. Кольчатые черви – название говорит само за себя. Это сегментированные трехслойные черви с настоящей кровеносной системой. Нам хорошо известны дождевые черви, трубочники (которыми кормят аквариумных рыбок), пиявки. К сожалению, менее известно огромное разнообразие многощетинковых кольчатых червей, которые в основном живут в море (но есть, к примеру, и в Байкале), причем среди них имеются как свободноживущие формы, так и сидячие, строящие известковые трубки. Кроме щетинок, как следует из названия, сегменты кольчатых червей несут по сторонам парные подвижные выросты – параподии. Морские кольчатые черви имеют свободноплавающую более или менее округлую личинку, перемещающуюся при помощи ресничек – трохофору. Трохофора имеется и у многих типов, считающихся произошедшими от кольчатых червей. Сипункулиды и эхиуриды – два типа несегментированных донных морских животных, план строения которых, однако, напоминает план строения кольчатых червей. Сипункулиды живут в песке и питаются, пропуская его через себя, как дождевые черви. Моллюски – хорошо известны благодаря своим представителям, имеющим раковину – улиткам и двустворчатым моллюскам, однако некоторые моллюски раковину утратили. Раковинные моллюски кажутся довольно просто устроенными, однако моллюсками являются и головоногие – каракатицы, кальмары и осьминоги, которые одни из самых высокоорганизованных беспозвоночных и при этом самые «интеллектуальные». Примитивные моллюски сегментированы и в целом напоминают кольчатых червей. Однако в движении они сделали ставку не на прочную внешнюю кутикулу, а на мускульный мешок при мягких слизистых покровах, который обычно дополняется известковой раковиной. Самое главное свойство моллюсков – это, наверное, единственные животные, способные переваривать растительную целлюлозу собственными ферментами. Все остальные растительноядные животные разрушают целлюлозу пищи при помощи ферментов, выделяемых симбиотическими бактериями, живущими в их желудочно-кишечном тракте. Онихофоры, или перипаты, – существа вроде огромных гусениц со многими парными нечленистыми ножками и щупальцами на голове, живут в тропических лесах. Единственный случай, когда малый по объему тип животных является не целиком морским, а целиком сухопутным. Но некоторые палеонтологические находки позволяют думать, что первоначально онихофоры также жили в воде. Членистоногие – название говорит само за себя. Сюда относятся ракообразные (помимо раков и крабов следует упомянуть циклопов, дафний, бокоплавов и массу других, в основном мелких), хелицеровые (мечехвосты, скорпионы, сольпуги и пауки) и трахейнодышащие, которые включают многоножек и насекомых. В связи с последним обстоятельством, членистоногие в отношении видового богатства являются самым процветающим типом. Кроме некоторых паразитических форм, членистоногие имеют весьма узнаваемый облик, и нельзя не признать, что их конструкция – прочный внешний скелет – кутикула, имеющий подвижные сочленения, отличается необычайной эффективностью, а возможность менять количество, строение и функцию (локомоторная, пищеобрабатывающая, дыхательная) членистых конечностей делает ее универсальной. Кроме того, у них нет замкнутой (т. е. состоящей из непрерывных сосудов) кровеносной системы и гемолимфа (так почему-то принято называть кровь беспозвоночных) свободно омывает внутреннюю полость тела. Считается, что членистоногие произошли от членистых же кольчатых червей за счет того, что их параподии увеличились и также стали членистыми, а кровеносная система, наоборот, упростилась. Но этот факт не доказан, а сама конструкция на основе внешнего скелета в виде прочных членистых трубок слишком хороша, чтобы ее нельзя было изобрести многократно, ведь ее независимо воспроизвели даже средневековые рыцари. Поэтому есть мнение, что членистоногие представляют собой сборную группу, основной принцип строения которой возник в эволюции несколько раз независимо у предков ракообразных, хелицеровых и трахейнодышащих. Вторичноротые – это вторая большая группа типов. У всех многоклеточных животных кишечная полость формируется в раннем эмбриональном развитии за счет впячивания стенки сферы из одного слоя клеток – бластулы. Этот процесс называется гаструляцией, а получившаяся структура – гаструлой. Такой план строения кишечнополостных, гребневиков и плоских червей сохраняется на всю жизнь – их кишечник представляет собой слепой мешок, открывающийся первичным ротовым отверстием – тем местом, где произошло его впячивание. У всех остальных рассмотренных типов, начиная с круглых червей, в дополнение к ротовому появляется и анальное отверстие – кишечник становится сквозным. В эмбриональном развитии оно специально открывается позднее гаструляции. Так вот, у всех нижеследующих типов именно это вновь открывающееся отверстие принимает на себя функции ротового, а первичный рот принимает на себя функцию анального отверстия. Таким образом, у нас с вами, как у вторичноротых, эмбриональное развитие делается через задницу. Причины такой рокировки кажутся неясными, однако, по всей видимости, разгадку следует искать в том, что общим предком вторичноротых было какое-то сидячее животное, фильтрующее через себя воду, у которого различие между передним и задним концом не имело большого значения. И действительно, часть типов вторичноротых представлена именно неподвижными сидячими формами. Все подвижные вторичноротые на самом деле произошли от неподвижных, причем весьма необычным способом – путем неотении. Неотенией называется приобретение способности к размножению личиночной стадией. Все сидячие животные имеют подвижных личинок. Судя по их устройству, подвижные вторичноротые (включая нас с вами) произошли от личинок сидячих во взрослом состоянии форм, просто-напросто утративших взрослую стадию. Для вторичноротых характерно раннее эмбриональное развитие, в котором важную роль играет химическое взаимодействие клеток зародыша. В развитии же первичноротых гораздо большая роль принадлежит автономному в каждой клетке разворачиванию генетических программ. У многих первичноротых в результате имеется строго фиксированное количество клеток в тех или иных органах, по крайней мере у эмбриона. Если зародыш первичноротого разделить на части, то они некоторое время будут развиваться дальше в соответствии со своими программами. У вторичноротых такое немыслимо, их зародыш развивается как единое целое. Плеченогие – сидячие фильтраторы, очень напоминающие двустворчатых моллюсков, но с неодинаковыми створками раковины. Внутри раковины имеется полость, в которой расположены две неподвижные спирально закрученные «руки», на которых располагаются реснички, осуществляющие ток воды. Сейчас плеченогих немного, но некогда они были весьма распространены. Мшанки – сидячие организмы с венчиком щупалец, чем-то напоминающие коралловых полипов. Также имеют минеральные трубки, в которые втягиваются при опасности. Приведенные ниже типы вторичноротых уже не являются сидячими. Полухордовые – довольно крупные червеобразные донные животные фаллического облика, весьма небольшая малоизвестная группа. Щетинкочелюстные, или морские стрелки, полупрозрачные билатерально-симметричные узкие животные с плавниками, живущие в толще морской воды. Этот тип включает также немного видов. Иглокожие – морские звезды, офиуры, морские ежи, морские огурцы (голотурии), морские лилии. Подвижные, реже сидячие (морские лилии) донные организмы, вторично приобретшие радиальную симметрию. Свободноживущие формы явно произошли от сидячих, наподобие морских лилий, поскольку для сидячих, но никак не ползающих по дну форм оправдан переход к радиальной симметрии. Однако подвижные иглокожие его сохранили, изобретя совершенно оригинальный способ передвижения – за счет множества втяжных ножек. Поразителен так называемый катастрофический метаморфоз иглокожих. Их личинка имеет билатеральную симметрию, живет в толще воды и передвигается за счет биения ресничек специального ресничного тяжа, опоясывающего тело. Маленькая взрослая особь вырастает в задней части ее тела фактически как паразит. Когда она достигает определенной величины, она отрывается от личинки и оседает на дно, сама же личинка погибает. Эта картина показывает, как могли произойти мы с вами: достаточно личинке приобрести способность размножаться и избавиться от кошмарной взрослой стадии – и она могла бы дать начало чему-то вроде нас. Однако мы произошли от каких-то других сидячих форм вторичноротых животных, так как у нас нет и следа радиальной симметрии. Хордовые – пожалуй, самый поразительный тип по разнообразию устройства. В основе его лежат оболочники, или асцидии, – донные сидячие фильтраторы, представляющие собой мешок с двумя рукавами, по одному из которых вода поступает внутрь тела, по другому – выходит. (Ко всем своим странностям, они еще и богаты элементом ванадием и иногда содержат симбиотических фотосинтезирующих бактерий, по составу хлорофиллов напоминающих хлоропласты растений.) Однако они имеют пелагическую (живущую в толще воды) билатерально-симметричную личинку, механической основой тела которой является плотный и эластичный клеточный тяж – хорда. Собственно, от такой личинки мы с вами и происходим. Примитивные целиком свободноживущие хордовые сохранились до наших дней – это ланцетники – существа с хордой, ротовой полостью, открывающейся наружу не только ртом, но и серией жаберных щелей, как у акул, кишечником и сегментированной мускулатурой (как в человеческом торсе, но в мускулатуре ланцетника проявляется оригинальная скользящая симметрия, когда сегметы