Владимир Фурсов

ТРИ ТАЙНЫ ЖИЗНИ

Введение

Биология, несмотря на огромные успехи, которые были ею достигнуты за весь период формирования, оставалась вплоть до второй половины XIX столетия на метафизических и идеалистических позициях. Основной причиной этого было то, что ученые и философы подходили к изучению живой природы как к отдельным разрозненным явлениям. Известный философ эпохи Возрождения Ф. Бэкон назвал биологию «Историей отдельных индивидов». Изучением «отдельных индивидов» занимались биологи, философы и более позднего периода, такие, как К. Линней, Ж. Б. Ламарк, Ж. Кювье, О. Кент, Г. Спенсер и др.

Такой подход приводил исследователей к представлению о постоянстве и неизменяемости живых организмов, о сотворении всего живого богом.

Из всех биологов прошлого только французский естествоиспытатель Ламарк пытался опровергнуть устоявшиеся взгляды и противопоставить им идею исторического развития организмов. Однако и он не смог полностью освободиться от господствующего мировоззрения. Не имея достаточно научных данных для доказательства естественного развития жизни на Земле, он вынужден был признавать бога в качестве первопричины и создателя всего сущего.

Поставить биологию на диалектико-материалистические основы удалось только Ч. Дарвину, который подошел к изучению живой природы как к совокупности тесно связанных между собой организмов. Его успеху содействовали предшествовавшие открытия, доказавшие единство строения живых организмов на клеточном уровне.

Изучение клетки на микроскопическом и особенно на молекулярном уровне уже в наше время позволило совершить величайшие открытия в области познания сущности жизни у самых истоков ее зарождения и развития. О трех величайших достижениях биологической науки, подвинувших нас вплотную к разгадке тайны жизни, и пойдет речь в данной брошюре.

Создатель эволюционной теории

Издавна внимание человека приковывали два бросающихся в глаза факта живой природы: это огромное разнообразие форм животных и растений и их приспособленность к условиям среды, в которой они обитают. Все мы знаем, что птицы прекрасно приспособлены к полету, а рыбы — к жизни в воде. Поистине поразительные обнаруживаются явления, когда мы начнем изучать различные способы опыления цветков с помощью насекомых или жизнь самих насекомых в различных условиях. Даже в расположении листьев на деревьях при внимательном наблюдении можно установить особую закономерность: листья расположены так, что всей своей поверхностью улавливают солнечные лучи и вместе с тем почти не затеняют друг друга.

Многообразие живых организмов и их гармоничное приспособление к условиям обитания религия с давних времен выдавала как доказательства существования «промысла божьего» и наличия в природе «мирового разума».

Один из «отцов церкви» — Блаженный Августин (354–430 гг.) — очень красноречиво воспевал гармонию в природе как неопровержимое доказательство промысла божьего. Он писал: «Бог установил соответствие частей и гармонию их не только на небе и на земле, не только в ангеле и человеке, но и во внутренней организации мельчайшего и презренного живого, в перышке птицы, цветении злака, в листьях дерева».

Телеологическое мировоззрение, опиравшееся на факты многообразия и «целесообразности» в природе, оказалось очень живучим среди ученых и философов.

Выразителем идей креационизма и телеологии в биологии был крупнейший французский палеонтолог и сравнительный анатом Ж. Кювье (1769–1832 гг.). Он имел огромное влияние на развитие научных и политических идей в первой половине XIX столетия и был ярым защитником господствующего класса — крупной буржуазии. Кювье обнаружил взаимосвязь (корреляцию) органов в животном организме. Эта корреляция, или «конструкция», органов в организме, по его мнению, заранее была продумана творцом. Кювье считал, что «творец всех существ в создании их мог руководствоваться только одним законом — необходимостью дать каждому из своих творений, которое должно продолжать жизнь, средства для поддержания существования». Установленный научный объективный принцип корреляции Кювье абсолютизировал, исходя из телеологического принципа конечных причин.

Последователи Ж. Кювье пошли еще дальше своего учителя. Так, французский палеонтолог XIX столетия д’Орбиньи говорит: «Ничто не может открыть нам тайну, которая связана с последовательными творческими актами эпох органического мира от первой до последней. Действительно, мы видим, что во всех пунктах земного шара сразу, одновременно появляется множество существ, принадлежащих всем основным типам животных… Как образовалось это множество существ, которые впервые появляются на поверхности земного шара? Что за творческая сила, имевшая столь необыкновенное могущество? Здесь мы должны признаться, что мы лишены всякой возможности ответить на какие-либо из этих великих вопросов. Существуют границы, которые не может преодолеть человеческий разум, — обстоятельства, при которых человек должен ограничиться признанием фактов, не будучи в состоянии объяснить их».

Не умея объяснить очевидного факта многообразия живых форм и их изменчивости во времени, д’Орбиньи утверждает, что земля претерпела двадцать семь катастроф, уничтожавших все живое, а за ними последовало столько же божественных актов творения. «Таков факт, — пишет д’Орбиньи, — факт несомненный, но непостижимый, который мы лишь устанавливаем, не пытаясь проникнуть в сверхчеловеческую тайну, его окружающую»[1].

Однако д’Орбиньи жестоко ошибся в своих пророчествах. Тайна природы была разгадана, вместе с тем была доказана несостоятельность «теории катастроф». Это было сделано великим натуралистом Ч. Дарвиным.

Ч. Дарвин.

Дарвин с юных лет полюбил природу. В университете он слушал лекции крупных ученых того времени. Он много путешествовал по Англии и Шотландии, коллекционировал животных и растения, много читал о путешествиях в другие страны. Все это способствовало подготовке Дарвина как естествоиспытателя.

По окончании богословского факультета Кембриджского университета в 1831 году Дарвин был зачислен натуралистом на военно-гидрографическое судно «Бигль», отправлявшееся в кругосветное плавание. Это обстоятельство решительно изменило его жизнь: богослов по образованию, он стал естествоиспытателем, труды которого полностью опровергли библейский миф о сотворении мира. Путешествие на «Бигле» было подлинной школой для Дарвина. Во время многочисленных стоянок корабля у берегов Южной Америки, Австралии и многих островов Тихого океана Дарвин производил геологические, ботанические и зоологические наблюдения, палеонтологические раскопки, собирал различных представителей животного и растительного мира.

Уже во время путешествия у Дарвина зародилось сомнение в том, что мир животных и растений неизменен. Дарвин столкнулся со многими фактами, которые противоречили существовавшим религиозно-метафизическим представлениям о природе.

Бесспорный фактический материал, доказывающий развитие и изменчивость животных и растений, Дарвин получил при раскопках. Некоторые ископаемые животные из древних млекопитающих, ныне уже не существующие, обнаруживали целый ряд общих признаков с некоторыми живущими отрядами животных. Дарвина поразило сходство вымерших неполнозубых Южной Америки с современными ленивцами, муравьедами и броненосцами, встречающимися в той же местности. На основании тщательного сравнения вымерших форм с современными у Дарвина возникла мысль о их родственной связи.

С наиболее яркими географическими и палеонтологическими доказательствами эволюции животных и растений Дарвин столкнулся на Галапагосских островах. Острова эти расположены в экваториальной части Тихого океана, в семистах километрах от западного побережья Южной Америки. Они возникли вследствие поднятия морского дна. Животный мир их сравнительно беден. Из птиц имеются мухоловки, вьюрки, дрозды-пересмешники, совы; из пресмыкающихся — морские ящерицы и очень крупные, достигающие ста килограммов, так называемые слоновые черепахи. Млекопитающих на этих островах нет. Дарвина поразили две особенности этих животных: с одной стороны, все они похожи на соответствующих животных южно-американского континента и как бы несут на себе «печать американского происхождения» (Дарвин), а с другой — это особые, галапагосские, формы, которые нигде в другом месте земного шара не встречаются. Животные Галапагосских островов являются как бы вариантами американских видов. По этому поводу Дарвин замечает: «Можно действительно представить себе, что был взят один вид и модифицирован в разных концах архипелага».

Возвратившись из кругосветного путешествия, Дарвин продолжал искать подтверждения сделанным наблюдениям, накапливал материал, собирал и обрабатывал многочисленные факты, на что ему потребовалось более двадцати лет. Первую запись об изменчивости видов мы находим в записной книжке Дарвина за 1837 год и только через двадцать два года была обнародована теория эволюции.

14 ноября 1859 года вышел в свет труд Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствующих пород в борьбе за жизнь», открывший новую эру в развитии биологии и естествознания вообще. Книга эта вскоре была переведена на многие иностранные языки.

Вокруг теории Дарвина разгорелась ожесточенная борьба. Духовенство, религиозно настроенные ученые (а их тогда было большинство) пытались опровергнуть, опорочить это учение, а его автора объявили безнравственным человеком. Дарвин продолжал самоотверженно работать. Все последующие его труды были всесторонним развитием идеи эволюции живой природы.

Учение об отборе

Изменчивость животных и растений, которую Дарвин подметил во время путешествия, произвела на него, как он сам говорит, сильное впечатление. Вернувшись в Англию, Дарвин стал собирать факты, имевшие отношение к явлениям изменчивости животных и растений как в прирученном, так и в естественном состоянии.

Ученый обратился к практике сельского хозяйства, откуда почерпнул громадный фактический материал. К тому времени было известно много пород голубей, кур, собак, крупного и мелкого рогатого скота, большое число сортов культурных растений.

До Дарвина ученые думали, что современные породы домашних животных и культурные сорта растений человек просто выделил, выбрал в готовом виде из дикой природы, сообразуясь со своими хозяйственными потребностями. Дарвин доказал, что в действительности все современные породы домашних животных и культурные сорта растений не выделены, а созданы человеком. По этому поводу он писал следующее: «Мы не можем допустить, чтобы все породы возникли внезапно такими совершенными и полезными, какими мы видим их теперь; к тому же во многих случаях мы знаем достоверно, что не такова была их история. Ключ к объяснению заключается во власти человека накапливать изменения путем отбора: природа доставляет последовательные изменения; человек слагает их в известных, полезных ему направлениях. В этом смысле можно сказать, что он сам создал полезные для него породы»[2].

