Алексей Шилейко - Информация или интуиция?
НА ВЕНЕРЕ И НА ЗЕМЛЕ
Вы сидите дома, уютно устроившись в кресле. Перед вами на экране телевизора панорама планеты Венера — самая настоящая. Автоматическая межпланетная станция, находясь в совершенно фантастических условиях, передает эту панораму на Землю. Если бы кто-нибудь в середине 30-х или даже 40-х годов нашего века нарисовал перед вами подобную картину, добавив при этом, что вы доживете до того дня, когда она станет реальностью, вы в лучшем случае сочли это шуткой. И вот одно из самых дерзких мечтаний человечества осуществилось.Конечно, трудно удержаться и не заметить, что основное назначение автоматических межпланетных станций «Венера», а также станций, исследующих сейчас окрестности Других планет солнечной системы, — это получение и передача на Землю различных видов информации. Более того, работа межпланетных станций вообще возможна постольку, поскольку они получают с Земли различные управляющие сигналы — опять-таки информацию. Но эта глава посвящена биологии, и мы вспомнили здесь о межпланетных станциях лишь потому, что не так давно осуществилось еще одно чудо, по своему значению не уступающее межпланетным перелетам, — человек научился выполнять хирургические операции на хромосомах, освоил так называемую генную инженерию.При окрашивании клеточного ядра на определенных стадиях деления в клетках крови человека, слюнных желез маленькой плодовой мухи дрозофилы, в делящихся клетках растений хорошо видны небольшие продолговатые тельца. Это хромосомы — носители наследственности и изменчивости организма. В хромосомах содержится генетическая информация, определяющая вид, свойства и функции сложнейшего организма. Число, форма и размеры хромосом строго постоянны для данного организма, хотя значительно меняются от вида к виду.У аскариды, например, всего две хромосомы, у папоротников — до 500, а у некоторых морских микроскопических животных — радиолярий — их число достигает 1600! Хромосомы всегда парные. Поэтому в каждой клетке организма содержится по две хромосомы каждого сорта. Так, среди 46 хромосом человека имеется по две хромосомы каждого из 23 сортов. Эти сходные, или, как их называют, гомологичные хромосомы, тождественны во всех отношениях — не только по величине и форме, но и по содержащимся в них наследственным единицам — генам. Одну из гомологичных хромосом ребенок получает от отца, другую — от матери.Образно выражаясь, гены подобны нанизанным на нитку бусам разной величины, формы и цвета. Но это не более чем сравнение. На самом деле гены — это участки хромосомы, обладающие определенной биохимической функцией и определяющие наследование одного или нескольких признаков, будь то цвет глаз или полос или предрасположенность к некоторым заболеваниям,Гены очень малы. Рассмотреть ген можно лишь с помощью электронного микроскопа при увеличении до 100 тысяч раз. Средняя длина одного гена имеет порядок двух микрометров.Так вот, биологи научились заменять одни гены в хромосомах другими. Более того, имеется принципиальная возможность сконструировать по своему желанию из отдельных генов целую хромосому. Это и есть то, что называют сейчас генной инженерией.
ДВОЙНИК ФАРАОНА
Сконструировать хромосому —это значит в дальнейшем создавать организмы с наперед заданными отличительными признаками. Профессор Калифорнийского университета Э. Карлсон считает, что в будущем окажется возможность создавать точные копии некоторых давно умерших людей. Для этого потребуется всего лишь синтезировать точную, копию набора хромосом, которые были во всех клетках людей минувших веков. Оригиналы хромосом можно выделить, к примеру, из мумий египетских фараонов. Правда, сегодня создание искусственного хромосомного набора еще не представляется возможным, но уже сейчас можно считать это вполне допустимой научной реальностью не столь отдаленного будущего.Итак, представим себе это будущее. Все хромосомы фараона нам известны и воссозданы, но не спешите радоваться — это пока еще не Тутанхамон. Следующая задача — создать из хромосом живого человека. Уже сегодня ученые при помощи особо тонких инструментов могут извлекать из клетки и вставлять в нее определенные структуры. Основываясь на таких работах, профессор Э. Карлсон представляет себе дальнейший процесс воскрешения фараона следующим образом. Искусственно синтезированное клеточное ядро, содержащее нужный набор хромосом, вводится вместо настоящего в яйцеклетку. После этого, по мнению Э. Карлсона, развитие должно будет идти нормальным путем: много кратное деление клетки, образование эмбриона и т. д. На свет появится младенец, повторяющий черты Тутанхамона.Если сегодня фантасты могут только мечтать о подобных превращениях, то ученые уже делают первые реальные шаги для осуществления в будущем этой идеи.