правой и левой стороны сдвинуты друг относительно друга на половину своей длины). По типу питания они, однако, остались фильтраторами, как и оболочники. Следующей стадией стали круглоротые – у них появились парные глаза, плавники, а хорду заменил хрящевой сегментированный позвоночник. На этой стадии эволюции хорда как орган взрослого животного исчезла. Но она всегда присутствует в раннем эмбриональном развитии всех хордовых. Сейчас круглоротые представлены миногами и полупаразитическими миксинами, но когда-то они были свободноживущими и имели внешний скелет из костных щитков. Преобразование первой жаберной дуги в челюсти сделало из круглоротых рыб. Сначала это были панцирные рыбы – с крупными костными щитками, покрывавшими все тело, причем позвоночник их оставался хрящевым. За счет миниатюризации костных щитков, превратившихся в чешую и зубы, от них произошли хрящевые рыбы – скаты, акулы. Настоящим прорывом было применение костной ткани и в построении позвоночника – так возникли костистые рыбы. Происхождение от костистых рыб земноводных, от них – пресмыкающихся, а от них – птиц и млекопитающих было, грубо говоря, делом техники и всем вам хорошо известно. Так что вся наша пестрая компания – оболочники, ланцетник, миноги, акулы, рыбы, лягушки, змеи, ящерицы, птицы и млекопитающие, включая человека – принадлежит к одному типу хордовых. Когда и как сформировались типы животных? С ними имеет место следующая история (история в буквальном смысле). Все мы живем в макропериоде геологического времени со смешным названием фанерозой. Название образовано от греческих слов «фанерос» – явный и «зое» – жизнь. Он начался 570 млн лет назад и знаменуется тем, что именно с этого времени в осадочных породах стали сохраняться окаменелые ископаемые останки многоклеточных организмов, причем одновременно многих типов сразу. Это связано с тем, что тогда организмы научились делать твердые структурные элементы – панцири, раковины. Твердые покровы приобрели одновременно простейшие (радиолярии и форамениферы), губки, моллюски, членистоногие и прочие типы. Химический состав скелетов и панцирей с самого начала многообразен и исчерпывает все современные варианты. С началом фанерозоя уже в первом составляющем его геологическом периоде – кембрии – все основные современные типы животных появляются одновременно и в полном составе, лишь изначальный их размер был невелик – несколько миллиметров. Однако очень быстро их размеры увеличились. По наличию в отдельных уникальных захоронениях и бесскелетных форм видно, что мы сталкиваемся не с внезапным возникновением фауны со скелетами, а с одеванием скелетами уже имеющихся форм. Принято говорить о «кембрийской скелетной революции». Причины такого бума твердых структур не вполне банальны и их могло быть несколько. Во-первых, в океане, по-видимому, увеличилось количество растворенного кислорода, что позволило повысить энергетическую эффективность организмов до уровня, когда они смогли себе позволить крупный размер и скелеты. Этому способствовало, во-первых, крупнейшее оледенение, которое оживило циркуляцию вод (так как вода имеет максимальную плотность при + 4о С, охлажденные поверхностные воды, богатые кислородом, стали погружаться на дно). Во-вторых, по-видимому, появились организмы – планктонные фильтраторы, которые очистили воду от мути и тем расширили глубину проникновения солнечных лучей и соответственно нагревания и циркуляции. И наконец, главное – первые организмы, которые приобрели твердые структурные элементы (назовем их условно «зубы», хотя скорее всeго это было нечто вроде клешней), смогли стать первыми хищниками, способными поедать мягкотелых животных. До этого никаких хищников не было, так как им нечем было бы хищничать. Под прессом этих хищников всем остальным пришлось срочно одеться раковинами и панцирями. В самом начале фанерозоя основные современные типы были уже представлены. Это значит, что все типы образовались гораздо раньше – принято говорить в докембрии. По молекулярным данным ученые получают датировку дивергенции типов около 800 млн лет назад. И по-видимому, никакие новые типы в фанерозое уже не возникали. Оно и понятно – им бы пришлось конкурировать по эффективности с уже отлаженными конструкциями давно существующих типов. Лирическое отступление на знакомую тему: вне зависимости, когда и как дивергировали типы, в основе каждого из них лежала эволюционная ниточка толщиной в один вид – каждый тип начался с одного какогото вида! Любые два типа, в свою очередь, восходят к какому-то одному виду. Каждый вид – к популяции. Другими словами, существовала популяция старого вида, превратившаяся в некий новый вид. Со временем она разделилась надвое, эти две популяции приобрели независимую эволюционную судьбу и стали разными видами. Сначала они были довольно похожи, но разная эволюционная судьба разнесла их признаки настолько, что они стали основателями двух разных типов. В то время как другие близкие виды из той же эволюционной ветки не породили никаких типов и даже, может быть, родов, а просто вымерли. С точки зрения внешнего облика, типы вполне неравноценны. К примеру, в состав хордовых входят такие несхожие существа, как оболочники (сидячие мешкообразные фильтраторы), ланцетники, рыбы и все четвероногие (включая нас с вами). Для всех них характерен единый план строения на ранних стадиях эмбрионального развития. Но не все типы столь разнообразны и многочисленны. Такие типы, как погонофоры, щетинкочелюстные, полухордовые, эхиуриды и сипункулиды, содержат очень немного видов, некоторые буквально десятки. Вопрос: как такие тщедушные типы могли сохраниться в течение всего фанерозоя, когда вымерло множество мощнейших и разнообразных групп (самыми популярными примерами здесь служат динозавры и аммониты)? История Земли, казалось бы, изобиловала кризисными моментами, когда такие типы должны были полностью вымереть. Наиболее разумный ответ парадоксален. Малочисленные типы действительно легко вымирали во время крупных биотических кризисов! Просто типов первоначально было очень много, так что некоторые из них могли сохраниться совершенно случайно. Ряд палеонтологических находок, датируемых первым периодом фанерозоя – кембрием, а также отдельные находки докембрия (т. е. времени до фанерозоя), не удается классифицировать ни в один современный тип. Судя по всему, в докембрии было сделано несколько попыток создать могоклеточность. В предшествующем кембрию периоде, называемом венд (610–570 млн лет назад), было открыто несколько месторождений, в которых имеются отпечатки мягкотелых многоклеточных животных докембрия, например знаменитое австралийское месторождение Эдиакара (590 млн лет назад). В них находятся отпечатки диковинных организмов, аналогов которых за всю историю фанерозоя не найдено. Им свойственна так называемая скользящая симметрия (чередование со сдвигом повторяющихся элементом справа и слева от оси тела), полное отсутствие органов пищеварения (рис. 16.2). Это были мягкотелые, повидимому, плоские и скорее всего прозрачные существа, возможно, питавшиеся путем диффузии или за счет симбиотических водорослей (как современные лишайники) или бактерий (как погонофоры, о которых мы говорили выше). Ни один отпечаток не несет следов, которые можно было бы интерпретировать как повреждения за счет хищников. Хищников тогда не было, и по аналогии с райским садом эти сообщества иногда называют «Сад Эдиакары». Но в этом саду было изрядно холодно, по некоторым данным, сообщества этих животных существовали в приледниковых водах, тогда как в теплых морях продолжали господствовать сине-зеленые водоросли, образовывавшие строматолиты. Еще более древние, опять-таки ни на что не похожие цилиндрические донные существа, также мягкотелые, были найдены на о-ве Хайнань. Такое впечатление, что где-то в предшествовашем кембрию периоде многоклеточность была изобретена как конструктор, позволяющий комбинировать существа из немногих конструктивных элементов. В фаунах типа эдиакарской мы находим одни поделки из этого конструктора, в фанерозой перешли другие, а до наших дней дожили немногие из первичного фанерозойского набора. Поневоле вспоминается теория раннего греческого мыслителя, богоподобного Эмпедокла из Акраганта (около 490–430 гг. до н. э.), который уже 2,5 тыс. лет назад предположил, что сначала возникли разные органы, которые соединились в самые разные сочетания, некоторые из них оказались жизнеспособными и представляют собой нынеживущих животных и людей, нежизнеспособные же сочетания вымерли. Итак, попытка определить понятие «эволюция» с использованием того, что мы уже знаем из области устройства живых организмов, привела к изложению изрядного куска эволюционной теории. Мы рассмотрели, как эволюция может порождать многообразие. По ходу дела нам понадобились понятия популяции, вида, дивергенции и т. д. Введя эти понятия, мы прояснили предмет и выделили в нем основные объекты и их принципиальные свойства. Мы пока почти не касались вопроса, отчего и каким образом эволюция происходит. Рассмотрение шло по линии – известное нам устройство живых организмов допускает изменения, и если они происходят, то они должны сопровождаться определенными явлениями, для описания которых удобно ввести некие термины. По ходу дела были даны сведения эмпирического характера, т. е. установленный факт существования эволюции в природе и данные о том, как она в реальности просиходит. Это не обязательно было делать, но хотелось оттенить некоторые аспекты понятия «вид», «дивергенция» и пояснить некоторые свойства «биоразнообразия». Теперь настало время перейти к самому главному – к механизму эволюции. Лекция 17. МЕХАНИЗМ ЭВОЛЮЦИИ И ВИДООБРАЗОВАНИЕ Слово «механизм» использовано в заголовке в единственном числе и это сделано намеренно. На данный момент известен только один несомненный механизм эволюции, причем то, что он имеет место, признается абсолютно всеми. Большинство не-биологов, пожалуй, до сих пор склоняются к тому, что этого известного механизма недостаточно для того, чтобы объяснить известную эволюционную феноменологию. Разделяют эту точку зрения и некоторые биологи. Однако они, в основном, сосредоточены на критике, а альтернативные механизмы для них остаются чем-то, что еще предстоит открыть. Большинство биологов убеждены, что существует, по сути, единственный механизм эволюции. Как мы с вами убедились, про живые организмы известно уже очень много, настолько много, что места для каких-то неоткрытых механизмов не очень-то и остается. Все модели и расчеты показывают, что известного механизма более чем достаточно для объяснения эволюции и вся серьезная наука, о которой можно служить по содержанию главных международных журналов, твердо стоит на позиции, основанной только на одном известном механизме. Этот механизм принято называть естественным отбором, а позицию – дарвинистической, хотя было бы лучше, если бы эта очень простая и естественная позиция, безусловно верная в качестве «нулевого варианта», не была более ассоциирована с конкретной персоной. История идеи естественного отбора, наверное, очень показательна для истории науки. Как сказано ранее, она была обозначена на заре становления европейской цивилизации, в VI в. до н. э., уже упоминавшимся Эмпедоклом. Она также в явном виде содержится в поэме древнеримского эпикурейца Тита Лукреция Кара «О природе вещей». У в поэме него вообще все правильно было написано с точки зрения самых разных направлений современной науки. Надо сказать, что Тит Лукреций был эпикурейцем и в своей поэме по сути переложил в стихотворную форму учение Эпикура. Значение слова «эпикуреец» было извращено дальнейшей историей, став синонимом слову «гедонист». Между тем Эпикур был выдающимся мыслителем, равно преуспевшем в области физики и этики. Как этик он первый попытался создать психологию как науку, провозгласив «удовольствте» универсальным двигателем человеческой психики. Но это его «удовольствие» гораздо ближе современному термину «мотивация» - так, Эпикур утверждал, что человек может терпеть пытку во имя высшего удовольствия служения отечеству. Как физик Эпикур был атомистом и был первым, кто, утверждая, что отклоняются атомы в своих траекториях, ввел в обиход фундаментальную случайность. Концепция фундаментальной случайности – а это не та случайность, которая есть непознанная закономерность - является основой современной физики, пронизывая ее от микроуровня, где находит свое выражение в квантовом принципе неопределенности Гейзенберга, до макросистем, до макроуровня, где существует множество хаотических динамических систем, к каковым относятся погода на Земле и активность чеоловеческого мозга. Фундаментальная случайность, наряду с самыми разными закономерностями, действительно пронизывает все мироздание. Однако в своей жизни макрообъекта на поверхности планеты человек имеет дело в основном с закономерностями, поэтому человеческому мозгу закономерности любезны, а случайность – противна. Как следствие, до сих пор существует множество чудаков, которые готовы отрицать всю современную науку за то, что она оперирует – и весьма успешно - с фундаментальной случайностью. В расцвет религиозного мышления в Средние века и на большей части Нового времени идея естественного отбора была совершенно забыта, поскольку никак не соответствовала стилю тогдашнего мышления и волновавшей умы проблематике. Когда в Новое время рациональное мышление вновь возобладало, эту идею предстояло найти заново. В XIX в. к ней одновременно пришли два видных биолога – Чарльз Дарвин и Альфред Уоллес. Здесь мы сталкиваемся с торжеством научного и английского джентльменства – Уоллес подготовил небольшую статью, в которой излагалась эта идея (причем для науки этого вполне было бы достаточно), тогда как Дарвин вот уже десятки лет готовил огромный труд и все никак не мог довести его до окончательного совершенства. Это обстоятельство было известно издателям, и Дарвина попросили ускорить публикацию извлечения из своего труда, с тем чтобы он вышел хотя бы одновременно со статьей Уоллеса, что и было сделано с согласия последнего. Что характерно, оба ученых были зоологами широкого профиля, много работавшими в тропических странах. Дарвин совершил кругосветное путешествие, вернувшись из которого, никуда более не ездил и лишь обрабатывал и осмысливал результаты. Уоллес ездил в Амазонию, а затем в Макронезию, и в биогеографии до сих пор упоминается линия Уоллеса, проведенная по проливам между о-вами Борнео и Сулавеси и о-вами Бали и Ломбок, которая разделяет сильно различающиеся азиатскую и австралийскую фауны и флоры. Иначе говоря, чтобы прийти к идее естественного отбора, им понадобился, как это однажды было сформулировано, «монблан фактов», которого английская природа не могла предоставить. Будучи высказанной, идея естественного отбора вызвала определенный шок, который для одних был шоком прозрения, для других – шоком неприятия, причем количество последних не убывало почти никогда. В последующих изданиях своего труда Дарвин все более ослаблял формулировку этой идеи, по сути становясь тем, кого сейчас бы смело назвали «антидарвинистом». Идея в ее метафорической формулировке неоднократно подвергалась критике с позиций логической корректности, что никак не затрагивало ее сути. В начале XX в. она получила мощное подтверждение со стороны генетики, а развитие молекулярной генетики фактически не оставило сомнения в ее справедливости. В результате сейчас идея естественного отбора представляется едва ли не банальностью, не стоящей не только «монблана фактов», но и каких-либо специальных формулировок и даже особого упоминания. И это – лучшее подтверждение ее истинности! И уж точно сейчас ни в коей мере не следует называть ее «теорией Дарвина», как если бы естественный отбор был всего лишь теорией одного джентльмена, справедливость которой еще предстоит выяснить. В том, что естественный отбор имеет место, согласны абсолютно все. Если споры и идут, то лишь о том, есть ли у эволюции какие-то движущие силы помимо естественного отбора. Кстати, именно банальность естественного отбора до сих пор заставляет романтиков от науки искать каких-то дополнительных сил. По сути дела, идея естественного отбора сводится к следующему. Мы имеем некую внешнюю среду, где существуют некие индивидуальные самовоспроизводящиеся системы. Их существование зависит от того, насколько их устройство допускает существование в условиях данной среды (эти условия включают и существующие в среде другие самовоспроизводящиеся системы). В случае неудачной конструкции они либо разрушаются, либо не способны воспроизвестись. Их самовоспроизведение неидеально, и имеют место различные отклонения. В такой модели у нас автоматически получится, что: – отклонения в точности самовоспроизведения могут приводить как к ухудшению, так и к улучшению конструкции. Со временем носители ухудшений станут уступать в численности (вплоть до полного исчезновения) носителям неизменной конструкции, а те, в свою очередь – носителям улучшений; – раз мы предусмотрели непрерывный источник изменчивости, она будет порождать непрерывные изменения, которые будут происходить в нашей модели, но только лишь в том случае, если в ней не вымрут все без исключения самовоспроизводящиеся системы (чего мы исключить никак не можем). Идея проста и понятна. Среда – это земная поверхность во всей ее конкретности и уникальности, самовоспроизводящиеся системы – живые существа. Существенного увеличения разнообразия модель как таковая не предполагает, но мы уже рассмотрели, что к разнообразию должна приводить физическая гетерогенность «среды обитания», допускающая изоляцию отдельных ее частей. Дарвин описал данный механизм в трех метафорических (и он сам это подчеркивал) формулировках: «естественный отбор», «борьба за существование» и «переживание наиболее приспособленных». Каждая из этих формулировок подвергалась справедливой формальной критике: – раз никто ничего не отбирает специально (отсутствует отбирающий субъект), значит, нет и отбора; – борьбы тоже нет, так как ни у кого нет намерения именно бороться, каждый просто выживает или не выживает; – переживание наиболее приспособленных – бессодержательное понятие, так как приспособленность сама как раз и определяется через способность к переживанию. Более того, сам Дарвин по поводу метафоры «естественный отбор» писал так: «В буквальном смысле слова «естественный отбор», без сомнения, неправильный термин; но кто же когда-нибудь возражал против употребления химиками выражения «избирательное сродство различных элементов»? И, тем не менее, нельзя же, строго говоря, допустить, что кислота выбирает основание, с которым предпочтительно соединяется. Говорилось также, будто я говорю о естественном отборе как о деятельной силе или божестве; но кто же возражает писателю, утверждающему, что всемирное тяготение управляет движением планет? Всякий знает, что хотят этим сказать и что подразумевается под такими метафорическими выражениями, и они почти неизбежны ради краткости речи.» Однако нельзя не признать, что для донесения сути дела до человеческого сознания, особенно обыденного, эти