Все наши домашние животные и важнейшие культурные растения человечество приручило и разводило еще в глубокой древности. Дарвин собрал неопровержимые доказательства того, как человек с помощью отбора создавал, постепенно улучшал существующие породы животных и сорта культурных растений. Исследованиями швейцарских свайных построек было установлено, что уже в новый каменный и бронзовый века первобытные люди разводили пшеницу, ячмень, овес, горох, бобы, чечевицу и другие культурные растения. Однако зерна и семена этих растений были намного мельче, чем у наших сортов. По описанию древнеримского ученого Плиния (23–79 гг.) груши были явно хуже современных. Французский ученый Ж. Бюффон сравнивал во второй половине XVIII в. цветы, плоды и овощи с рисунками, сделанными на полтораста лет раньше, и обнаружил неоспоримое улучшение всех сортов. Породы овец, крупного рогатого скота и лошадей, существовавшие в бронзовый век, были гораздо мельче. Многие домашние животные и культурные растения в ряде случаев изменились настолько, что в настоящее время невозможно установить их предков, а иные из них уже не могут существовать без помощи человека.

С глубокой древности человечество применяет скрещивание животных и гибридизацию растений и таким путем создает новые породы животных и сорта растений. Так, уже во времена Дарвина существовало около ста пятидесяти пород голубей. Несмотря на значительное их различие в оперении, форме тела, головы, клюва и других признаках, все они произошли, как доказал Дарвин, от одного предка — дикого скалистого голубя.

Все породы домашних кур происходят от дикой так называемой банкивской курицы. Потомки дикой курицы жили в лесах Индии, Индокитая, на Филиппинах и островах Малайского архипелага. Банкивские куры по окраске оперения и голосам напоминают «беспородных» домашних кур. Они легко приручаются и дают многочисленное потомство при скрещивании с домашними породами. Дарвин обнаружил, что если скрещивать чистопородных черных кур с белыми, то у потомков иногда проявляется золотисто-красная окраска, характерная для диких банкивских кур. Банкивские куры впервые приручены туземцами Малайского архипелага; отсюда в одомашненном состоянии они попали в Индию (за 2000 лет до н. э.), а позднее в Китай (за 1400 лет до н. э.). В Европе домашние куры известны с V–VI столетия до н. э. В XVI в. здесь существовало уже семь-восемь пород домашних кур. В последующие столетия количество пород увеличилось.

Европейский рогатый скот произошел от двух видов дикого тура: крупной степной формы и мелкой лесной.

Бык тур — один из предков крупного рогатого скота. Вымер в XVII в.

Домашние свиньи произошли от европейского дикого кабана.

Дикая европейская свинья.

Есть основания считать, что овцы произошли от скрещиваний европейского муфлона, аргали и архара.

Муфлон.

Домашние собаки ведут свое начало от нескольких близких видов волка и шакала.

Человечество за века получило от гибридизации множество ценных практических результатов. Но отсутствие научных знаний о возможностях применения этого метода послужило причиной для возникновения невероятных вымыслов на сей счет, иные из которых встречались даже в серьезных научных трудах по зоологии и ботанике вплоть до XVII столетия. Для иллюстрации приведем несколько примеров. Считалось, что жирафа ни одно божество создать не могло, а произошел он будто от скрещивания верблюда с леопардом. Родителями страуса всерьез считали верблюда и ласточку. Предполагалось, что собаки могут скрещиваться с волками, лисами, тиграми, львами и козами, в последнем случае якобы получается кабан. О скрещивании собак с тиграми пишет древнегреческий философ Аристотель. Древнеримский ученый и философ Плиний писал о скрещивании гадюки с рыбой угрем.

Более того, люди верили в возможность гибридизации человека с животными. Античная мифология сохранила множество подобных выдумок. Так, жена Миноса будто родила от быка Минотавра. Плиний описывает рождение женщинами гиноцентавра, слона и змеи. Широко распространены были легенды о богатырях, рожденных женщинами от медведей.

Конечно, каждому современному человеку ясно, что подобные скрещивания и тем более получение потомства от них совершенно невозможны.

Дарвин тщательно изучил многовековую практику приручения и создания человечеством домашних пород животных и культурных растений. В результате он пришел к выводу, что основным фактором, с помощью которого были выведены многочисленные породы и сорта, является искусственный отбор, проводимый человеком.

Но Дарвина прежде всего интересовала проблема многообразия и вместе с тем едва уловимого общего сходства родственных видов диких животных. Что касается пород домашних животных, то здесь была ясна ведущая роль человека в их создании. Так как запросы жизни и вкусы людей бывают различными, то и создаются породы, отвечающие этим запросам и вкусам.

Какие же силы, действующие в природе, могут разнообразить животных и растения и одновременно как бы формировать их в соответствии с теми условиями, в которых они живут? Эти вопросы в течение ряда лет не давали покоя Дарвину.

Еще во время кругосветного плавания Дарвин сделал важнейшее открытие — индивидуальную изменчивость живых существ. В природе практически почти невозможно найти два близкородственных организма, которые были бы схожи между собой по всем признакам. Каждый организм отличается от своего собрата по целому ряду иногда едва уловимых признаков. Второе обстоятельство: конкретные внешние условия словно подбирают наиболее подходящие для них формы живых существ.

Убедившись в объективности этих фактов, Дарвин стал изучать литературу и проводить собственные опыты. Англичанин Уелдон в течение ряда лет изучал крабов в гавани Плимута, где был построен новый мол. Мол ухудшил циркуляцию воды в бухте, вода стала мутной от меловой взвеси, вносимой двумя речками. Через некоторое время исследователь установил, что преимущественное выживание отмечается у тех особей, которые имеют более узкий головогрудный щит: он лучше защищает жабры от проникновения в них частичек мела. Особи же с широким головогрудным щитом гибли вследствие засорения жабер меловой взвесью.

Другой исследователь привязывал зеленых и бурых богомолов ниточками к растениям различной окраски. Через семнадцать дней все особи, находившиеся на подходящей по окраске растительности, оказались в сохранности. Двадцать три зеленые особи, привязанные к бурым частям растений, были уже через одиннадцать дней уничтожены птицами. Большинство бурых богомолов, прикрепленных к зеленым частям растений, были также съедены.

На основании сопоставления большого количества наблюдений и опытов Дарвин пришел к выводу, что отбор происходит и в природе. По аналогии с искусственным отбором, проводимым человеком, Дарвин назвал его естественным. Естественный отбор подхватывает самые малые и порой незаметные для человека изменения. Природа «отбирает» уклонения только полезные для самих организмов, направленные на лучшее приспособление их к условиям жизни. В результате выживают и дают потомство только те особи, которые оказались наиболее удачно изменившимися, вымирают те, которые не изменились или изменились, но «нецелесообразно».

Так создается многообразие организмов соответственно тем условиям, в которых они обитают. Кроме того, естественный отбор является и основой совершенствования живых существ в процессе их развития. Вот пример. В конце мезозойской эры началось вымирание гигантских форм пресмыкающихся. Этому способствовало два важнейших обстоятельства: изменение климатических условий в новую (кайнозойскую) эру и появление млекопитающих — более высокоорганизованного класса животных. Млекопитающие имеют ряд преимуществ перед пресмыкающимися. Сердце у них не трех-, а четырехкамерное, что делает более совершенным процесс дыхания. Температура тела постоянная, детенышей они вскармливают молоком. Последние два обстоятельства, а также самый высокий уровень развития нервной системы дают им возможность расселяться и жить в любых климатических условиях.

Открытием естественного отбора Дарвин дал материалистическое объяснение явлению «целесообразности», или приспособленности, животных и растений к тем условиям среды, в которой они обитают. Посещая Кергеленские и другие океанические острова, Дарвин обратил внимание на отсутствие или, наоборот, очень сильное развитие крыльев у островных форм насекомых. И он объяснил, почему это происходит. Острова, расположенные в открытом море, постоянно обдуваются сильным ветром. Все насекомые, не способные противостоять внезапным и сильным порывам ветра, неизменно уносятся в море и гибнут. Сохраняются или очень хорошие летуны, способные укрыться от ветра, или те, которые не могут подняться выше травы и кустов. И то обстоятельство, что на острове Мадейра из пятисот пятидесяти видов жуков двести не способны к полету, является прямым результатом естественного отбора.

Приспособления в природе, как доказал Дарвин, бывают только относительными. Любой организм нигде не может быть идеально, абсолютно приспособлен к условиям его обитания, как это представляли себе Кювье и все те ученые и философы, которые считали бога причиной целесообразности в природе. У каждого организма есть масса далеко не совершенных признаков и свойств. Так, покровительственная окраска богомолов спасает их не от всех птиц: вороны прекрасно различают и вылавливают богомолов на любом фоне. Панцирь черепахи кажется прекрасным защитным приспособлением от всех врагов. Однако степные орлы поднимают черепах высоко в воздух, бросают на скалы и, расколов панцирь, съедают мясо. Верблюжью колючку, которую нельзя сорвать, не поранив рук, с удовольствием едят верблюды и не чувствуют при этом никаких неудобств.

А природа век за веком неуклонно ведет свою работу, в результате которой даже такие высокоорганизованные животные, как млекопитающие, подвержены вымиранию в борьбе за существование. По подсчетам специалистов только за кайнозойскую эру вымерло более ста видов крупных млекопитающих. Исчезли с лица земли мамонты, пещерные медведи, саблезубые тигры, шерстистые носороги, которые в период последнего оледенения в большом количестве имелись в Европе, Гренландии и Северной Америке. На грани вымирания находятся сейчас сумчатые млекопитающие (кенгуру, сумчатый волк и др.), которые сохранились только в Австралии.

Открыв закон естественного и искусственного отбора, Дарвин доказал с материалистических позиций причины многообразия живых организмов, их относительное приспособление к условиям существования и постепенное совершенствование организации животных и растений в геологические эры и периоды. Вместе с тем Ч. Дарвин одним из первых исследователей пришел к выводу о единстве происхождения живых организмов. Вначале эту закономерность он установил на домашних животных и культурных растениях. Опираясь на данные палеонтологии, сравнительной анатомии, эмбриологии и других наук, Ч. Дарвин сформулировал в общих чертах закон единства происхождения всех животных. Впоследствии на основе достижений этих наук и положений Дарвина немецкий ученый Э. Геккель (1834–1919 гг.) построил родословное древо животного мира, показывающее родственные отношения между различными систематическими группами животных.

Классики марксизма-ленинизма высоко оценили научный подвиг Дарвина.

К. Маркс и Ф. Энгельс отмечали, что Дарвин нанес сильнейший удар метафизическому взгляду на природу, доказав, что весь современный органический мир, растения и животные, а следовательно также и человек, есть продукт процесса развития, длившегося миллионы лет.

В. И. Ленин писал: «Дарвин положил конец воззрению на виды животных и растений, как на ничем не связанные, случайные, „богом созданные“ и неизменные, и впервые поставил биологию на вполне научную почву, установив изменяемость видов и преемственность между ними»[3].

