Аксиомы биологии - Медников Борис Михайлович
Мы уже рассматривали пример с вирусом табачной мозаики, который при подкислении среды распадается на отдельные молекулы белка и РНК. При подщелачивании происходит обратный процесс, именуемый самосборкой. Все вирусы в клетках хозяина возникают в результате самосборки молекул нуклеиновых кислот и белков, и их структуры однозначно определяются последовательностью аминокислот в белках (и, значит, нуклеотидов в ДНК).
И не только вирусы. В результате самосборки возникают все клеточные структуры – рибосомы и клеточные мембраны. А сами клетки? Возьмем для примера простейшее животное; всем известного пресноводного полипа – гидру. Фенотип ее состоит из немногих типов клеток (около десяти). Давно уже ставят эффектные опыты, когда гидр растирают на отдельные клетки и из них в результате процесса, похожего на самосборку, возникает целая гидра. Значит, структура фенотипа гидры однозначно определяется свойствами клеток, его слагающих.
С высшими организмами такой опыт не поставишь: слишком много типов клеток и слишком сложные структуры они образуют.
Рис. 31. Схема получения аллофенных мышей. Из яйцеводов беременных мышей извлекают яйцеклетки начавшие дробиться. Лучше всего опыт удается после трех делений (стадия восьми бластомеров). Для наглядности яйцеклетки берутся у мышей разной масти. Если обработать делящееся яйцо проназой – ферментом, расщепляющим белки, оно распадается на отдельные бластомеры. Отмытые от фермента бластомеры снова слипаются, даже если они от разных пород мышей. «Реассоциированный» зародыш можно пересадить в яйцеводы другой самки мыши. Финал – приемная мать изумленно смотрит на ни на что не похожее потомство (как та Сова из «Винни-Пуха» которая по ошибке снесла гусиное яйцо).
Если растереть высшее животное, скажем кролика, в кашицу, из клеток он заново не восстановится, Но на ранних стадиях развития подобные эксперименты удавались. Вы знаете из школьного курса, что оплодотворенная яйцеклетка млекопитающего уже в яйцеводах начинает дробиться, образуя зародыш. После трех дроблений зародыш соответственно состоит из восьми клеток (бластомеров).
Зародышей мыши на этой стадии извлекали из яйцеводов и обрабатывали раствором проназы. Это фермент, расщепляющий белки. Дробящаяся яйцеклетка распадалась на отдельные бластомеры. Можно смешать бластомеры разных пород мышей, например различающихся по окраске, отмыть от проназы и увидеть, как они будут слипаться друг с другом, вновь образуя зародыш. Такой зародыш можно пересадить другой мыши и дорастить до рождения и взрослого состояния. Мышей, явившихся на свет в подобных опытах, называют аллофенными.
Они – потомки трех, четырех и более родителей (в зависимости от того, сколько зародышей мы смешали). На рис. 31 показано изумление приемной матери при виде своего мозаичного, полосатого потомства.
Постепенно в умах исследователей сформулировалась идея, что в геноме яйцеклетки закодирована лишь информация о первичной структуре белков и очередности и интенсивности их синтеза. Закодирован, короче говоря, не сам фенотип, а серия инструкций по его созданию – самосборке на уровне частей клетки, самосборке на уровне клеток, тканей и органов.
И тут оказалось, что ДНК в ядре… чересчур много. Всего мы ожидали, но только не этого! Проверим полученный ошеломляющий вывод простым расчетом. Молекулы разных белков различаются по величине и молекулярной массе, среди них есть и крошки, состоящие из немногих десятков аминокислот, и настоящие гиганты. Например, молекулярная масса молекулы синего дыхательного пигмента виноградной улитки гемоцианина около девяти миллионов дальтон. Но в расчетах удобнее оперировать средними величинами. «Средний» белок, характерный для всей живой природы, содержит примерно 300—350 аминокислотных остатков. Значит, размер «среднего» гена, кодирующего белок, без учета размера интронов, вставленных в него, около тысячи нуклеотидов.