метафорические формулировки весьма эффективны и произведенный ими в свое время эффект говорит сам за себя. К самой идее естественного отбора Дарвина привели те явления, которые нашли отражение в упомянутых метафорических формулировках, а именно: – осознанная и намеренная борьба при достижении средств к существованию в человеческом обществе; – селекция в сельском хозяйстве (искусственный отбор), когда селекционеры сначала как бы рисуют изображение желаемого животного, а затем путем сознательной селекции претворяют его во плоти и крови. Закрывая тему метафорических формулировок, следует отметить, что приспособленность в настоящее время введена как термин и означает среднее количество потомков, оставляемое носителем того или иного гена или признака. На эту величину влияют три ее составляющие: жизнеспособность, плодовитость и скорость индивидуального развития. В реальном существовании такого в общем-то автоматического механизма изменения живых существ – будем для простоты все же называть его естественным отбором – не сомневается никто. Он просто не может не существовать и не работать. Даже те, кто считают, что у эволюции есть и более мощные источники, вплоть до божественных, признают, что естественный отбор внес свой вклад в изменение организмов. Серьезная современная наука находится на тех вполне солидно обоснованных позициях, что одного этого механизма достаточно для обеспечения всех известных эволюционных феноменов. Поэтому, в силу принципа «не следует плодить сущностей сверх необходимого» (так называемая «бритва Оккама»), у нас нет нужды в каких-либо дополнительных, доселе неизвестных или таинственных причинах эволюции. Иногда принято говорить о триаде явлений, которые приводят «к эволюции по Дарвину»: наследственность, изменчивость и отбор. Как мы увидели, отбор-то здесь как раз лишний, ибо при наличии наследственности (включая сюда способность самовоспроизводиться) и изменчивости то, что мы в данном случае называем отбором, будет автоматически иметь место. Третьим, независимым от первых двух, членом триады вместо «естественного отбора» следовало бы поставить такой фактор как «среда», однако ее существование всегда подразумевается. В то время как имя Дарвина традиционно связывается с естественным отбором, его главная заслуга была в том, что он обратил внимание на роль изменчивости – в существовании наследственности на интуитивном уровне никто никогда не сомневался. Для того чтобы указанный механизм работал, по сути неважно, как именно реализованы наследственность и изменчивость, главное, чтобы они имели место. Но, для того чтобы понять, как именно этот механизм («естественный отбор») работает, выяснить его естественные ограничения, интерпретировать какие-то конкретные эволюционные феномены или, может быть, сделать какие-то предсказания, знания об организации наследственности и изменчивости были совершенно необходимы. И именно в этих вопросах было сломано наибольшее число копий после выхода труда Дарвина. Первоначально Дарвин совершенно справедливо полагал, что изменения происходят в основном случайно. По выходе своего труда Дарвин получил письмо от инженера Флиминга Дженкина, писавшего, что механизм естественного отбора не должен работать, поскольку если измененные признаки возникают случайно у отдельных индивидуумов, то уже в следующем поколении они окажутся разведенными вдвое, так как им придется спариваться с окружающими носителями неизмененных признаков. Еще в следующем поколении признак будет разведен вчетверо и т. д. Таким образом, признак будет разведен практически до нуля прежде чем его носители встретятся друг с другом. Получалось, что для отбора все же необходим разумный селекционер, который бы изолировал носителей полезных признаков и скрещивал их именно друг с другом. Надеемся, вы поняли, где подвох. Единицы наследственности – гены – наследуются как дискретные единицы и не могут быть разведены до бесконечности. Даже в случае количественных признаков, которые наследуются примерно в соответствии с примитивной «теорией кровей», т. е. разводятся при скрещивании, разведение идет не далее отдельных генов, влияющих, пусть и незначительно, на признак. Но во времена Дарвина ничего такого не было известно. Поэтому, по словам Дарвина, его стал преследовать этот «кошмар Дженкина», под влиянием которого в каждом последующем издании своего труда он все большую роль в наследственной изменчивости отводил непосредственному, направленному и целесообразному влиянию среды на наследуемые признаки, благодаря которому отклонения в ряду поколений не разбавляются, а усиливаются. Сейчас можно сказать, что такого влияния нет, а сама эта идея считается сейчас совершенно антидарвинистической. Далее, Дарвин предположил, что наследственность организована следующим образом: от всех частей тела организма отходят некие частицы – геммулы, которые несут информацию о его устройстве. Они собираются в половых клетках и формируют образ будущего организма. При таком механизме мы бы имели дело с наследованием приобретенных признаков. К примеру, если организм теряет часть своего тела, то оттуда не поступит и соответствующих геммул и потомство не должно иметь эту часть. В этом Дарвин был солидарен с первым эволюционистом – Жаном Батистом Ламарком, для которого наследование приобретенных признаков казалось естественным. Он придавал большое значение тренировке органов, причем натренированное состояние органа должно было наследоваться. Гипотеза Дарвина о механизме наследственности была чисто умозрительной и, в отличие от его теории эволюции, со временем блестяще провалилась – как вы уже сами можете судить, ничего подобного в живых организмах не наблюдается. Источником изменчивости являются мутации генов, которые случайны и в каждой клетке идут самопроизвольно и независимо, без какого бы то ни было влияния со стороны других клеток и всего организма. У животных наследуются только мутации, произошедшие в клетках зародышевого пути, не имеющие другой функции, кроме хранения наследственной информации, а все, что происходит в остальном организме, не наследуется. В конце XIX в. Август Вейсман проверял этот факт, в течение многих поколений отрубая мышам хвосты. При этом никакого уменьшения длины хвоста не наблюдалось. Поскольку первоначальная идея Дарвина была именно о спонтанном и случайном характере изменчивости, известную нам картину наследственности и изменчивости считают дарвинистической, а предположение о наследовании приобретенных соматических признаков – недарвинистическим (в таких случаях принято говорить о ламаркизме). Еще раз оговоримся, что сам Дарвин допускал наследование приобретенных соматических признаков. Кроме того, он допускал «непосредственное», прямое и адекватное, влияние среды на наследуемые признаки, что также не подтвердилось. С каждым новым изданием своей знаменитой книги Дарвин все большую роль отводил этому последнему и тем самым становился, с сегодняшней точки зрения, «все меньшим дарвинистом». Как вы понимаете, все точки над i расставила генетика. «Кошмар Дженкина» был преодолен, а механизмы наследственности и изменчивости раскрыты. Сочетание Дарвиновой идеи естественного отбора и генетических знаний привело в начале XX в. к так называемому новому эволюционному синтезу, или к созданию синтетической теории эволюции. (В качестве ее источника называют также палеонтологические открытия, но они не имели принципиально нового значения, в большей степени повлияло участие в этом синтезе палеонтолога Дж. Симпсона как незаурядного ученого.) У этой теории много создателей и их круг непросто определить – обычно называют Ф. Добжанского, Дж. Хаксли, Э. Майра, Л. Стеббинса, С. С. Четверикова, Дж. Симпсона, Дж. Холдейна и др. У этой теории нет и системы каких-то постулатов. Поскольку опять-таки это не теория, а просто нормальная наука об эволюции, основанная прежде всего на плодотворных идеях упомянутых ученых, опирающаяся на то, что на данный момент известно о живых организмах, и не оглядывающаяся на то, чего неизвестно. Характерной особенностью синтетической теории эволюции является концентрация внимания не столько на изменении признаков, сколько на изменении определяющих их генов. Много внимания уделяется изучению изменения частот аллелей в популяциях, природных и экспериментальных. В последнем случае речь идет об экспериментах по искусственному отбору. В них экспериментатор выступает в качестве внешней среды, благоприятствующей или неблагоприятствующей определенным признакам. Здесь уместно сказать о типах естественного отбора. Если неблагоприятными являются отклонения в любую сторону от существующего среднего, то говорят об очищающем, отборе. В эксперименте такой отбор можно реализовать, если элиминировать особи, отклоняющиеся от среднего более чем на определенную величину. Результатом такого отбора будет сохранение среднего и поддержание или сокращение разброса по признаку. Длительный очищающий отбор благоприятствует такой перестройке генетической системы управления онтогенезом, при которой признак становится все менее подверженным спонтанной измеичнвости. Такое явление было названо выдающимся отечественным эволюционистом И.