Клетка — элементарная основа организмов

Созданию эволюционной теории Ч. Дарвина предшествовало важное открытие: было установлено клеточное строение организмов. Это открытие явилось одним из первых весьма убедительных доказательств единства органической природы. Оказалось, что, несмотря на различия между растениями и животными, их объединяет сходство структурных элементов — клеток. «Это открытие не только убедило нас, — писал Энгельс, — что развитие и рост всех высших организмов совершаются по одному общему закону, но, показав способность клеток к изменению, оно обозначило также путь, ведущий к видовым изменениям организмов, изменениям, вследствие которых организмы могут совершать процесс развития, представляющий собой нечто большее, чем развитие только индивидуальное»[4].

Воспроизведем коротко историю этого достижения биологической науки.

Клетка — структура очень мелкая, и невооруженным глазом ее не увидишь. Поэтому развитие науки о клетке было тесно связано с изобретением увеличительных приборов. Первые самые примитивные микроскопы были сконструированы в XVII столетии. Наиболее известным микроскопистом является английский физик Роберт Гук (1635–1703 гг.). Он изготовил совершенный для того времени микроскоп и демонстрировал с 1662 года различные объекты: узоры замерзшей воды и мочи, мох, плесень на коре, поры в пробке, бузину, конский щавель, камыш и др. Микроскоп Гука в основном был деревянный, освещение поля зрения производилось с помощью свечи, а увеличивал он немногим более чем в сто раз.

С 70-х годов этого же столетия стал изготовлять микроскопы и с помощью их производить исследования голландец Антони ван Левенгук (1632–1723 гг.). Он достиг увеличения объектов до трехсот раз. С помощью своего прибора Левенгук впервые увидел в капле воды простейшие одноклеточные организмы — инфузории, открыл в крови красные кровяные тельца, обнаружил мужские половые клетки и многое другое.

В конце XVIII столетия большой вклад в развитие микроскопии внесли русские ученые. В России впервые были изготовлены микроскопы с наиболее усовершенствованными оптическими свойствами.

М. В. Ломоносов использовал микроскоп при изучении тонкого строения минералов.

Роберт Гук, рассматривая через микроскоп растения, обнаружил в их тканях ячеистое строение, напоминающее пчелиные соты. Он назвал эти ячейки греческим словом «целлюля», то есть клетка. Правда, Р. Гук видел только оболочки мертвых клеток. Содержимое клеток было обнаружено значительно позже — впервые в 1839 году — чешским ученым Яном Пуркинье и было названо протоплазмой, то есть первичной плазмой. В 1831 году английский ученый Роберт Броун установил наличие в клетках ядер.

В начале XIX столетия начались широкие микроскопические исследования различных животных и растительных организмов. Эти исследования дали возможность двум немецким ученым Шлейдену и Шванну создать клеточную теорию. Она была сформулирована в 1839 году в работе Шванна «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Как об этом говорит само название работы, было доказано сходство в микроскопическом строении животных и растений.

Впоследствии был открыт и изучен огромный по своему разнообразию мир одноклеточных организмов. В настоящее время достоверно доказано, что общее микроскопическое строение имеют не только многоклеточные животные и растения, но и одноклеточные организмы.

Установлено также, что сходство всех живых существ заключается именно в химическом составе протоплазмы клеток. Таким образом, клетки являются той элементарной основой любого организма, в которой совершаются все жизненные отправления. Но прежде чем удалось доказать микроскопическое единство всех существующих на земле организмов, потребовался более чем вековой упорный труд многих ученых мира.

Изучить строение протоплазмы оказалось еще труднее: она прозрачна и в обычном свете ее почти не видно. Но это препятствие было устранено. Ученые стали окрашивать протоплазму клеток.

Однако в клеточной организации имеются такие мелкие структуры, которые невозможно различить под обычным световым микроскопом. В последние десятилетия нашего столетия был изобретен электронный микроскоп, дающий увеличение объектов в двести-триста тысяч раз. Стало возможным наблюдать даже отдельные крупные молекулы и их агрегаты.

С помощью современных методов научных исследований, новейших достижений физики, химии и техники получено очень много важных сведений не только о строении, но также и о функции клетки. Клетка представляет собой своего рода современный «химический завод».

Схема строения клетки: 1 — цитоплазма; 2 — аппарат Гольджи; 3 — центросома; 4 — ядро; 5 — ядрышки; 6 — ядерная оболочка; 7 — эндоплазматическая сеть с сидящими на ней рибосомами; 8 — хондриосомы; 10 — хлоропласты; 11 — вакуоль.

Даже в самой просто устроенной бактериальной клетке совершается до двух тысяч различных химических реакций. Все они строго согласованы между собой, продукты одних сразу же используются как «сырье» или же катализаторы для других, в результате чего при обычных условиях (температуре, давлении и т. п.) в течение весьма малого времени в клетке создаются (синтезируются) сложнейшие органические вещества, специфические для данной клетки.

Все клетки животных, растений и микроорганизмов, хотя и отличаются по размерам, функциям и внешнему строению, имеют общую структурную и физико-химическую основу. Каждая клетка имеет протоплазму, которая состоит из ядерного содержимого — кариоплазмы и собственно содержимого клетки — цитоплазмы.

Живое вещество клетки — протоплазма обладает удивительными свойствами. Все тела и вещества в природе обычно бывают в каком-либо одном физическом состоянии — твердом, жидком или газообразном. Протоплазма же одновременно обладает как свойствами жидкого, так и твердого тела. Она находится в постоянном движении, изменяет свою форму согласно форме клеток, но способна вытягиваться в нитевидные образования и обладает высокой эластичностью. В состав протоплазмы входят все сложнейшие органические вещества — белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Кроме того, в настоящее время установлено, что клетка является самой богатой в природе кладовой по содержанию минеральных элементов. В ней обнаружено около шестидесяти из ста четырех известных на нашей планете элементов.

Минеральные элементы, как и органические вещества протоплазмы, участвуют в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Например, ионы железа, меди и других металлов принимают активное участие в процессе дыхания. Без железа гемоглобин крови человека и высших животных не способен осуществлять свою важнейшую функцию — перенос кислорода в организме. При отсутствии магния зеленый пигмент растений — хлорофилл — не в состоянии осуществлять синтез органических веществ в листьях. Ионы кальция и магния принимают активное участие в жизнедеятельности ядер клеток. Кальций является также необходимым составным веществом костей скелета животных и человека, а фосфор — непременный элемент протоплазмы нервных и других клеток и т. п.

Но процессы органического и минерального обмена не могли бы осуществляться без воды, которая составляет большой удельный вес (75–80 %) в протоплазме клеток.

В клетках содержатся весьма мелкие структуры, называемые органоидами. Они являются живыми частями клетки, имеют специфическое строение, химический состав и выполняют весьма сложные физиологические функции. Органоиды связаны с основными проявлениями жизнедеятельности клетки и организма в целом. В настоящее время обнаружены и изучены в какой-то степени следующие органоиды в животных, растительных и бактериальных клетках: хондриосомы, рибосомы, внутриклеточный аппарат, центросомы, пластиды, эндоплазматическая сеть и вакуоли.

Хондриосомы (их называют еще митохондриями) содержатся во всех клетках живых организмов. Размеры их сильно варьируют от очень мелких, лежащих на границе видимости светового (обычного) микроскопа, до более массивных, похожих на зерна, палочки или нити образований.

По биохимическим данным, хондриосомы состоят из белков, жиров, нуклеиновых кислот, содержат витамины А, С и большое количество ферментов, ускоряющих различные процессы обмена веществ в клетке.

Хондриосомы участвуют в окислительно-восстановительных процессах обмена веществ, являются своеобразными «силовыми станциями» клетки. В них происходит окисление углеводов, а выделившаяся при этом энергия идет на образование энергетических комплексов, состоящих из сложного вещества — аденозинтрифосфорных кислот (АТФ). Это очень неустойчивое соединение, и самопроизвольно или под воздействием ферментов в АТФ происходит разрыв связей между элементами (фосфором и кислородом). Освобождающаяся при расщеплении молекул АТФ энергия используется в различных функциях клетки — при мышечной работе, секреторной деятельности, при синтезе сложных веществ — углеводов, жиров, белков и др.

Рибосомы — очень мелкие зернышки, содержащиеся в цитоплазме, хорошо заметны при больших увеличениях микроскопа. В состав рибосом входят жиры, нуклеиновые кислоты и белки. Из минеральных элементов в рибосомах обнаружены азот, фосфор, железо и медь. Установлено, что в рибосомах осуществляется синтез белков.

Внутриклеточный аппарат, или комплекс Гольджи (назван так в честь итальянского ученого, описавшего этот органоид), обнаружен также в клетках всех животных и растений. Он имеет вид сетей, состоящих из системы переплетающихся между собой нитей, палочек или пузырьков, которые становятся видимыми на препаратах, окрашенных специальными методами с применением солей серебра. Внутриклеточный аппарат располагается обычно около ядра или вокруг него. Аппарат Гольджи на своей поверхности накапливает как продукты обмена данной клетки, так и вещества, поступающие в клетку извне. Таким образом, этот органоид защищает клетку и организм в целом от вредного действия ненужных веществ.

Наряду с большим сходством животных и растительных клеток между ними имеются и существенные отличия, которые можно наблюдать в обычный световой микроскоп. Клетки животных, как правило, имеют очень тонкую, трудно обнаруживаемую нежную белковолипоидную[5] оболочку, благодаря чему их форма легко изменяется. Протоплазма растительных клеток окружена выделяемой ею плотной, упругой оболочкой из целлюлозы (клетчатки), которая придает им более постоянную форму. В клетках животных обнаруживаются рядом с покоящимся ядром особые тельца — центриоли. Они самым непосредственным образом связаны с делением клеток. В клетках, по крайней мере высших растений, центриоли пока что еще не обнаружены, однако процесс деления, как мы узнаем ниже, осуществляется в принципе одинаково у животных и растений.

Рассмотрим органоиды растительных клеток. Важная роль в клетке принадлежит пластидам. В зависимости от выполняемой функции и окраски они делятся на две группы: окрашенные пластиды — хлоропласты и хромопласты, неокрашенные пластиды — лейкопласты и амилопласты. Хлоропласты состоят, как и другие органоиды, из белков и жиров; в состав их входят зеленые гранулы, содержащие пигмент хлорофилл, который придает зеленую окраску листьям и всем зеленым частям растений. Обычно хлоропласты у высших растений распределены равномерно по всей цитоплазме клеток. При ярком свете полуденного солнца они располагаются в слое цитоплазмы, прилегающем к стенкам, перпендикулярным направлению световых лучей. В сумерках хлоропласты рассеиваются по всему телу клетки или же прилегают к стенкам клеток листа.