Отсюда следует, что геном млекопитающих может содержать информацию о структуре миллиона и более белков, а геном плодовой мушки-дрозофилы – не менее ста тысяч белков. У некоторых земноводных с особо большим геномом – десятки миллионов! Эти фантастические величины совершенно не согласуются с данными, полученными другими методами. У той же дрозофилы гигантские хромосомы слюнных желез поперечно исчерчены, как бы поделены на доли – хромомеры. Генетические эксперименты как будто бы показывают, что в каждом хромомере содержится только один ген, кодирующий белок. А число хромомеров подсчитано – их около пяти тысяч. По-видимому, фенотип дрозофилы определяется синтезом лишь пяти тысяч белков. И это хорошо согласуется с данными, полученными методами биохимии. А ДНК в геноме в 20 раз больше.
Сколько белков могут синтезировать клетки млекопитающих, пока еще точно неизвестно. Но предварительные расчеты показывают: примерно 50 тысяч и уж никак не больше 100 тысяч. А ДНК хватает на 3—6 миллионов, опять получается почти стократный избыток. И если раньше исследователи ломали голову над тем, где еще может храниться генетическая информация, помимо ДНК, то теперь встает вопрос: а что же делает «лишняя» ДНК?
Намек на ответ можно найти в следующей аналогии. Мой коллега Владимир Васильевич Меншуткин, крупнейший наш специалист по моделированию биологических процессов, как-то решил смоделировать на быстродействующей ЭВМ процесс эволюции. В машинную память были вложены описания простейших организмов вроде членистого червя или же ланцетника. Подчиняясь простейшим закономерностям, вложенным в программу, они должны были эволюционировать вплоть до существ, уже похожих на предка человека – питекантропа, на худой конец, австралопитека. Но машина не приемлет человеческого многословия и описание вновь полученных форм выдает в виде краткой строчки условных символов с индексами. Ее приходилось расшифровывать, переводить в слова и полученного машиной зверя рисовать самому.
Меншуткин решил и этот последний этап – реконструкцию – возложить на машину: пусть она, например на экране дисплея, сама изобразит то животное, которое создала. Однако это оказалось неожиданно трудным. Когда мы рисуем машинное животное по выданному описанию, то не пририсовываем, например, хвост к голове, а передние ноги помещаем впереди задних, а не наоборот. К информации, выданной машиной, мы неявно прибавляем свою, из собственной головы. Но машина правильного расположения частей тела, увы, не знает. Ее приходится этому учить – закладывать в машинную память инструкцию по расположению и соотношению частей. Неожиданно получилось, что объем информации, заключенный в этих инструкциях, значительно превышает само описание! А ДНК учить некому, она должна воспроизводить сложный фенотип сама, без помощи более сложных информационных систем. Значит, помимо ДНК, потребной для кодирования белков, должна быть регуляторная, которая еще неизвестными нам путями «включает» и «выключает» нужные и ненужные данной клетке гены.
На рис. 25 дана схема становления сложного многоклеточного организма. Оплодотворенная клетка дробится на два бластомера, потом на четыре. На этих стадиях бластомеры идентичны. Недаром, случайно разъединившись, они развиваются самостоятельно и становятся идентичными копиями одного организма – однояйцевыми близнецами. Кстати, идентичными не совсем: Из одной половинки часто развивается правша, из другой – левша.
Рис. 25. Индивидуальное развитие организма (онтогенез) как бы повторяет эволюционный процесс усложнения организации. Яйцеклетка, например, морского ежа дробится на бластомеры, первоначально одинаковые. Потом клетки зародыша изменяются, каждая по-своему, подчиняясь генетической программе. Из избыточной информации одинаковых бластомеров получается новая информация специализированных клеток, а затем тканей и органов. В результате образуется личинка – эхиноплутеус, а из нее – взрослый морской еж. Слева вверху тот же еж, в разрезе по экватору, чтобы было видно его сложное внутреннее строение – жевательный аппарат (Аристотелев фонарь – 1), кишечник (2), части воднососудистой системы (З, 4, 5), половые железы (6).