И. Шмальгаузеном стабилизирующим отбором. Если любые отклонения признака в одну сторону оказываются благоприятными, а в другую – неблагоприятными, то говорят о движущем отборе. Его можно организовать, элиминируя из популяции либо отклонения от среднего в одну сторону более чем на определенную величину, либо определенного процента особей с одного из краев распределения по признаку (в этом случае критическое для элиминации значение признака не фиксировано). Результатом такого отбора будет смещение признака в благоприятную сторону, т. е. адаптивная эволюция по этому признаку. Если приветствуются любые отклонения от среднего в ту или другую сторону, то говорят о дизруптивном отборе. Такой отбор приводит к увеличению разброса по признаку, в некоторых случаях может сформироваться даже бимодальное распределение. Тот факт, что организмы, имеющие признаки, позволяющие им либо с большей вероятностью выжить в данной среде, либо оставить больше потомков, либо быстрее достигнуть половой зрелости, представляется естественным и даже, можно сказать, справедливым. Это явный пример закономерности. Однако в реальной эволюции очень велика также роль случайности. (Еще раз подчеркнем, что всякая случайность подчиняется своим, вероятностным закономерностям.) Вот вам простой пример. Допустим, мы имеем где-то устойчивую и долго существовавшую популяцию двуточечной божьей коровки, особи которой представлены двумя формами – черной с красными пятнами и красной с черными пятнами. Жизнеспособность обеих идентична – птицы с одинаковой легкостью научаются не трогать ни ту ни другую одинаково яркую за их полной несъедобностью. Пусть они определяются двумя аллелями одного локуса – А и а, причем первый доминирует над вторым. Пусть в нашей популяции эти аллели представлены в соотношении 1:1 (т. е. если посчитать все несущие их хромосомы всех коровок, то их будет равное число). И вот пусть с этой популяцией случилась какая-то беда (допустим, страшная засуха или страшный мороз), так что погибли все божьи коровки, за исключением одной лишь оплодотворенной самки, которая пережила катастрофу. В дальнейшем она отложила яйца, из них вышли личинки, прошли метаморфоз, превратились в жуков, стали спариваться, размножились и восстановили популяцию коровок в данном месте. Вопрос: как будут выглядеть эти коровки? Ответ совершенно правильный: неизвестно! Здесь есть закономерности, но это закономерности теории вероятности. Мы можем оценить априорные вероятности разных исходов. Раз у нас была популяция, долго существовавшая в том месте, значит, аллели в ней пришли в рекомбинационное равновесие и частоты генотипов индивидуальных особей описываются соотношением Харди – Вайнберга: частоты гомозигот АА, гетерозигот Аа и гомозигот аа равны соответственно p2 , 2pq и q2 , где p – частота аллеля А; q – частота аллеля а; p + q = 1. Поскольку мы договорились, что эти частоты изначально были равны 0,5, то гомозиготы обоих типов должны у нас составлять по четверти, а гетерозиготы – половину. Именно таковы вероятности того, что наша коровка будет принадлежать к каждому из этих генотипов. Наша коровка была оплодотворенной, значит, был и отец. Каков был его генотип, описывается теми же вероятностями. Итак, было два родителя, каждый из которых с вероятностью 1/4 был одной из гомозигот, с той же вероятностью – другой гомозиготой и с вероятностью 1/2 – гетерозиготой. И вот их потомство размножилось, отбора, как мы договорились, никакого нет. Каково будет соотношение аллелей в новой популяции? Точно такое же, каково оно было у родительской пары. Надо разобрать все варианты генотипов родителей и посчитать вероятности этих пар (это и будут вероятности тех или иных частот аллелей в восстановившейся популяции). Для чего нужно перемножить вероятности родителей. Генотипы родителей и их вероятности АА 1/4 Aa 1/2 aa 1/4 AA 1/4 AA x AA 1/16 AA x Aa 1/8 AA x aa 1/16 Aa 1/2 Aa x aa 1/8 Aa x Aa ј Aa x aa 1/8 aa 1/4 aa x AA 1/16 aa x Aa 1/8 aa x aa 1/16 Среди всех вариантов пары мать х отец мы имеем 5 вариантов количественного соотношения аллелей А и а у родителей. Отдельно взятая пара (или, что то же самое, отдельно взятая оплодотворенная самка) будет характеризоваться тем или иным соотношением со строго определенными вероятностями. Только А – 1/16, 3 A : 1 a – 1/8, 1 A : 1 a – 3/8, 1 A : 3 a – 1/8, только а – 1/16. То же самое соотношение будет и у их потомства, и во всей популяции, которая от него произойдет. Что мы видим? После того как популяция по тем или иным причинам сократилась до одной особи, потомки которой снова размножились, более чем в половине случаев соотношение частот двух аллелей радикальным образом изменилось. В 1/8 случаев из двух некогда равнопредставленных аллелей остался только один. А если бы у нас были не коровки, а растения, способные к самоопылению? Тогда популяция могла бы возродиться не с пары родителей, а из одной особи. Если исходное соотношение двух аллелей то же – 1 : 1, то с вероятностью 50 % один из них безвозвратно исчезнет, так как в половине случаев растение-основатель было бы одной из гомозигот. И все это безо всякого отбора, в силу одной лишь случайности, т. е. потому, что одна особь не может полноценно представлять всю популяцию, все имеющиеся в ней аллели и их соотношение. Вот если бы в нашей популяции было больше четырех аллелей, то, по определению, все они не могли бы пройти через сокращение численности до одной оплодотворенной особи. Кстати, ситуация отнюдь не такая уж нереальная. Так обычно идет заселение островов – приплывет какая-нибудь одна ящерица на бревне и дает потомство, в котором набор аллелей будет гораздо беднее, чем в исходной популяции (так как одна ящерица не может прихватить с собой их все), а их соотношение резко изменится. Это дает отправную точку эволюции ящериц (да и кого угодно) на острове, которая в результате может пойти по-другому, нежели чем в той популяции, откуда она приплыла. Данное явление называется эффектом основателя, а непредсказуемые изменения аллельных частот при резких сокращениях численности популяции принято называть эффектом бутылочного горлышка. Однако не обязательно, чтобы колебания численности (иногда их называют волнами жизни) были такими катастрофическими. И даже не обязательно, чтобы колебания вообще были. При любой численности гаметы, которые дают начало следующему поколению, являются случайной выборкой. Ее размер равен удвоенной численности следующего поколения и каждая гамета имеет определенную вероятность принадлежать к тому или другому генотипу. Выборочные частоты подчиняются простым законам теории вероятности, при этом чем меньше выборка, тем больше колебания реальных частот при тех же вероятностях. Так что чем меньше популяция, тем менее точно частоты аллелей предыдущего поколения воспроизводятся в поколении следующем, т. е. тем большим флуктуациям они подвержены. Данное явление – случайные флуктуации частот аллелей в силу конечного размера популяций – было названо генетическим дрейфом. Чем больше популяция – тем меньше эффект генетического дрейфа, т. е. случайных флуктуаций аллельных частот, тем заметнее влияние на аллельные частоты их селективного преимущества, т. е. естественного отбора. Селективное преимущество – это отношение количества потомков в следующем поколении, оставляемых носителем данного аллеля, к количеству потомков некоего аллеля, принимаемого за стандарт (его селективное преимущество – единица). Селективное преимущество можно оценить в эксперименте, но довольно сложно – в естественной среде. Наверняка есть аллели, у которых оно совершенно идентично (допустим, различающиеся синонимичными заменами нуклеотидов). Существует, однако, очень много аллелей, различия в селективном преимуществе которых существуют, но пренебрежимо малы – замена одного на другой почти не сказывается на выживаемости или просто на фенотипе организма. В таких случаях говорят о нейтральном полиморфизме. Частоты таких аллелей будут изменяться лишь под действием случайных колебаний в популяциях конечного размера, т. е. под действием генетического дрейфа. Такие изменения аллельных частот называются нейтральной эволюцией. Математическую теорию нейтральной эволюции разработал прежде всего выдающийся американский генетик и математик Мотоо Кимура. Причем он собственноручно приклеил к ней ярлык «недарвинова». Непонятно, зачем он это сделал – либо из рекламных соображений, либо из-за весьма характерной ситуации, которую создали ортодоксальные дарвинисты в отсутствие математического мышления. В первой половине ХХ в. в умах, особенно в нашей стране, возобладал так называемый панселекционизм. Любой признак организма (а их, как вы помните, бесконечное число) считался имеющим важное селективное значение и необходимым для выживания. Как правило, интеллект ученого услужливо предоставлял весьма хитрые построения, почему это именно так. Но всякий раз нельзя было отделаться от ощущения, что если бы признак был противоположный, то он придумал бы, почему полезно именно это. Такая интеллектуальная игра считалось настоящим дарвинизмом. И это притом, что уже упоминавшийся Д. Холдейн в свое время обратил внимание, что, для того чтобы естественный отбор закрепил любой признак за всеми особями популяции или вида, все носители противоположного признака должны так или иначе погибнуть. Данное обстоятельство было названо «платой за эволюцию». Отсюда следует, что эволюционировать по многим признакам одновременно и независимо нельзя – плата за эволюцию будет настолько высока, что у вида просто не хватит интенсивности размножения. Иначе говоря, по многим признакам одновременно эволюционировать можно только если они связаны между собой общими закономерностями развития (т. е. общими генами). Это накладывает известные ограничения на возможные скорости и направления адаптивной эволюции. Часть эволюционных изменений, по-видимому, была нейтральной и происходила «сама собой» в силу случая, без участия естественного