Биологическая роль хлоропластов огромна. В них происходит синтез органических веществ, прежде всего углеводов, из минеральных солей и воды с участием световой энергии. Этот процесс получил название фотосинтеза.

Если бы все живые существа на земле существовали только за счет имеющихся запасов органических веществ и заключенной в них энергии, то за миллионы лет своего существования они уничтожили бы эти запасы и жизнь на нашей планете исчезла бы. Но жизнь на Земле не только не угасает, а, наоборот, умножается и прогрессирует. Это происходит потому, что беспрерывно образуются органические вещества за счет фотосинтеза.

Вакуоли представляют собой капельки жидкости, которые отчетливо начинают проявляться в цитоплазме в процессе развития и старения клеток растений. В старых клетках мелкие вакуоли сливаются в одну крупную, которая оттесняет цитоплазму с ядром к одной из стенок. В вакуолях концентрируются в растворимом состоянии минеральные соли, сахаристые вещества, а также различные органические кислоты, таннины, пигменты и другие вещества, являющиеся продуктами жизнедеятельности клетки. Пигменты вакуолей придают красную, фиолетовую, синюю окраску лепесткам цветка и некоторым другим частям растения (корнеплодам у свеклы, плодам у баклажана, листьям осенью).

В любой растительной клетке содержится целая вакуолярная система, состоящая из соединенных между собой пузырьков и канальцев.

В животных клетках в настоящее время обнаружен мельчайший органоид, который был назван эндоплазматической сетью (ЭС). По своему строению он несколько напоминает вакуолярную систему растительных клеток. Эндоплазматическая сеть состоит из мембранных полостей, размер и форма которых сильно варьируют, что, вероятно, связано с физиологическими изменениями, происходящими в клетке. Значение эндоплазматической сети еще полностью не установлено. Известно, что этот органоид имеет большую поверхность, на которой расположены рибосомы. Канальцы эндоплазматической сети с одной стороны соединяются с оболочкой клетки, а с другой — с оболочкой ядра. Тесная связь структур эндоплазматической сети с оболочками клетки и ядра, а также с органоидами клетки дает основание считать, что ЭС участвует в таких важных жизненных процессах, как поступление и циркуляция веществ, а также синтез, накопление и секреция органических соединений клетки.

В каждой клетке животных, растений и микроорганизмов, за исключением бактерий и некоторых водорослей, содержится одно, значительно реже два или несколько ядер. Ядра чаще всего имеют округлую или эллиптическую форму.

Содержимое ядра — кариоплазма, как и цитоплазма, представляют собой прозрачное бесцветное образование.

По химическому составу кариоплазма отличается от цитоплазмы. В ядре содержится большое количество (до 50 %) ядерной тимонуклеиновой кислоты и относительно простые белки. Нуклеиновые кислоты в ядре соединены с белками, образуя нуклеопротеиды. Кроме того, в ядре содержатся ферменты, участвующие в синтезе и гидролизе (расщеплении) органических веществ и нуклеиновых кислот.

Хотя многие функции ядра изучены еще далеко не полностью, совершенно ясно, что роль ядра в жизнедеятельности клетки очень велика, сложна и многообразна. Клетки, лишенные ядер, не могут делиться и погибают. В ядрах растительных клеток синтезируется целлюлоза, которая идет на построение оболочек клеток. В них же осуществляется и синтез важнейших органических веществ — нуклеиновых кислот и белков (нуклеопротеидов).

В ядрах, как и в протоплазме, содержатся определенные структуры, выполняющие специальные функции. Так, непременной структурой ядер являются одно или несколько ядрышек, которые в комплексе с ядром участвуют в синтезе нуклеопротеидов. Такой же непременной структурой ядер клеток любого организма являются интенсивно красящиеся тельца — хромосомы, которым принадлежит особая миссия в клетке — управлять ее наследственностью.

Каждая клетка начинает свое индивидуальное существование, будучи наделена всеми задатками своих родителей, и в какой-то момент прекращает это существование, превращаясь в две дочерние клетки, которым она передает по наследству свои качества. Передача наследственных задатков осуществляется путем деления и размножения клеток.

Продолжительность жизни отдельных клеток измеряется днями, неделями, месяцами (клетки крови, эпителиальные клетки и др.), самое большее — десятилетиями (нервные клетки, клетки кости). Клетки, как и организм в целом, могут стареть. Однако все живое способно и омолаживаться. Это омолаживание осуществляется за счет деления клеток. Это же явление лежит в основе процессов роста и развития любых организмов.

Деление клеток — процесс очень сложный и протекает в несколько этапов, или стадий. Этапы клеточного деления пристально изучаются вот уже почти целое столетие со дня их открытия[6]. Сложное деление клетки называется митозом, или кариокинезом.

Сложное деление клетки (митоз).

Пока клетка существует, в ее протоплазме и главным образом в ядре осуществляется интенсивный синтез нуклеопротеидов и накопление энергии в виде энергетических комплексов — АТФ. Этот период жизни клетки называется интерфазным. По мере накопления жизненно необходимых органических веществ и энергии, а также ненужных продуктов жизнедеятельности клетка приступает к делению и, следовательно, к омоложению.

Первая стадия деления интерфазной (покоящейся) клетки называется профазой. Самой характерной особенностью этой стадии является четкое проявление и хорошее окрашивание различными красителями хромосом в ядрах делящихся клеток. В интерфазных ядрах хромосомы, как правило, бывают неразличимы от кариоплазмы, так как они находятся в раскрученном (диспирализованном) состоянии, а интенсивно красящееся вещество — хроматин в этот период бывает равномерно распределен по всей кариоплазме. К началу деления хромосомы свертываются в спиралеобразные структуры и включают в свой состав красящееся вещество хроматин, которое является нуклеопротеидом.

В каждой клетке организма животных и растений содержится строго определенное количество хромосом и все они объединены между собой в пары. Количество хромосом в клетках является систематическим признаком организмов. Например, рожь имеет 14 хромосом, горох — тоже 14, свекла — 18, кукуруза — 20, ель — 24, томат — 24, картофель — 48, мягкая пшеница — 42, твердая пшеница — 28; домашняя муха — 12, пчела — 46, кролик — 44, собака — 78, кошка — 38, корова — 60, лошадь — 60, человек — 46 и т. д.

Иногда количество хромосом у различных видов совпадает, как, например, у гороха и ржи (по 14 хромосом) или у лошади и коровы (по 60 хромосом). Это только количественное сходство, но по своей наследственной природе хромосомы каждого вида и даже организма имеют свои индивидуальные особенности.

Эти морфологические и структурные особенности хромосом отчетливо проявляются уже в профазе начинающей делиться клетки. Каждая хромосома бывает поделена равномерно или неравномерно на две части (плеча), между которыми находится небольшая светлая зона — центромера. К концу профазы каждая хромосома успевает поделиться вдоль строго пополам, в результате чего образуются две сестринские хромосомы, скрепленные между собой центромерой. К этому же времени исчезают ядрышко и ядерная оболочка. После исчезновения ядра каждая самоудвоенная хромосома стремится расположиться в средней части клетки по экваториальной ее плоскости. В животных клетках центриоля также делится на два тельца, и каждое из них движется к противоположным полюсам клетки.

Следующая стадия — метафаза — характеризуется тем, что хромосомы клетки располагаются в ее экваториальной плоскости, а к их центромерам с обеих сторон подходят нити ахроматинового веретена, которые идут от полюсов клетки там, где находятся центросомы, и прикрепляются к последним, если они имеются (например, в клетках животных). Затем центриоли, соединяющие половинки хромосом, тоже делятся вдоль, и разъединенные сестринские хромосомы начинают свое движение к противоположным полюсам клетки. Эта стадия называется анафазой. Движение половинок хромосом к полюсам клетки происходит вследствие сокращения нити ахроматинового веретена.

Последняя стадия — телофаза — заключается в том, что разошедшиеся к полюсам хромосомы снова раскручиваются (диспирализуются) и переходят в оптически невидимое состояние. Вокруг них образуются новые ядра и ядрышки, в это же время появляется между ними перегородка. Так возникают две дочерние клетки, получившие от материнской через хромосомы все ее наследственные признаки и органоиды, так как перед делением клеток органоиды тоже делятся и распределяются равномерно между делящимися клетками.

На деление клеток уходит от одного до пяти-шести часов. Особенно интенсивно деление происходит в период отдыха организма. У человека, большинства животных и растений клетки делятся главным образом ночью, а у ночных животных (кошки, совы, мыши и др.) наиболее интенсивное деление клеток идет днем.

Таким образом, митоз обеспечивает постоянство числа хромосом во всех клетках индивидуума.

Все организмы животных и растений при половом размножении образуются путем длинного ряда митотических делений оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) и являются прямыми ее потомками. В результате все клетки тела многоклеточных организмов содержат такие же хромосомные наборы, как и оплодотворенная яйцеклетка, из которой развивается данная особь. Зигота, как известно, образуется путем слияния мужской и женской клеток. При оплодотворении сливаются мужские и женские ядра, но не их хромосомы. Поэтому в оплодотворенной яйцеклетке, а следовательно и во всех клетках развивающейся из нее особи, содержится двойной, или диплоидный, набор хромосом.

Очевидно, что в диплоидном наборе каждая из хромосом является потомком соответствующей хромосомы зиготы, а в зиготе половина хромосом имеет отцовское, половина — материнское происхождение. Мужская и женская гаметы несут одинаковые наборы хромосом. Поэтому в диплоидном наборе хромосомы образуют пары гомологичных (родственных) хромосом, причем одна из гомологичных хромосом имеет отцовское, другая — материнское происхождение.

В каждом поколении число хромосом не удваивается, а остается на характерном для данного вида уровне благодаря тому, что гаметы всегда содержат не двойной, а одинарный, или гаплоидный, набор хромосом. Например, клетки тела человека содержат по 46 хромосом, а его сперматозоиды и неоплодотворенные яйцеклетки — по 23 хромосомы.

Это характерное отличие гамет от соматических (телесных) клеток возникает вследствие того, что при образовании гамет в ряде делений клеток одно отличается от митоза и представляет собой редукционное деление, которое приводит к уменьшению числа хромосом ровно наполовину. Это происходит потому, что при образовании гамет из материнской диплоидной клетки расходятся не половинки самоудвоенных хромосом, а целые хромосомы. Поэтому в гаметах всегда бывает одинарный, или гаплоидный, набор хромосом. При слиянии гамет, как уже отмечалось, снова восстанавливается исходное диплоидное число хромосом. Таков замечательный механизм, который позволяет сохранить постоянство числа хромосом во всех поколениях животных и растений.