КОРОЛЕВА НАУК
Биологию, как в недалеком прошлом физику, можно назвать сегодня королевой наук. Во всем мире к ней проявляется большой интерес, и поэтому по биологи сейчас выходит огромное количество книг, в том числе и популярных. В этой главе мы лишены возможности дать даже самый поверхностный обзор тех проблем, которые считаются сегодня в биологии ведущими. Поэтому мы ограничимся несколькими примерами, возможно, сточки зрения биолога, не самыми важными, но такими, которые позволят нам выявить роль информации в живых организмах и попутно ответить на несколько «почему?».Всякий организм состоит из миллионов и миллионов отдельных клеток. Клетка, в свою очередь, состоит из оболочки, наполненной жидким веществом — цитоплазмой. В цитоплазме плавает ядро, а уже в ядре расположены хромосомы. Чем совершеннее организм, тем более дифференцированы его клетки. Например, мозговые клетки — нейроны — ни по своему строению, ни по функциям почти не напоминают красные кровяные шарики, каждый из которых также представляет собой клетку. Клетки печени, почек и других внутренних органов, слизистых оболочек, кожи — все это различные виды клеток, и все они в большой степени отличаются друг от друга. Но все клетки обладают одним общим свойством — в ядре каждой из них имеется полный набор хромосом. И при этом откуда бы ни была взята клетка, ее хромосомы полностью идентичны хромосомам всех других клеток данного организма.Исключение составляют половые клетки, в каждой из которых имеются лишь половинные наборы хромосом. При оплодотворении два половинных набора хромосом двух клеток сливаются и образуется клетка (яйцеклетка) с полным набором хромосом. Эта клетка начинает делиться, и постепенно из нее образуется новый организм. Именно процесс постепенного построения организма из одной-единственной клетки будет представлять для нас основной интерес, потому что здесь в наиболее полной степени проявляются информационные черты явления.
ИЗ ОДНОЙ КЛЕТКИ
Опишем еще один опыт. Ученые взяли оплодотворенную яйцеклетку мыши и заменили имеющийся там набор хромосом на другой, взятый из ядра клетки кожи другой мыши. Затем яйцеклетку поместили на место в матку первой мыши, где она нормально развивалась. В положенный срок родился мышонок, полностью тождественный той особи, из кожной клетки которой был взят набор хромосом.Таких опытов проводилось большое количество, и не только с мышами. Результаты их на сегодня с полной очевидностью доказывают: набор хромосом каждой клетки данного организма содержит полное, исчерпывающее описание всего организма. С этой точки зрения приведенный нами пример, касающийся возможности реконструкции какого-либо давно умершего лица, по существу, совсем не фантастичен.Итак, набор хромосом, имеющийся в любой клетке, содержит всю информацию, необходимую для того, чтобы можно было воссоздать другой, в точности такой же организм. Это доказано, но имеется другой вопрос, над решением которого биологи бьются давно и пока еще безуспешно.Развитие Организма из яйцеклетки совершается путем последовательных делений (митозов) исходной клетки на две, четыре, восемь, шестнадцать и т. д. новых клеток. Сам процесс деления представляет одну из интереснейших глав – современной биологии, и опять-таки мы не можем здесь уделить ему даже несколько строчек. Вопрос же, который нас интересует, состоит в следующем. Каждая новая клетка, возникшая после деления, имеет ядро, содержащее полный набор хромосом, в точности такой же, как у материнской яйцеклетки. Говоря нашими словами, каждая новая клетка содержит в точности такую же информацию, какую и ее породившие. Почему в таком случае, начиная с определенных стадий деления, получаются различные клетки, как уже отмечалось, весьма непохожие друг на друга?И второй вопрос, тесно связанный с первым: почему каждая новая клетка занимает в образующейся структуре каждый раз одно и то же строго определенное место?