отбора. Однако у эволюции было столько времени, что изменения, происходившие под действием естественного отбора в каждый момент времени только по немногим признакам, в конечном счете имели возможность зайти настолько далеко, что породили такие сложные и в общем-то целесообразные организмы, как мы с вами. Так что те, кто говорят о «творческой роли отбора», не так уж и неправы. Просто отбору нужно было дать (и было дадено) поистине астрономическое время для своего слепого «творчества». Теорию нейтральности нельзя рассматривать как альтернативу дарвинизму. Наоборот, по сути, это и есть количественная теория дарвинизма. На уровне изменения аллельных частот она показывает, что естественный отбор может и чего он не может, каковы ограничения на адаптивную эволюцию. Адаптивный и нейтральный режим нельзя противопоставить друг другу, они всегда присутствуют одновременно и являются прямым следствием существования самовоспроизводящихся с неабсолютной точностью систем в неких реальных условиях. В случаях, когда роль отбора пренебрежима мала по сравнению с ролью случайных процессов, имеет место нейтральная эволюция, когда превосходит – быстрая адаптивная эволюция. Соотношение адаптивной и нейтральной эволюции – это всегда вопрос конкретного случая. Мы начали эту главу со смелого уверждения, что существует всего один механизм эволюции – естественный отбор, однако по ходу рассмотрения были вынуждены, во-первых, признать, что это выражение не очень удачно; речь по сути идет об ограничениях, накладываемых на изменчивость как внешней средой, так и самим внутренним устройством живых организмов. Во-вторых, большую роль в эволюции мы отвели случайности. Однако если рассматривать «механизм» как нечто неслучайное, то наше первоначальное утверждение не будет таким уж неправильным. Эволюцию в целом никак нельзя назвать направленным процессом, однако внутренние и внешние ограничения в той или иной мере канализируют генетическую изменчивость в разрешенных направлениях. С другой стороны, об эволюции – причем не только эволюции в целом, но и в каждом конкретном ее случае – можно с уверенностью увтерждать, что она есть процесс необратимый. Даже если нам доведется наблюдать в длинном ряду поколений изменение какого-то признака, которое по видимости вернется в исходное состояние – например, размеры сначала увеличились, потом снова уменьшились, или частота темных бабочек сначала возросла, потом снова сократилась – мы не должны забывать, что геном содержит десятки тысяч генов, которые за это время тоже как-то изменялись, хотя мы и не видим этого глазом. Какието аллели каких-то генов были безвозвратно потеряны, какие-то новые аллели возникли в результате мутаций. Даже если все это остается в рамках нейтральной изменчивости – ни вид, ни популяция не остаются прежними и не могут быть ввергнуты в однажды пройденное состояние в силу второго начала термодинамики. Как и к любому необратимому процессу, к эволюции применима мудрость Гераклита Эфесского: «в одну реку нельзя войти дважды». Как видим, метафора непрерывного потока помогает нам понять и сущность самой жизни, и сущность эволюции живого как неравновесных и неорбатимых динамических процессов. Разберем с позиций современной теории эволюции один тип таких конкретных случаев, а именно видообразование. Ограничимся привычными нам эукариотами, у которых в размножении участвуют (хотя бы иногда) два родителя. Мы с вами уже говорили, что главной предпосылкой для видообразования является более или менее длительная изоляция двух популяций друг от друга, достаточная для того, чтобы они потеряли способность обмениваться своими генами в случае, если снова вступят в контакт. Это могут быть презиготические барьеры, такие как разное половое поведение, предпочтение разных местообитаний, разное строение половых органов, а могут быть постзиготические барьеры, такие как хромосомные перестройки, другие нарушения мейоза, различия в генетической программе развития. Заметьте, что большая часть перечисленного не имеет никакого отношения к взаимодействию организмов с окружающей средой, а только к взаимодействию организмов друг с другом. Какие именно будут детали строения половых органов, какова высота тона призывной песни, каков порядок генов в хромосомах – совершенно не важно, лишь бы половые органы подходили друг к другу, самка понимала песню, а хромосомы правильно спаривались. Так что механизмы изоляции появляются, в силу независимой нейтральной эволюции всех этих признаков, в двух популяциях, т. е. в ходе случайного блуждания признаков за счет случайного блуждания определяющих их аллелей – дрейфа генов. Причем нейтральное блуждание включает в себя и адаптивный момент. Если у самца изменилась высота песни, должно измениться и предпочтение к высоте звука у самки. Если эффект незначителен, то носители «новой песни» все еще смогут скрещиваться со старорежимными самками, хотя и не так охотно с их стороны. Такие новомодные самцы будут иметь пониженную приспособленность и со временем могут элиминироваться. Однако они могут и случайно закрепиться при случайных флуктуациях аллельных частот в моменты падения численности (эффект бутылочного горлышка). И до тех пор, пока они существуют, могут случайно возникнут и самки с новыми предпочтениями. Тогда новый тип песен и предпочтений будет подхвачен и закреплен половым отбором (отбор на признаки, увеличивающие вероятность успешного спаривания). В этом случае эволюционная инициатива принадлежит случайным процессам, но подхватывается отбором. Это похоже на игру в догонялки – один пол случайным образом убегает, другой его догоняет. В следующий раз убежать может другой пол, так как это дело случая. Мы видим комбинацию нейтральной и адаптивной эволюции с приматом первой. То же и со структурой половых органов, и со структурой хромосом. Часто популяции нарождающихся видов получают возможность контактировать друг с другом на стадии, когда барьеры нескрещиваемости еще «неготовы» - гибридизация еще возможна, но у гибридов уже есть какие-то проблемы - как правило, с плодовитостью. А это автоматически означает, что против гибридизации существует сильный естественный отбор – ведь гибриды не оставляют потомства или его мало. Этот отбор благоприятствует барьерам нескрещиваемости и доводит их создание до конца. Как мы уже упоминали, это называется «парапатрическим видообразованием». Иногда виды, разделившиеся в условиях изоляции, продолжают существовать на своих локальных ареалах, не входя или почти не входя в контакт. Один шотландский специалист по фауне стрекоз Южного Китая сообщал, что там почти на каждой горе есть особый вид стрекоз, живущих возле тенистых ручьев в горных тропических лесах и никуда от них не отлетающих. Они во всем похожи, но хорошо отличаются по анальным придаткам самцов – а это органы, необходимые для захвата и удержания самки при спаривании. То есть их отличия никак не связаны с приспособлением ко внешней среде, а относятся к системе распознавания «свой-чужой». В этом отношении более интересны случаи, когда образовавшиеся в изоляции виды снова входят в соприкосновение и распространяются по ареалу (области распространения) друг друга, успешно сосуществуя, не смешиваясь и по-разному используя среду. Это означает, что при видообразовании не только произошло нейтральное расхождение признаков половой совместимости, но и поработал движущий отбор, сместив значение каких-то адаптивных признаков. Действительно, виды обычно имеют уникальные экологические ниши, т. е. они редко совершенно взаимозаменяемы в сообществах. Более того, близкие виды обычно различаются по какому-то важному с адаптивной точки зрения признаку не менее чем на определенную величину – этот феномен называется character displacement (смещение признаков). Важное наблюдение весьма обычной ситуации: если два близких вида имеют не полностью перекрывающиеся ареалы, то их представители более всего различаются по признакам, имеющим адаптивное значение, именно в области их перекрывания, а там, где встречается только один, особи более изменчивы и зачастую похожи на особей другого вида. (Что это все же разные виды, обычно можно понять по каким-то видоспецифическим признакам, не имеющим отношения к приспособлению к окружающей среде. Допустим, у насекомых это чаще всего та же скульптура половых органов.) Это означает, что естественный отбор «заставляет» виды поделить экологическое пространство, разойтись по используемому ресурсу, с тем чтобы свести к минимуму конкуренцию между ними. Давайте посмотрим, какие условия благоприятствуют движущему отбору. Во-первых, как мы увидели, селективные преимущества любого аллеля тем более заметны, чем больше размер популяции. Это значит, что адаптивная эволюция идет тем легче и быстрее, чем больше численность популяции. А что насчет размера ее ареала? Тут все наоборот – чем больше ареал, тем больше разнообразие локальных условий. Что выгодно в одном месте, оказывается невыгодно в другом. Миграция особей и их генов в пределах популяции (а раз это популяция, она должна иметь место) сводит на нет результаты отбора. Поэтому для эффективности естественного отбора выгодно, чтобы популяция занимала очень ограниченную территорию – была узколокальной. Получается, что для видообразования подходит периферия ареала, занимаемого видом. Раз это периферия, т. е. вид находится здесь на пределе своего распространения, значит, условия здесь находятся на границе того, что вид еще способен перенести. Причем места, где вид может существовать, встречаются локально среди непригодной территории