Таким образом, клетка является не только элементарной, но и функциональной, а также генетической (наследственной) основой всех живых организмов. В наши дни цитология (наука о клетке) находится в центре всех биологических наук. Цитология является своего рода «тяжелой индустрией» науки о живом, от уровня которой зависит успех в разработке кардинальных проблем биологии, медицины и сельского хозяйства. Без привлечения ее специальных методов невозможно решать такие практически и теоретически важные проблемы, как искусственный синтез органических веществ, в первую очередь белков, проблемы злокачественного роста (рака), заживление ран, действие различных веществ на организм, создание высокопродуктивных гибридных форм животных и растений.

Например, причиной образования опухолей, главным образом раковых, является нарушение процесса митотического деления. Эти нарушения могут происходить как под действием внутренних, так и внешних факторов. В настоящее время еще нет окончательного ответа на вопрос о причине превращения нормальной клетки в раковую. Но многие внешние факторы, вызывающие появление злокачественной опухоли, известны. Это различные так называемые концерогенные химические вещества, которые могут попадать в организм через дыхательные пути, с пищей, водой и т. д. Известно воздействие различных видов радиации и некоторых пластмасс.

Изучены изменения в раковых клетках. Эти клетки способны очень быстро делиться и образуют опухоль, которая продолжает расти даже в условиях голода, полного истощения организма. В отличие от нормальных клетки злокачественной опухоли приобретают атипическую форму и внутриклеточную структуру. Если нормальные клетки являются клетками-близнеца-ми, клетками-копиями, то раковые имеют разные формы, размеры, разное количество хромосом и т. д. В раковых клетках человека насчитывается от 60 до 80 хромосом (вместо обычных 46), при этом хромосомы имеют необычную форму. Для нормальных клеток резкое отклонение кариотипа (числа хромосом) от нормы является смертельным. А вот опухолевые клетки, наоборот, не только выживают при этом, но оказываются еще более жизнеспособными по сравнению с неопухолевыми. Они успешно размножаются и растут, приводя организм к гибели. Причины поразительной жизнеспособности опухолевых клеток с резко измененным кариотипом пока еще полностью не выяснены.

Одной из величайших проблем биологии было и остается изучение процессов синтеза органических веществ в клетке, а затем уже синтеза этих веществ искусственным путем. Незнание этих интимных процессов синтеза в клетке долгое время являлось сильным подспорьем для процветания религиозно-метафизического мировоззрения. Религия, а вслед за ней и религиозно мыслящие ученые, утверждали, что в живом организме существует какая-то особая нематериальная «жизненная сила», которая создает все органические вещества в клетке.

Но вот уже на рубеже XX столетия были вскрыты в основном процессы синтеза углеводов, жиров и других менее сложных органических веществ в живой клетке. Однако неразрешенной до последнего времени оставалась загадка синтеза самого необходимого вещества в клетке — белка. В настоящее время и этот барьер в основном взят наукой, поэтому последний оплот идеализма — «участие сверхъестественных сил» — в синтезе живого белка потерял под собой почву.

Белки — основа жизни

О значении белка писал еще Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел… Повсюду, где мы встречали жизнь, мы находили, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, которое не находится в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни»[7].

Белки в организме выполняют самые различные функции. Они составляют около половины всех органических веществ, содержащихся в протоплазме клеток. Поэтому белки являются основным строительным веществом в клетке. Они постоянно самообновляются. Это было установлено методом меченых аминокислот. Например, у человека половина белков всех тканей распадается и строится заново в среднем в течение восьмидесяти дней. Некоторые белки замещаются быстрее, другие медленнее. Так, белки печени и сыворотки крови обновляются наполовину каждые десять дней, белки мышц замещаются наполовину каждые сто восемьдесят дней.

Самообновление веществ в организме осуществляется с помощью ферментов, или энзимов, которые тоже являются белками. И. П. Павлов называл ферменты возбудителями жизни, так как они ускоряют многочисленные реакции, лежащие в основе обмена веществ в организме.

Каждый из ферментов способен ускорять только одно строго определенное химическое превращение. В протоплазме клеток содержатся сотни разнообразных ферментов.

Характерной чертой ферментов является то, что, возбуждая определенную химическую реакцию, они вступают лишь в кратковременную связь с реагирующими веществами и не входят в конечные продукты реакции. Поэтому небольшое количество молекул фермента может за короткое время способствовать вступлению в реакцию большого количества молекул реагирующего вещества. Так, один грамм фермента пепсина за два часа перерабатывает двадцать пять килограммов яичного альбумина.

Очень важная роль белков заключается и в том, что они являются переносчиками веществ в организме. Как известно, гемоглобин крови, например, доставляет кислород в клетки животных и человека, не подвергая его химическим изменениям.

Следующая функция белков — это механо-химическая, или двигательная. В ней участвуют специализированные белки, образуя различные сократительные системы, мышечные волокна и ткани. Такие белки участвуют в движении протоплазмы внутри клетки, а во время деления клетки нити ахроматинового веретена, сокращаясь, перетягивают хромосомы к полюсам делящейся клетки. Кроме того, многие одноклеточные и некоторые ткани многоклеточных организмов имеют специальные цитоплазматические образования — жгутики и реснички, которые тоже постоянно находятся в движении.

Белки стоят на страже здоровья организма. Если в организм животного или человека каким-либо путем попали чужеродные белки (чаще всего ими бывают ядовитые белковые вещества — токсины, выделенные болезнетворными бактериями), то в крови организма-хозяина вырабатываются особые белки — антитела, которые тут же вступают в бой с белками-чужаками до полной победы над пришельцами. После перенесения многих инфекционных болезней в организме вырабатываются защитные антитела. И до тех пор, пока у выздоровевшего сохранится способность к образованию данных антител, этой болезнью он вторично не болеет, то есть вырабатывается иммунитет. Эта физиологическая функция белка является активной.

Но белки животных выполняют еще и пассивную охранную функцию. Так, они входят в состав целого ряда защитных покровных тканей — керотина, элостина, феброина и др.

Белки принимают непосредственное участие в росте и развитии организма. Эти процессы осуществляются с помощью гормонов, многие из которых имеют белковую природу. Гормоны выделяются в кровь железами внутренней секреции. Они наряду с нервной системой управляют работой различных органов, передавая химические сигналы. Таким образом, белкам в любом организме принадлежит очень широкая «исполнительная власть».

Чем же объясняется такое многообразие биологических функций белков?

Ответ на этот вопрос можно найти в изучении самой природы белковых молекул. Многолетние кропотливые исследования показали, что в состав белковых молекул входят относительно простые вещества — аминокислоты, которые являются своеобразными «кирпичиками» этого сложного соединения. В настоящее время в различных белках живых организмов мы знаем около ста аминокислот, из которых двадцать являются важнейшими, незаменимыми аминокислотами, без коих организм не может существовать.

Аминокислоты являются как бы «двуликими» органическими соединениями: они проявляют в реакциях свойства как кислоты, так и основания за счет содержания аминогруппы NH_2 и кислотных (карбоксильных) групп СООН. Все аминокислоты имеют сходное в принципе химическое строение:

Различия их в основном заключаются в радикалах (R), которые тоже представляют собой сложные группы атомов.

В качестве примера приведем структурные формулы трех аминокислот, широко распространенных в различных белках: глицина, аланина и треонина.

Аминокислоты соединяются между собой и образуют длинную пептидную цепочку, которая является первичной структурой белковой молекулы. Она определяет последовательность аминокислот в молекулах белков: a_1 — а_2 — а_3… аn, где a_1 означает какую-либо вполне определенную аминокислоту (например, аланин или серин), а_2 — иную (а может быть, и ту же самую), но тоже вполне определенную аминокислоту (скажем, глицин) и т. д.

Молекулы белков состоят из нескольких пептидных цепей, способных сворачиваться в спирали и клубки, характерные уже для живой материи.

Главным различием молекул белков служит последовательность расположения в них аминокислот. Например: в одном белке в качестве первого мономера a_1 фигурирует аминокислота серин, а в молекуле другого белка вместо серина в качестве первого мономера выступает, положим, фенилаланин, в качестве а_2 — скажем, аргинин, а не лизин и т. д. Достаточно отличия хотя бы в одном номере, чтобы белок стал другим. Разумеется, белки могут различаться между собой и по общему числу мономеров в цепочке.

Выявление действительной последовательности расположения аминокислот в цепочке белковой молекулы (его первичной структуры) — одна из самых сложных задач современной биологии. Расшифровка строения белков дает возможность судить о различиях живых организмов на молекулярном уровне. Но что еще важнее — искусственно создавать белки для пищевых, кормовых и лечебных целей. Систематическое изучение последовательности аминокислотных остатков в полипептидных цепях было начато около десяти лет назад. Сейчас полностью воспроизведено строение рибонуклеазы — белка, построенного из ста двадцати четырех аминокислотных остатков, связанных между собой в форме общей полипептидной цепи[8].

Химическое строение белковой молекулы — рибонуклеазы.

Большим достижением является полная расшифровка последовательности аминокислот в белке вируса табачной мозаики, состоящей из ста пятидесяти семи аминокислотных остатков. Недавно закончилась многолетняя работа по установлению последовательности аминокислот в белке лизоциме, содержащемся в слезах и яичном желтке. Установлено, что белковая цепь лизоцима построена из ста двадцати шести аминокислотных остатков.

В последние годы расшифровано строение ряда белковых гормонов со сравнительно простой молекулой, как, например, инсулина — гормона поджелудочной железы, недостаток которого порождает сахарную болезнь. Изучено строение гормона задней доли гипофиза — окситоцина и вазопрессина.

Современными методами рентгено-структурного анализа с использованием электронных вычислительных машин установлена общая форма молекулы белка. Она такова: цепочка аминокислот закручивается в спираль, витки которой очень близко примыкают друг к другу. В отдельных местах атомы спирали притягиваются между собой. Устойчивое спиральное строение называется вторичной структурой белка. Спираль белковой молекулы сворачивается в своего рода клубок и образует третичную структуру, которая всегда постоянна (специфична) для каждого данного белка.

В некоторых случаях молекулы белков присоединяют и другие молекулы и образуют еще более сложную, четвертичную, структуру.

Строение молекулы простого белка миоглобина (третичная структура).