КЛЕТКА-ФОНАРИК
В 1944 году вышла книга А. Гурвича «Теория биологического поля». А. Гурвич — биолог-исследователь с яркой и сложной творческой судьбой. Многолетние поиски физико-химических причин клеточного деления привели его к открытию митогенетического {то есть происходящего в момент деления клетки) излучения. Судьба этого замечательного открытия, сделанного в 1923 году, необычна. В свое время оно принесло автору мировую славу. Исследования в области митогенеза развернулись широким фронтом. Излучение живых систем было использовано как исключительно тонкое орудие анализа молекулярных перестоек в клетке. Но в дальнейшем это направление было забыто, и только в наши дни интерес к нему постепенно повышается.Процесс развития организма из яйцеклетки лучше всего разобрать на каком-либо конкретном примере. Наиболее удобный объект для эмбриологических исследований — морской еж. Его яйцеклетки нетрудно оплодотворить искусственно, и затем под микроскопом можно наблюдать весь ход развития зародыша. Круглая, прозрачная и на вид совершенно однородная яйцеклетка вскоре делится на две, четыре, восемь и более клеток, которые называются бластомерами. Бластомеры располагаются не как попало, а строго определенным образом. Величина разных бластомеров различна. Например, когда образовалось шестнадцать бластомеров, восемь из них, средних по размерам, располагаются в виде венца на верхнем полушарии зародыша. Ниже их располагаются четыре самых больших, а еще ниже — четыре самых маленьких (рисунок на странице 141).Это только первые проявления пространственных закономерностей развития. Позже, когда бластомеров становится больше, они раздвигаются и зародыш превращается в полый шар — бластоцисту. После этого начинаются основные процессы, определяющие специфическую форму зародыша. Продолжая размножаться, различные его клетки начинают смещаться друг относительно друга в различных направлениях.Почему же различные клетки двигаются в разных направлениях? Откуда клетка знает, куда и с какой скоростью ей смещаться? Как различные клетки согласовывают направление и относительную скорость своих движений? Все те же вопросы, которые возникают у нас и применительно к термодинамическим системам, и применительно к электронам в атоме, и, наконец, вот сейчас применительно к живой клетке.Чтобы ответить на эти вопросы, прежде всего надо, выяснить, вложена ли программа движения данной клетки или группы клеток внутрь ее или же программа определяется извне. Ответ можно получить экспериментальным путем, исходя из следующих простых соображений. Если вся программа поведения заключена внутри клетки, то последняя должна вести себя одинаковым образом вне зависимости от места в зародыше и вне зависимости от окружающих частей зародыша. Если же при изменении положения данной клетки в зародыше изменится и путь ее развития, значит, клетка управляется извне.На одной из самых ранних стадий развития зародыш состоит из двух совершенно одинаковых бластомеров (см. наш рисунок). При нормальном развитии из одного бластомера развивается точно половина зародыша. Что можно ожидать, если оба бластомера разъединить и заставить их развиваться изолированно? Получим ли мы из каждого половинку зародыша? Таков должен быть результат, если считать, что вся программа будущего поведения каждого бластомера заложена внутри его.Подобный опыт был поставлен впервые еще в 1892 году немецким эмбриологом Г. Дришем. Оказалось, что из разделенных бластомеров развиваются нормальные личинки, но вдвое меньших размеров.А. Гурвич начал с того, на чем остановился Г. Дриш. Он четко ограничил факторы, не связанные с управлением (стартовые) и непосредственно управляющие. Затем внимательно исследовал именно последние, использовав при этом ряд математических приемов. В результате пришел к следующей гипотезе: клеточные ядра являются источниками каких-то выходящих за их пределы направленных (векторных) факторов, которые регулируют движение всех находящихся поблизости клеток. Эти векторные факторы создают в пространстве вокруг клеточного ядра некоторое векторное поле. Если несколько клеточных ядер оказывается в тесном соседстве (как это обычно и бывает в зародыше), то их поля складываются по обычным правилам векторного сложения.С этой точки зрения формообразовательное воздействие «целого» на данную клетку зародыша рассматривается как действие на эту клетку суммарного вектора от всех расположенных не слишком далеко клеточных ядер. По мере удаления клеток их взаимодействие быстро ослабляется, поскольку интенсивность действия поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