и занимают небольшую площадь. Это создает набор узколокальных, своего рода островных популяций, занимающих небольшую территорию и изолированных друг от друга. Мы имеем изоляцию – непременное условие приобретения барьеров скрещивания и независимой эволюционной судьбы. Мы имеем малую территорию – залог эффективности естественного отбора. Мы имеем предельные для вида, не очень благоприятные условия – это создает условия для движущего отбора: любое изменение существующих признаков в нужном направлении улучшит существование вида в этих экстремальных условиях. Неблагоприятные условия приводят к тому, что численность этих популяций часто катастрофически падает, что создает эффект бутылочного горлышка и резко усиливает эффект дрейфа генов: при сокращении генетического разнообразия внутри популяции увеличивается генетическое разнообразие между популяциями. Для адаптивной эволюции низкая численность неблагоприятна, но два других фактора – узколокальность и движущий отбор – приводят к тому, что она все равно идет. Первые успехи в этом направлении позволяют повысить численность, что приводит к интенсификации адаптивной эволюции. В связи с этим режимы преобладания нейтральной и адаптивной эволюции в таких популяциях чередуются и часто первые предшествуют вторым. Как результат, изолированные популяции на периферии вида довольно быстро превращаются в новые виды, которые не только теряют способность скрещиваться со старыми, но и отличаются от них какими-то адаптивно важными признаками. Приобретя такие признаки, они часто оказываются способными заселить бόльшую территорию, что и делают, причем часто это основная территория распространения родительского вида. Сколько, по вашему мнению, времени уходит на видообразование? От десятков до сотен тысяч лет. Наверное, самый быстрый зафиксированный случай – около 5 тыс. лет – примерно такое время назад человек завез бананы на Гавайские о-ва, и там успел сформироваться местный вид бабочек, перешедший на бананы с местных растений. Весь этот сценарий стал понятен эволюционным генетикам уже вскоре после середины ХХ в. В 80-е гг. в палеонтологии появилась концепция прерывистого равновесия, авторы которой, опять-таки американцы Нильс Элдридж и Стивен Гулд, поначалу не имели в виду подтверждать то, что мы сказали выше, а решили, будто они усмотрели нечто достаточно парадоксальное. Они выяснили, что виды, как правило, существуют более или менее неизменно (это называется эволюционным стазисом), а потом вымирают. Среднее время жизни вида беспозвоночных оценивается в 11 млн лет, у позвоночных это, как правило, 2-5 млн лет. Новые виды возникают с палеонтологической точки зрения мгновенно. Снова заговорили о макромутациях, о многообещающих монстрах. На самом деле все сходится с описанным выше «неодарвинистическим» механизмом видообразования. Десятки и сотни тысяч лет – время, необходимое для образования вида – с палеонтологической точки зрения выглядят как мгновение. За это время не успевают накопиться большие толщи осадков, в которых процесс видообразования можно было бы проследить в динамике. Кроме того, видообразование происходит в какой-то узколокальной популяции и вероятность того, что трупы этой популяции сохранятся в окаменелом виде, а мы их найдем, ничтожна. Новый вид становится заметным палеонтологам только когда он размножится и расселится. Часто дочерний вид возникает, размножается и расселяется, в то время как родительский вид продолжает спокойно существовать. В некотором смысле виды ведут себя как индивидуумы – размножаются, существуют и умирают. Поэтому, когда речь идет о макроэволюции, вполне можно оперировать таким понятием, как межвидовой отбор, – виды здесь тоже обладают такими свойствами, как плодовитость, скорость видообразования, жизнеспособность. Скорость видообразования здесь тождественна эволюционной пластичности. Можно заключить, что существует отбор на эволюционную пластичность – это понятно хоть на микроэволюционном уровне, хоть на макроэволюционном. По сути, именно отбор на эволюционную пластичность сформировал нас такими, какие мы есть. Он имеет прямое отношение к усложнению строения организмов. В докембрии не было и не могло быть отбора в сторону человека или кита. В соответствии с теорией, выдвинутой В. А. Бердниковым, организмы с более сложной генетической системой управления развития имели больше степеней свободы для эволюционных изменений и соответственно дали больше эволюционных ветвей. Как следствие эволюция шла в сторону усложнения генетической системы и увеличению количества генов. Это увеличение вскоре уперлось в мягкий предел, определяемый физико-химическими свойствами стабильности материального носителя наследственности – ДНК. Это максимальное количество генов, которое еще может существовать без того, чтобы количество случайно возникших новых вредных мутаций в каждом потомке было еще совместимо с жизнью. Как сказано выше, каждый из нас в среднем несет одну новую мутацию, возникшую в зародышевом пути родителей. У человека около 24 000 генов (в молекулярном понимании), это приблизительно и есть предел. Почти все высшие организмы, животные и растения, имеют число генов примерно того же порядка (у мухи дрозофилы их около 13 000). После того как предел достигнут, эволюция шла, в основном, в сторону перераспределения генетической сложности в пользу тех или иных признаков, в зависимости от того, пластичность каких признаков была чаще необходима. А каковы причины эволюционного стазиса, что мешает успешным и широкораспространенным видам эволюционировать, почему они стоят на месте? Ответ уже был: генные потоки внутри вида консолидируют вид и не позволяют частотам аллелей смещаться в том или ином направлении под действием естественного отбора в каком-то одном месте. Отбор в любой части ареала бессилен перед лицом потока генов, который сводит на нет его результаты. Кстати, роль обмена генами очень легко интуитивно недооценить. Кастовая система в Индии не привела ни к какой генетической дифференциации каст – редкие браки и внебрачные дети на большом промежутке времени (около 2 тыс. лет) нивелировали всю кажущуюся изоляцию. Негры в Америке уже несут около трети генов белых. (Мы хорошо себе их представляем по американским фильмам. Они действительно не столь непохожи на европеоидов, как африканские.) У успешных видов невелик и генный дрейф – популяции такого вида огромны и слабо отграничены друг от друга. Можно сказать, что генные частоты успешного вида забуферены контактами между популяциями. Есть такая тропическая и субтропическая стрекоза – Pantala flavescens, отличающаяся очень легким полетом и запросто пересекающая океаны. Представители этого вида идентичны во всей тропической зоне, представляя, по сути, одну популяцию. (По-видимому, только на о-ве Пасхи существует почти изолированная популяция, отличающаяся несколько более короткими крыльями.) Сама успешность вида делает его эволюционно-консервативным и неспособным изменяться. Во время эволюционного стазиса эффективен только стабилизирующий отбор, который отметает заведомо нежизнеспособные варианты. И только если условия обитания ухудшатся настолько, что вид окажется разбит на мелкие прозябающие локальные популяции, в них могут пойти процессы видообразования и на эволюционную арену выйдут уже новые виды-потомки. Мы совсем забыли об однородительских формах – огромном количестве размножающихся вегетативно, с помощью апомиксиса или путем самоопыления растений и скромном количестве размножающихся партеногенезом животных. Почему соотношение таково и отчего эти организмы решили не пользоваться преимуществами комбинаторной изменчивости – вопросы непростые и не до конца исследованные, оставим их в стороне. Отметим в то же время, что у таких форм каждый индивидуум по сути является изолированным генофондом и тождественен виду двуродительских форм в том смысле, что является единицей эволюции. Вместо четко очерченных видов мы часто наблюдаем у них непрерывный континуум трудноразличимых форм. Но поскольку на большом масштабе эволюционного в лучшем случае только некоторые из них оставят потомков, мы и здесь можем строить эволюционные древеса и говорить о дивергенции. За последнее столетие теорией эволюции накоплено и проинтерпретировано огромное количество фактов, равно как и создано множество частных теоретических моделей. Все они хорошо согласуются друг с другом, что говорит о том, что это верное направление науки. Как и везде в биологии, развитие молекулярных методов позволило углубить наши знания, но никакой принципиальной их коррекции вводить не пришлось (как это было с теорией наследственности в начале ХХ в.). Однако дискуссии не прекратились. Во многом это связано с тем, что получившаяся картина не несет в себе особой романтики. Действительно, как сказано в первой лекции, биология уже приближается к тому, чтобы до конца выяснить устройство живых организмов в качестве очень сложных механизмов. Это многим не нравится на чисто эмоциональном уровне. Выводы современной теории часто требуют для своего восприятия и проверки многих специальных знаний, в частности математических. Поскольку реальные характеристические времена эволюции весьма велики (для видообразования крайний минимум составляет тысячи лет), нельзя провести убедительный эксперимент – допустим, создать полноценный новый вид. Поэтому в обществе и даже в науке еще довольно много (и, по видимому, всегда будет много) антидарвинистов. Давайте проведем их инвентаризацию. Прежде всего выделяется довольно сплоченная, хотя и разнородная, армия