Если заменить хотя бы в одном месте белковой цепочки одну аминокислоту на другую, может произойти изменение свойств белка. Так, в ряде районов Африки и Средиземноморья, а также в странах Юго-Восточной Азии существует тяжелое наследственное заболевание крови — серповидноклеточная анемия. При ней красные кровяные шарики имеют форму серпов. В гемоглобине таких больных электрически заряженная глутаминовая кислота заменена на электрически нейтральную аминокислоту валин. В результате гемоглобин сильно изменяет свои свойства. Эритроциты крови с таким гемоглобином приобретают серповидную форму. Утратив электрический заряд, молекулы гемоглобина перестают отталкивать друг друга и «слипаются» в кристаллоподобные структуры. Эритроциты серповидной формы гораздо хуже переносят кислород, вследствие чего наступает кислородное голодание. Дети с этим врожденным недугом обычно не доживают и до двух лет.

Образование цепи в белковой молекуле из отдельных аминокислот.

Создание искусственных белков является важнейшей проблемой современной науки. На пути искусственного синтеза белка перед учеными встали огромные препятствия. Чтобы соединить между собой две аминокислоты, надо преодолеть массу трудностей. Каждая аминокислота, как уже было сказано, имеет два химических лица: карбоксильную кислую группу на одном конце и аминную основную группу на другом. Если от карбоксильной группы одной аминокислоты отнять группу ОН, а от аминной группы другой — атом водорода, то образуется при этом простейший из пептидов — дипептид и отщепляется молекула воды. Повторяя эту операцию, можно наращивать количество аминокислот и длину белковой цепочки. Однако эта на первый взгляд несложная операция практически бывает очень трудно осуществимой: аминокислоты весьма неохотно соединяются друг с другом. Приходится их активировать химически и подогревать.

Вторая сложность заключается в том, что соединяться друг с другом могут не только остатки различных аминокислот, но и две молекулы одной кислоты. При этом строение синтезируемого пептида будет уже отличаться от желаемого. Более того, каждая аминокислота может иметь не две, а несколько боковых химически активных групп (радикалов), способных присоединять аминокислотные остатки.

Чтобы не дать реакции свернуть с заданного пути, необходимо закрыть на время осуществления реакции все реактивноспособные группировки аминокислот, кроме одной, присоединив к ней так называемые защитные группировки. Если этого не сделать, то цепь будет расти не только с обоих концов, но и в бок и аминокислоты уже не удастся соединить в заданной последовательности. А это значит, что не получится белковая молекула с определенными свойствами. Ученые нашли выход из положения: стали применять вещества, защищающие боковые реактивноспособные группировки от нежелательных реакций. Но существующие методы еще далеко не совершенны. Чтобы получить инсулин, необходимый больным диабетом, состоящий из пятидесяти одной аминокислоты, химикам потребовалось около трех лет напряженной работы, при этом было произведено двести двадцать три реакции, а желаемого вещества они получили лишь сотую долю процента. Но упорный труд ученых увенчался уже некоторым успехом. Большие достижения на пути синтеза белка получены советскими учеными.

Искусственное получение белка имеет первостепенное значение в проблеме создания синтетической белковой пищи для человечества и сельскохозяйственных животных. Это даст возможность получения всех необходимых при составлении пищевых рационов аминокислот, более дешевых, чем естественные белки.

Нужный белок можно получить с помощью живых организмов. Это один из более доступных способов синтеза необходимых белков. Неоценимую услугу в разрешении этой проблемы оказали одноклеточные организмы. В настоящее время уже начато промышленное получение белков микробиологическим путем. Все микроорганизмы имеют белковую плазму, и многие из них можно употреблять в пищу. Широко известны кормовые дрожжи, выращиваемые на сахаристых отходах сельского хозяйства. Имеются также многие виды микроорганизмов, развивающихся на углеводородах. Существуют микробы — пожиратели метана, парафинов и т. д. Французский ученый Шампанья предложил выращивать кормовые дрожжи на фракциях нефти и применять полученные таким образом белки в пищевом рационе, в частности в кондитерском производстве.

Нуклеиновые кислоты

В протоплазме клеток, кроме белков, углеводов и жиров, содержится еще одно очень сложное органическое вещество. Его впервые выделил ученый Мишер еще в 1870 году из ядер клеток и поэтому назвал нуклеиновой кислотой (нуклес — ядро). Несколько позже нуклеиновую кислоту обнаружили и в цитоплазме клеток. Многие десятилетия на эти кислоты ученые не обращали серьезного внимания. Только в пятидесятые годы нашего века нуклеиновые кислоты стали изучать комплексными современными методами.

Нуклеиновые кислоты, как и белки, очень сложно устроены. Их молекулярный вес бывает значительно больше, чем у самых сложных белков. Недавно была обнаружена нуклеиновая кислота, молекулярный вес которой составлял более миллиарда, а длина такой молекулы достигает 50–60 миллимикрон. Обычно длина молекулы нуклеиновых кислот составляет около 5 миллимикрон, тогда как самые крупные белковые молекулы имеют молекулярный вес от нескольких сот тысяч до десяти миллионов, а длина их составляет десятые доли миллимикрона (0,1–0,2).

В настоящее время выделено и изучено два вида нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (сокращенно РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК)[9].

Две полинуклеотидные цепи с парами оснований, связанных водородными мостиками в молекуле ДНК.

Кислоты эти состоят из отдельных звеньев, или мономеров. У белков такими звеньями являются аминокислоты, а у нуклеиновых кислот — нуклеотиды. В состав каждого нуклеотида входят азотистые основания — пиримидиновые и пуриновые, остатки фосфорной кислоты (фосфат) и сахара. В состав азотистых оснований входят четыре вещества: аденин, цитозин, гуанин, тимин. Но обе нуклеиновые кислоты различаются между собой по сложности строения, молекулярному весу и химическому составу. Рибонуклеиновая кислота имеет две химические особенности: во-первых, вместо азотистого основания тимина в нуклеотиды РНК входит урацил, а углевод пентоза (дезоксирибоза С_5Н_10О_4) заменен в РНК на рибозу (С_5Н_10О_5), которая содержит на один атом кислорода больше. Молекулярный вес ДНК, как правило, больше, чем у РНК.

Подобно аминокислотам в белковой молекуле нуклеотиды способны образовывать длинные цепи, соединяясь друг с другом в любой последовательности. Особенно длинные цепочки образуют нуклеотиды ДНК.

Наиболее крупные молекулы ДНК можно видеть в электронный микроскоп. Но чтобы изучить их внутреннюю структуру, потребовалась огромная изобретательность. Только с помощью специальных физических методов рентгено-структурного анализа в сочетании с теоретическими исследованиями удалось определить внутреннюю структуру молекулы ДНК.

По внешнему виду молекулы ДНК представляют собой свитую двойную спиральную цепочку. В общем она напоминает винтовую лестницу. Каждая «ступенька» этой своеобразной лестницы образована двумя азотистыми основаниями, соединенными между собой водородной связью. «Перилами» же этой лестницы служат цепочки из чередующихся атомных групп фосфорной кислоты и сахаров — дезоксирибоз.

Исследования показали, что «ступеньки» молекулярной лестницы ДНК соединяются между собой атомом водорода в строго определенных комбинациях. Оказалось, что основания аденин и гуанин имеют длину по двенадцать ангстрем (ангстрем — десятимиллионная доля миллиметра), а тимин и цитозин немного короче — по восемь ангстрем. Расстояние между «перилами» цепи повсюду одинаково и равно двадцати ангстрем. Это означает, что одно из оснований любой «ступеньки» должно быть большим, а другое меньшим, то есть возможны только вполне определенные комбинации оснований. Они таковы: аденин — тимин и гуанин — цитозин; или перевернутые: тимин — аденин и цитозин — гуанин. Только в таких комбинациях и встречаются азотистые основания в двойных молекулах ДНК. Если удалить одно из оснований в молекуле, то его место должно занять тоже основание, так как никакое другое не подойдет либо по геометрическим размерам, либо по способности к образованию химической связи.

При определенных условиях молекулы ДНК могут разворачиваться и раздваиваться вдоль оси на две совершенно одинаковые (комплементарные) части. Расщепление цепи молекулы ДНК происходит по водородной связи. Если поместить образовавшиеся половинки молекулы ДНК в химическую среду, где в большом количестве содержатся различные нуклеотиды, и создать соответствующие условия, то они автоматически достраиваются до полных молекул и, стало быть, из двух половинок исходной молекулы образуется две новых молекулы ДНК. Причем эти «дочерние» молекулы будут полностью скопированы с «материнской», так как место каждого азотистого основания, а следовательно и всего нуклеотида, строго обусловлено.

Молекулы ДНК обладают замечательным, только им присущим свойством самокопирования. При самоудвоении молекул ДНК происходит образование точных копий исходных. Молекулы же белков не могут сами собой синтезироваться из аминокислот по образцу уже существующих. До недавнего времени оставалась еще загадкой способность живых клеток создавать белки, специфические для данного организма. После открытия самокопирования ДНК была высказана мысль об участии нуклеиновых кислот в синтезе белков.

Конкретная нуклеиновая кислота, как и конкретный белок, имеет «индивидуальность», только у белков она выражается специфической последовательностью аминокислот, а у нуклеиновой кислоты — присущей только ей последовательностью нуклеотидов. Но нуклеиновая кислота передает свою индивидуальность «потомкам»— молекулам-копиям, а белок нет.

Нуклеиновые кислоты располагаются (локализуются) в клетках живых организмов очень своеобразно. ДНК обнаруживается в ядрах клеток, хотя в последнее время установлено наличие специфической ДНК в некоторых органоидах клетки (хондриосомах и пластидах). РНК имеет более широкое распространение в клеточной протоплазме. Основная масса РНК сосредоточена в цитоплазме и рибосомах (за высокое содержание РНК они и получили такое название). Имеется РНК также и в ядрах, где она концентрируется в ядрышках и отчасти в хромосомах.

Днк имеет самый высокий молекулярный вес из всех органических веществ: порядка нескольких десятков миллионов. Молекулярный вес РНК меньше, но колеблется от нескольких тысяч до одного-двух миллионов в зависимости от природы молекулы.

За последние годы была установлена тесная взаимосвязь между белками и нуклеиновыми кислотами. Если белкам в организме принадлежит своего рода исполнительная роль, то нуклеиновые кислоты — «законодатели» внутриклеточных процессов, они оказались причастны к синтезу белков в организме.

Синтез белков

Когда установили, что молекулы белков не обладают способностью к самоудвоению, было высказано предположение о том, что между белками и нуклеиновыми кислотами существует связь. Специально проведенными опытами у живых клеток растений (корешков лука, гороха и др.) извлекали РНК, и тотчас в таких клетках прекращалось накопление белков. Опыты показали, что нуклеиновые кислоты участвуют в процессах синтеза белков. Но самые достоверные данные о непосредственном участии нуклеиновых кислот в синтезе белков были получены на вирусах.

Вирусы — весьма интересные образования. Они находятся на границе между живыми и неживыми телами. Эти чрезвычайно мелкие частицы удается увидеть только в электронный микроскоп. Размеры вирусов, например, полиомиелита (детского паралича) составляют 27 миллимикрон (миллимикрон — стотысячная часть миллиметра), желтой лихорадки — 22 миллимикрона, ящура — 21 миллимикрон.

По величине они приближаются к молекулам белков. Так, молекула гемоглобина крови лошади имеет размер 3X15 миллимикрон, а молекула альбумина (белка куриного яйца) составляет 2,5X10 миллимикрон.

Микрофотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, дают представление о форме некоторых вирусов. Вирусные частицы способны склеиваться между собой, превращаясь при этом в кристаллоподобные образования. В кристаллическом состоянии вирусы могут сохраняться сотни лет и не проявлять признаков живой материи. Но стоит вирусной частице попасть в восприимчивую к нему живую клетку, и она начинает там стремительно размножаться. В этом одна из причин трудности борьбы с вирусными заболеваниями.

Все известные в настоящее время вирусы подразделяются на три большие группы в зависимости от того, с какими клетками способны они взаимодействовать: с бактериальными, растительными или животными.

Каждая вирусная частица (вирион) состоит из одной молекулы нуклеиновой кислоты и многих молекул белков. Нуклеиновая кислота является как бы сердцевиной, заключенной в белковую капсулу (капсид), или своеобразную «шубу» из белковых молекул. Белковые молекулы (капсомеры) расположены вокруг вирусной нуклеиновой кислоты в определенном порядке, образуя правильные геометрические фигуры шарообразной или палочковидной формы.

Различные вирусы в электронном микроскопе: а) вирус оспы; б) вирус герпеса; в) вирус гриппа; г) бактериофаг; д) вирус мозаики табака; е) вирус картофеля. Большой круг, в котором помещены вирусы, — это размер эритроцита (красного кровяного шарика при том же увеличении), черный кружок в центре — размер самой маленькой бактерии.

При встрече с клеткой, восприимчивой к данному вирусу, вирусная частица прикрепляется снаружи к ее поверхности. В оболочке клетки проделывается отверстие, что нередко осуществляется ферментами вируса, вызывающими распад веществ клеточной оболочки. (Например, во внешней оболочке вируса гриппа имеется особый фермент, вызывающий распад сложных белков, находящихся на поверхности клеточных стенок эпителиальной ткани дыхательных органов человека). В проделанное отверстие клетки-«хозяина» «впрыскивается» молекула нуклеиновой кислоты вируса. Белки же вирусной частицы лишь способствуют проникновению молекулы нуклеиновой кислоты в клетку, а сами остаются за пределами пораженной клетки.

Проникнув внутрь, молекула нуклеиновой кислоты вируса, не встречая сопротивления со стороны протоплазмы клетки, начинает быстро размножаться путем самоудвоения. Вначале она «штампует» несколько сот своих копий, затем эти копии начинают синтез белков, при этом синтез собственных белков пораженной клетки подавляется. Из только что созданных белков и ранее возникших копий молекулы вирусной нуклеиновой кислоты образуются новые вирусные частицы. Через несколько минут после проникновения в клетку одной молекулы вирусной нуклеиновой кислоты клетка-«хозяин» разрушается. Наружу выходят сотни вирусных частиц, являющихся точными копиями вируса, вначале поразившего клетку, и принимаются за разрушение еще здоровых клеток организма.

Механизм такого образования белков и целых вирусных частиц можно понять только в том случае, когда допустим, что последовательность аминокислот в белке, синтезируемом клеткой, определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты. Ведь точными опытами доказано, что вирусные белки в пораженную клетку не проникают. Единственным носителем информации о строении этих белков может быть только проникшая в клетку нуклеиновая кислота вируса. Остается только разгадать тайну, каким образом в молекуле нуклеиновой кислоты зашифрован план строения белка и как этот план синтеза видоспецифических белков осуществляется. Каким образом обеспечивается в клетке соединение аминокислот в длиннейшей цепи белка как раз в нужной последовательности?

Свойства белковой молекулы, как уже было отмечено, зависят от последовательности аминокислот в ее цепочке. Достаточно изменить порядок расположения хотя бы нескольких аминокислот в цепочке, как изменяются свойства всей молекулы белка. Это убедительно доказано на белке крови гемоглобина: при замене в молекуле гемоглобина электрически заряженной глутаминовой кислоты на электрически нейтральную аминокислоту валин белок крови теряет способность присоединять к себе кислород, появляется болезнь серповидноклеточная анемия.

Цепочки молекул нуклеиновых кислот тоже состоят из определенного порядка нуклеотидов. Данные, полученные на вирусах и других объектах, говорят о том, что в молекуле нуклеиновой кислоты «записано», или закодировано, химическое строение белковых молекул, то есть каждый белок «описывается» определенным участком нуклеиновой кислоты. Это означает, что последовательность аминокислот в данной белковой молекуле каким-то образом изображается последовательностью нуклеотидов соответствующего участка молекулы нуклеиновой кислоты. Получается так, что расстановкой одних веществ (различных аминокислот) управляют другие вещества (различные нуклеотиды). Такое изображение одних объектов другими в кибернетике[10]называется кодированием.

Так как белки определяют наследственные особенности организма, то синтез видоспецифических белков с помощью нуклеиновых кислот можно назвать кодированием наследственной информации.

Если бы количество различных типов нуклеотидов, встречающихся в нуклеиновых кислотах, соответствовало количеству различных аминокислот, входящих в состав белков, то можно предположить, что при наследственном кодировании каждая из аминокислот изображается определенным, соответствующим ей нуклеотидом. Например, валин — аденином, аланин — гуанином и т. д. Но такое предположение не соответствует действительности, потому что различных типов аминокислот десятки, а важнейших из них двадцать, тогда как различных видов нуклеотидов — всего четыре. Учитывая это обстоятельство, ученые вначале теоретически стали подыскивать такие комбинации, с помощью которых четыре вида нуклеотидов могли бы кодировать все аминокислоты. В технике имеются такие примеры. Например, в связи осуществляется передача разнообразных букв посредством всего двух электрических сигналов: положительным (+) и отрицательным (-) импульсами[11].

Ученые высказали мысль о том, не основано ли и кодирование наследственной информации на сходном принципе? Не изображается ли каждая аминокислота белка определенной комбинацией нескольких нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты? Вскоре эти предположения подтвердились: каждая аминокислота в клетке управляется тремя нуклеотидами из четырех существующих. Эти четыре нуклеотида — тимин (Т), аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г), сочетаясь по три, могут дать шестьдесят четыре комбинации (или триплета), а важнейших аминокислот всего двадцать. Следовательно, одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Эти триплеты, или кодовые обозначения, носят название «синонимов». Очень важно отметить, что триплеты могут «работать» во всех системах независимо от принадлежности их к организмам, то есть они синтезируют белки в препаратах, полученных из бактерий, из клеток различных растений или млекопитающих животных. Это обстоятельство еще раз, уже не на клеточном, а на молекулярном уровне, доказывает единство живой природы.

Сейчас уже можно считать окончательно установленным, что каждая из аминокислот, входящих в состав белков любого организма, действительно изображается комбинацией из трех нуклеотидов в молекулярной цепочке нуклеиновой кислоты.

Это открытие, как его принято называть — «расшифровка кода наследственности», — по праву считается одним из величайших научных достижений последних десятилетий в познании тайн живой природы.

Итак, молекулы белка образуются путем соединения в сложные цепи молекул аминокислот. Для образования нужного белка (способного в данном организме выполнять определенную функцию) аминокислоты должны соединяться между собой в строго определенной последовательности. Поэтому синтез конкретного, требуемого белка не может быть осуществлен простым перемешиванием аминокислот в присутствии катализаторов (в организме их роль выполняют ферменты) и других условий, обеспечивающих осуществление реакции. Необходим очень сложный физиологический «механизм», обеспечивающий своего рода «сборку» молекул белка из имеющихся в клетке в большом количестве разнообразных аминокислот по заранее определенному плану, закодированному в молекулах ДНК. Подобную «сборку» весьма сложной молекулы белка из отдельных аминокислот ни одна химическая технология пока еще осуществлять не может: такой процесс наблюдается исключительно только в живых клетках, почему он и получил название «биосинтез», то есть синтез с помощью живого организма.

Живая клетка любого организма содержит полный набор нуклеиновых кислот, в которых закодирована последовательность всех без исключения белков, какие только могут быть синтезированы в данном организме. Например, в клетках печени человека синтезируется около ста различных белков. Но этим не исчерпываются возможности синтеза белков клеток. Обычно в определенной клетке при данных условиях синтезируется всего лишь несколько видов белков. Так, в любой клетке человеческого тела имеется план «сборки» молекулы инсулина, гемоглобина, рибонуклеазы и других белков, но в действительности гормон инсулин образуется только в некоторых клетках поджелудочной железы, гемоглобин — в клетках мозга, рибонуклеаза — в клетках слюнных желез и некоторых других клетках.

Биосинтез белков осуществляется в рибосомах каждой клетки организма. Эти мельчайшие органоиды, видимые лишь в электронный микроскоп, являются своего рода «сборочным цехом» специфических белковых молекул. Рибосомы содержат большое количество так называемой рибосомальной рибонуклеиновой кислоты (сокращенно обозначают R-PHK). Кроме того, в цитоплазме клеток содержится другая форма рибонуклеиновой кислоты: ее назвали транспортной, или воднорастворимой, кислотой (сокращенно обозначают Т-РНК, или S-РНК). В ядре клетки образуется третья форма рибонуклеиновой кислоты — информационная (сокращенно обозначают И-, или М-РНК, то есть «мессенджер»-РНК[12]. Все три формы РНК отличаются между собой как по выполняемой ими функции, так и по сложности строения.

План строения белковой цепочки закодирован в ядре, в молекуле ДНК, а фактическая «сборка» белка осуществляется в рибосомах. Каким же образом передается из ядра в рибосомы информация об этом плане?