креационистов. Это в той или иной степени религиозные люди, которые считают, что появление и эволюция жизни на Земле не обошлись без сверхъестественного, т. е. божественного вмешательства. Обращаем ваше внимание на то, что возникновение жизни и эволюция жизни – это вполне разные вещи (которые сплошь и рядом бездумно смешиваются). Мы говорили об эволюции жизни, исходя из того, что она уже дана нам на поверхности Земли как сформировавшееся явление. У нас нет фактического материала (ни сравнительного современного, ни ископаемого) для реконструкции событий, предшествовавших формированию генетического кода и всех связанных с ним молекулярных механизмов, образованию клетки. У нас есть только сами эти механизмы и структуры, позволяющие строить теории, часто весьма убедительные. Но ваше внимание уже не раз было обращено на прихотливое сочетание в них целесообразности и случайности, свидетельствующее об их естественном происхождении. Так вот, среди креационистов-христиан есть такие, которые в буквальном смысле принимают сведения из Бибилии о трех днях творения и о точной дате этого события. Как следствие они отрицают сам факт эволюции. Таких людей еще на удивление много. Другие принимают эту информацию как метафору. (К тому же не все креационисты – христиане, мусульмане или иудаисты, хотя христиан явное большинство.) Среди них часть полагает, что божественным вмешательством было само возникновение жизни на Земле, а как только она была создана, то с ней стала происходить эволюция (хоть и по вполне дарвинистическим законам). Таких людей, хотя они и креационисты, трудно назвать антидарвинистами. Остальные полагают, что божественное вмешательство неисповедимым образом принимало участие и во всей дальнейшей эволюции жизни. Эта позиция ненаучна, ибо она объясняет неизвестное через принципиально непознаваемое и апеллирует к непознаваемому как к активному участнику повседневных процессов. Спорить с ней невозможно и бессмысленно. По поводу первичного возникновения жизни на Земле есть также ученые, считающие, что жизнь попала на землю извне – либо сама по себе в виде каких-то уже вполне клеточных организмов, переживших космическое путешествие на метеоритах (это называется теория панспермии), либо в результате целенаправленной акции разумных инопланетных существ (направленная панспермия). Эти идеи переносят проблему с больной головы на здоровую, так как вопрос о происхождении жизни (в том числе и мифических инопланетян) никуда не девается, он просто переносится с нашей планеты куда-то еще. Приверженцы таких экстравагантных идей также не являются антидарвинистами, но упомянуть их тут вполне к месту. Далее идут естественно-научные разновидности антидарвинизма. Первым упомянем ламаркизм – точка зрения, допускающая наследование приобретенных соматических признаков и / или целесообразное изменение наследственных признаков непосредственно под воздействием условий существования. Нетрудно понять, что современные биологические знания не оставляют места для ламаркизма. Надеемся, это вам уже очевидно. Были попытки усмотреть ламаркизм в некоторых весьма специфических и частных явлениях генетических систем бактерий, но дальнейшее их исследование опровергло такую трактовку. Однако совсем недавно, с 1948 г. по начало 1960-х гг., ламаркизм в карикатурном виде «учения Мичурина» в понимании Т. Д. Лысенко, политической волей правителей Сталина и Хрущева (что поразительно – обоих!) был объявлен единственно верной точкой зрения. Это отбросило нашу страну с передовых рубежей генетики далеко назад. Наконец, среди вполне солидных ученых распространен самый умеренный и аморфный вид антидарвинизма – представление о том, что эволюция происходит не вследствие случайных процессов дрейфа генов и оппортунистических, направленных на сиюминутное выживание в текущих условиях, адаптивных процессах, а движется в определенных направлениях в соответствии с некими специальными программами, сущность и механизм действия которых еще предстоит открыть. В нашей стране такое представление об эволюции принято называть номогенезом. В мировой литературе говорят об автогенетических эволюционных процессах. Свидетельств в пользу их существования, однако, нет и, судя по всему, не предвидится. (Учение о номогенезе в начале XX в. выдвинул отечественный ученый Л. С. Берг и появление такой теории вполне закономерно. Уже первые шаги генетики показали что существует генетическая программа индивидуального развития. Логично педположить что нечто подобное существет и для развития эволюционного. Однако эти ожидания не подтвердились.) В нашей стране после перестройки и в виде реакции на то, что в СССР дарвинизм был идеологической догмой, распространился тип маститого ученого, который много, детально и остроумно критикует дарвинизм (избегая, впрочем, каких бы то ни было расчетов и вообще математики), а об истинных механизмах эволюции говорит возвышенно и туманно. Более всего он будет сопротивляться попыткам разложить его эволюционные взгляды по полочкам, как это пытаемся делать здесь мы, так как для него важнее всего – оригинальность его мышления. Вам также трудно будет понять, религиозен он или нет – он с презрением отнесется ко всем традиционным религиям, равно как и к сегодняшнему кухонному увлечению оккультизмом, и в то же время будет раздражен, если вы сочтете его материалистом – его отношение со сверхъестественным всегда очень интимны и до конца не выяснены. Если вы столкнетесь с таким мыслителем, то вы легко его опознаете. Руководствуйтесь в таких случаях простой истиной: кто ясно мыслит, тот ясно излагает. Здесь нет места для критики всех этих разновидностей антидарвинизма, да и дело это совершенно излишне. Такой критикой можно считать весь изложенный материал, если в него вникнуть, то антидарвинизм будет восприниматься как недоразумение, а дарвинизм – как банальность. Это и будет самое правильное понимание биологии! СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная литература Общая биология: Учеб. для 10-11 кл. общеобраз. учреждений, профильный уровень: В 2 ч. 6-е изд. / П. М. Бородин, Л. В. Высоцкая, Г. М. Дымшиц и др. М.: Просвещение, 2006. Общая биология / Л. В. Высоцкая, Г. М. Дымшиц, Е. М. Низовцев и др.: Науч. мир, 2001. Грин Н., Стаут У., Тэйлор Д. Биология. М.: Мир, 1993. Т. 1-3. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.: Мир, 1988. Медников Б. М. Биология: формы и уровни жизни. М.: Просвещение, 1995. Дополнительная литература Молекулярная биология клетки / Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф, К. Робертс, Дж. Уотсон. М.: Мир, 1994. Т. 1-3. Биология. 6. Основной и дополнительный уровни. Растения, бактерии, грибы, лишайники. Учеб. для 6-х кл. общеобраз. учреждений. 2-е изд. / И. А. Артемов, А. Ю. Королюк, Е. А. Королюк и др. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2002. Бердников В. А. Основные факторы макроэволюции. Новосибирск: Наука, 1990. Бердников В. А. Эволюция и прогресс. Новосбирск: Наука, 1991. Бигон М., Харпер Дж., К. Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества. М.: Мир, 1989. Т. 1-2. Гершензон С. М. Основы современной генетики. Киев: Наук. думка, 1979. Грант В. Эволюционный процесс. М.: Наука, 1991. Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественого отбора или сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь. Пер. с 6-го изд. (Лондон, 1872). СПб.: Наука, 1991. Джиллер П. Структура сообществ и экологическая ниша. М.: Мир, 1988. Докинс Р. Эгоистичный ген. М.: Мир, 1993. Еськов К. Ю. История Земли и жизни на ней. М.: МИРОС – МАИК: Наука: Интерпериодика, 2000. Жизнь растений / Под ред. акад. А. Л. Тахтаджяна. М.: Просвещение, 1974-1982. Т. 1-6. Жизнь животных / Под ред. акад. В. Е. Соколова. М.: Просвещение, 1983-1987. Т. 1-7. Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2003. Клюге Н. Ю. Современная систематика насекомых. СПб.: Лань, 2000 (вводные главы). Ленинджер А. Л. Основы биохимии. М.: Мир, 1985. Т. 1-3. Льюин Б. Гены. М.: Мир, 1987. Любечанский И. И., Березина О. Г., Завьялов Е. Л., Кизилова Е. А. Биология. 7-8. Животные: Учеб. пособие для 7-8-х кл. общеобраз. учреждений. М.: Просвещение, 2000. Лункевич В. В. От Гераклита до Дарвина. М.: Гос. уч.-пед. изд-во Мин-ва просвещения РСФСР, 1960. Т. 1-2. Майр Э. Популяции, виды, эволюция. М.: Мир, 1974. Мусил Я., Новакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах. М.: Мир, 1984. Одум Ю. П. Экология. М.: Мир, 1986. Т. 1-2. Плавильщиков Н. Н. Гомункулус. Очерки из истории биологии. М.: Дет. лит., 1958. Поршнев Б. Ф. О начале человеческой истории (проблемы палеопсихологии). М.: Мысль, 1974. Рауп Д., Стэнли С. Основы палеонтологии М.: Мир, 1974. Рейвн Р., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника. М.: Мир, 1990. Т. 1–2. Рэф Р., Кофмен Т. Эмбрионы, гены и эволюция. М.: Мир, 1986. Солбриг О., Солбриг Д. Популяционная биология и эволюция. М.: Мир, 1986. Сравнительная физиология животных / Под ред. проф. Проссера. М.: Мир, 1977. Т. 1-3. Флиндт Р. Биология в цифрах. М.: Мир, 1992. Фоули Р. Еще один неповторимый вид: экологические аспекты эволюции человека. М.: Мир, 1990. Шмидт-Ниельсен К. Размеры животных: почему они так важны? М.: Мир, 1987. Т. 1-2. Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных: приспособление к среде. М.: Мир, 1982. Хоукинг С. Краткая история времени: от большого взрыва до черных дыр. СПб.: Амфора, 2001. Эйген Н., Винклер Р. Игра жизни. М.: Наука, 1979. Учебное пособие Костерин Олег Энгельсович ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ Курс лекций для психологов