Оказывается, переносчиком этой информации является информационная РНК, которая образуется в ядре клетки во время биосинтеза белков. Молекула ДНК обладает как бы двумя свойствами: она строит на себе свои копии и молекулы информационной РНК. Во время деления клеток происходит удвоение ДНК, а в перерыве между делениями синтезируется М-РНК. Процесс удвоения ДНК происходит не сразу по всей длине ее молекулы. Двойная спираль расплетается постепенно с помощью особого фермента — ДНК-полимеразы, и по мере освобождения ее цепей на каждой из них достраивается вторая недостающая половинка.

Вторая функция ДНК — синтез М-РНК — осуществляется на разных участках молекулы ДНК, в зависимости от того, какой белок требуется в данный момент клетке. Эти участки, где происходят образования М-, или И-РНК, называются генами. Синтез М-РНК происходит с помощью другого специального фермента — РНК-полимеразы. При этом ДНК расплетается, по-видимому, только в небольшом участке, обнажая лишь несколько своих оснований. «Текст предписаний» о синтезе белка выдается не сразу, а по «буквам» или «словам», примерно так, как мы видим строку, когда читаем мелкий текст с лупой.

Считанная таким путем М-РНК отваливается от соответствующего локуса (или гена) молекулы ДНК и доставляется в рибосомы. Каждая рибосома состоит из двух неравных частей. Через меньшую проходит М-РНК, а в большей осуществляется образование полипептидных цепей и синтез белков.

Рибосому можно представить как станок с программным управлением. Работа такого автоматического станка зависит от информационной РНК, которая имеет определенную программу. Через молекулу М-РНК сразу проходит несколько рибосом. Иногда М-РНК может синтезировать не один, а несколько типов белков, в зависимости от того, со скольких генов была считана ее информация. Предполагают, что одна молекула М-РНК существует не более четырех-шести минут и за это время успевает наштамповать около двадцати однотипных белков (если РНК несет информацию только одного гена). Значит, специфика белка зависит от структуры информационной РНК, а не от рибосом. В одних и тех же рибосомах, например, кишечной палочки, в искусственных условиях синтезируют белки различных животных и даже человека, в зависимости от того, какая ДНК была задана в этот искусственно созданный синтезирующий комплекс.

Каким же образом доставляется необходимое «сырье»— различные аминокислоты — к месту «сборки» белковой молекулы? Доставка аминокислот в рибосомы производится с помощью сравнительно небольших молекул так называемой транспортной, или воднорастворимой, формы РНК. Эта РНК присоединяет на время аминокислоту и доставляет ее в рибосому. Освободившись от груза, она возвращается в цитоплазму за следующей аминокислотой. Наблюдения показывают, что каждая аминокислота имеет свою определенную транспортную РНК. Следовательно, транспортных РНК в протоплазме каждой клетки любого организма не менее двадцати — по числу важнейших аминокислот.

Молекула информационной РНК как бы пронизывает одну, чаще сразу несколько рибосом. Внутри каждой рибосомы находится сравнительно небольшое число нуклеотидных троек (триплетов). В этот момент молекулы транспортной РНК с «навешенными» на них аминокислотами приближаются к триплетам информационной РНК внутри рибосомы. При контакте кодового конца транспортной молекулы РНК, несущего определенную аминокислоту, с соответствующим ему триплетом информационной РНК происходит присоединение аминокислот к этим триплетам. То есть, к определенному участку информационной РНК внутри рибосомы может «прикрепиться» с помощью транспортной молекулы РНК только определенная аминокислота, закодированная данной тройкой нуклеотидов.

Схема синтеза белка в клетке.

Как только присоединение произошло, молекула информационной РНК продвигается сквозь рибосому на расстояние, равное заполнившей ее аминокислоте, и тем самым представляет следующий триплет для новой аминокислоты строящейся молекулы белка. При этом молекула транспортной РНК, отдавшая свою аминокислоту, уходит снова в цитоплазму за следующей свойственной ей аминокислотой. Таким образом, транспортные РНК совершают постоянный круговорот между цитоплазмой и рибосомами, доставляя исходное «сырье»— аминокислоты — для сборки определенных цепей белковых молекул.

Так синтезируются важнейшие белки — ферменты, которые ускоряют все химические реакции обмена веществ в организме.

Предполагают, что в каждой хромосоме человека содержится не менее пяти тысяч молекул ДНК, следовательно, в сорока шести хромосомах в каждой клетке, как минимум, может быть около трехсот тысяч молекул ДНК.

Каждая хромосома — это цепь линейно расположенных молекул ДНК, которые в свою очередь представляют собой цепочки генов. А каждый ген слагается из множества еще более мелких линейно расположенных единиц — нуклеотидов.

Весь этот сложнейший агрегат в ядре клеток работает очень точно, благодаря чему и осуществляется наследственность организмов из поколения в поколение.

Однако иногда случаются и «ошибки» в воспроизводстве молекул ДНК. Они могут произойти вследствие изменения отдельных нуклеотидов, а следовательно и генов, в молекулах ДНК. Подобные изменения называются молекулярными мутациями. Они происходят как вследствие внутренних перестроек нуклеотидных оснований в молекулах ДНК, так и под влиянием различных внешних физико-химических факторов (излучений и сильнодействующих химических веществ). Если молекулярные мутации происходят в молекулах ДНК половых клеток (мужских или женских гаметах), они передаются потомству, так как новый организм развивается из слившихся гамет зиготы. Причины появления подобных мутаций в настоящее время уже выяснены.

Установлено, что каждый ген управляет синтезом одной молекулы белка. Если произойдет химическое (мутационное) изменение в том или ином гене, то соответственно изменится аминокислотное звено в цепи синтезируемого белка. У вновь образованного белка исказятся ферментативные свойства, что может нарушить цепь тех реакций, в которых данный фермент принимает участие. В результате — нарушение обмена веществ со всеми вытекающими отсюда, иногда катастрофическими для организма, последствиями.

Современной медицине известны молекулярные наследственные болезни, связанные с нарушением обмена углеводов, аминокислот, жиров, пиримидинового обмена металлов, наследственные болезни крови и т. п. Но освещение этих вопросов не входит в нашу задачу.

* * *

Итак, вот и все, что мы собирались рассказать в этой маленькой брошюре о трех величайших открытиях биологической науки. Читатель, вероятно, уловил связь между ними и значение каждого из этих достижений для дальнейшего развития науки о жизни.

И действительно, ведь клеточная теория и эволюционное учение Дарвина явились решающими условиями, которые способствовали созданию диалектико-материалистического взгляда на живую природу. Именно эти два открытия, сделанные в прошлом веке, легли в основу грандиозных событий, которые ныне совершаются в биологической науке. Всестороннее и углубленное изучение клетки и ее содержимого породило новую отрасль в науке о жизни — молекулярную биологию.

За каких-нибудь десять-пятнадцать лет своего существования молекулярная биология добилась исключительных успехов: выяснены природа вирусов и механизм вирусных инфекций, расшифрованы основные этапы биосинтеза белка, раскрыта сущность генетического кода, основанного на молекулярной структуре ДНК, а это в свою очередь позволило уяснить природу наследственных изменений (мутаций), лежащих в основе эволюции и изменчивости живого мира. Исследования на молекулярном уровне привели к выводу о том, что синтез белка в живой клетке связан со свойством наследственности, то есть, что наследственность любого организма реализуется в процессе синтеза белка.

Достижения молекулярной биологии начинают входить и в практику. В настоящее время ведется успешная профилактическая и лечебная работа, направленная на борьбу с вирусными инфекциями, раковыми заболеваниями, а также с наследственными болезнями человека.

Расшифровка первичной структуры ряда белков позволила искусственно создать некоторые ценные ферменты и гормоны, причем, что особенно важно, синтезируемые белки обладают той же биологической активностью, что и природные.

Изучение проблемы биосинтеза белка в клетке открывает широчайшие перспективы. Получение синтетических белков позволит не только экспериментально создать материальные основы жизни, о чем мечтал еще Ф. Энгельс, но и получать необходимые продукты для пищевых, кормовых и лечебных целей. Решение последней проблемы навсегда избавит человечество от капризов природы, которая еще оказывает существенное влияние на экономику общества. Поэтому вполне справедливо наше столетие называется веком биологии.

Рекомендуем почитать

Азерников В. Наследственная информация. Эстафета жизни. «Химия и жизнь», 1965 № 7–8.

Асатиани В. С. Молекулярные основы патологии. Изд-во «Знание», серия VIII. М., 1966.

Дарвин Ч. Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль». М., 1955.

Снитковский Д. М., Вязов Д. М. Успехи современной молекулярной биологии и медицины. Изд-во «Знание», серия VIII. М., 1966.

Федоров Н. А. Нуклеиновые кислоты и рак. Изд-во «Знание», серия VIII. М., 1966.

Чаклин А. В. География злокачественных опухолей. Изд-во «Знание», серия VIII. М., 1966.

Примечания

1

Л. Ш. Давиташвили. История эволюционной палеонтологии от Дарвина до наших дней. М., 1948, стр. 10.

2

Ч. Дарвин. Происхождение видов. М., 1935, стр. 137.

3

В. И. Ленин. Соч., изд. 4, т. I, стр. 124.

4

Ф. Энгельс. Людвиг Фейербах. М., 1952, стр. 38.

5

Липоиды — жироподобные вещества.

6

Первым открыл деление клеток растений русский ученый И. Д. Чистяков в 1874 г. Деление животных клеток первым описал чешский ученый П. И. Перемежко в 1878 г.

7

Ф. Энгельс. Анти-Дюринг. М., 1948, стр. 77.

8

Для обозначения порядка расположения аминокислот в белковой цепочке применяются следующие сокращения: лиз. — лизин, глут. — глутамин, тре. — треонин, ал. — аланин, фен. — фенилаланин, арг. — аргинин, сер. — серин, асп. — NH_2— аспарагиновая кислота, гис. — гистидин, мет. — метионин, цис. — цистин, прол. — пролин, изол. — изолейцин.

9

Латинская приставка «де», или «дес», означает «лишать».

10

Кибернетика — греческое слово, что означает искусство управления. Это наука об общих закономерностях процессов управления и связи в организованных системах — машинах и живых организмах.

11

Комбинации импульсов называются кодами.

12

«Мессенджер» — по-английски означает курьер.

Content

Владимир Фурсов
ТРИ ТАЙНЫ ЖИЗНИ

Введение

Создатель эволюционной теории

Учение об отборе

Клетка — элементарная основа организмов

Белки — основа жизни

Нуклеиновые кислоты

Синтез белков

Рекомендуем почитать

Примечания