Глава 4. Под микроскопом

Глава 4. Под микроскопом

Капельки жизни

Самые маленькие из живых организмов называются protozoa, или простейшие. Некоторые из них едва видны невооруженным глазом, но большинство имеют микроскопические размеры. Именно поэтому они изучаются под микроскопом.

Представитель простейших, например амеба, состоит из крошечной капли желеобразной жидкости, называемой протоплазмой. Эта капля протоплазмы отделена от воды, в которой живет амеба, очень тонкой мембраной. Протоплазма, отделенная мембраной от внешней среды, называется клеткой.

Хотя амеба и имеет микроскопический размер, она выполняет все существенные жизненные функции. Она может захватывать частицы пищи, которые меньше ее по объему, переваривать их и выбрасывать непереваренные остатки. Она может обнаружить опасность и в этом случае переместиться, чтобы избежать ее. Она может расти, и когда она дорастет до определенного размера, то может разделиться надвое так, что на месте одной амебы сформируются две. Когда амеба разделится надвое, появившиеся новые дочерние клетки будут иметь все характеристики старой родительской клетки.

Было бы разумно полагать, что если бы мы поняли, как клетка делится на две клетки, сохраняя все свои особенности, то это могло бы стать отправной точкой для изучения того, как эти особенности передаются у более крупных организмов, существ, например у людей.

Простейшие состоят из одной-единственной клетки. Животные большие, чем простейшие, состоят из множества клеток, тесно прилегающих друг к другу. Так как каждая из этих клеток имеет приблизительно тот же размер, что и клетка protozoa, то для того, чтобы образовать крупное животное, их требуется достаточно много. Человек, например, состоит из триллионов и триллионов микроскопических клеток. Каждая человеческая клетка состоит из протоплазмы; каждая окружена клеточной мембраной. Животные, состоящие из множества клеток, называются metazoa. Человек тоже принадлежит к metazoa.

Единственная клетка protozoa — своего рода мастер на все руки. Она может сделать все понемногу. В metazoa клетки имеют разную специализацию. В человеке, например, есть длинные тонкие клетки, составляющие мускульную ткань, которые становятся короткими и толстыми, когда мускул напрягается. Есть нервные клетки с неровным контуром, которые передают сообщения от одной части тела к другой. Есть клетки кожи, которые служат упругой защитой для остальных частей тела.

Некоторые из этих различных клеток, например, те, которые составляют мозг и нервы, стали настолько специализированными, что потеряли способность делиться. Другие виды клеток, однако, продолжают делиться в течение жизни или, по крайней мере, могут делиться всякий раз, когда это становится необходимым. Например, внешние клетки кожи постепенно изнашиваются на протяжении жизни. По этой причине клетки более глубоких слоев кожи непрерывно растут и делятся, чтобы заменить утерянные клетки.

Процесс деления человеческих клеток является почти таким же, как и процесс деления клеток protozoa. Человеческие клетки сохраняют свои характеристики после деления так же, каю и клетки protozoa. Фактически, процесс деления приблизительно одинаков во всех клетках. Чтобы исследовать этот процесс, давайте поближе обратимся к клетке.

Вначале все клетки, которые растут и делятся, состоят из двух частей. Где-то в пределах клетки, часто около ее центра, имеется маленькое пятно протоплазмы, отделенное от остальной части клетки мембраной еще более тонкой и нежной, чем внешняя мембрана клетки. Эту внутреннюю часть клетки называют ядром. Протоплазма, окружающая ядро, называется цитоплазмой.

Из этих двух частей клетки ядро является наиболее важным. Предположим, что амеба разделена надвое микроскопическим острием иглы таким способом, что одна половина содержит целое ядро, в то время как другая половина не содержит ядра. Половина с ядром сможет восстановить отсутствующую часть и будет после этого продолжать жить обычной жизнью, растя и делясь. Половина без ядра живет лишь в течение короткого времени, но после этого высыхает и умирает. Она не растет и никогда не делится.

Итак, теперь давайте остановимся поподробнее на самом ядре. Если мы сделаем очень тонкие срезы тканей некоторых органов и разместим их под микроскопом, то сможем увидеть отдельные клетки и даже, возможно, клеточные ядра в пределах клеток. Если мы ограничимся только рассматриванием, то ничего особенного мы в ядре не увидим. Но мы не будем этим ограничиваться.

Ядро, как и клетка в целом, составлено из большого числа различных веществ. Некоторые химические вещества при добавлении в воду, в которую помещена пластина с тканью, могут проникнуть в клетки и соединиться с некоторыми, но не со всеми веществами, которые там находятся. Полученные химические соединения иногда окрашены в тот или иной цвет. Добавляя необходимое химическое вещество в клеточную ткань, мы окрашиваем некоторые части клетки и оставляем нетронутыми другие ее части. Когда, например, препарат под названием реактив Feulgen добавляется в клетку, рассеянные части ядра приобретают ярко-красную окраску (окраска по Фельгену). Эти части называют хроматином (от греческого слова, означающего «цвет»). Если препарат добавляется в клетки на различных стадиях деления, поведение хроматина может стать видимым для нас, и именно его поведение и является ключом к интересующей нас ситуации.

Как делятся клетки

В самом начале процесса деления клетки хроматин ядра начинает собираться в маленькие нитевидные формы. Эти нити хроматина называют хромосомами. Число хромосом разное в клетках различных видов животных. У мухи, например, только восемь хромосом в ее клетках, а у лангуста — более ста. Все клетки любого животного одного вида (об исключениях мы будем говорить в следующей главе) имеют то же самое число хромосом. В человеческих клетках, например, хроматин во время процесса деления клетки собирается ровно в 48 хромосом.

Поскольку хроматин в течение деления клетки собирается в небольшие нитевидные формы, процесс деления клетки называется митозом, от греческого слова «нить».

После того как сформировались хромосомы, ядерная мембрана исчезает, и вещества из ядра смешиваются с цитоплазмой. Хромосомы тем временем вытягиваются поперек клетки посередине.

Это — решающий момент. Его называют метафазой. Хромосомы остаются в середине клетки, и через некоторое время каждая хромосома внезапно дублируется хромосомой-компаньоном, выстраивающейся в линию рядом с первоначальной хромосомой. В делящейся клетке человека число хромосом, таким образом, увеличивается с 48 до 96 в метафазе.

После метафазы все происходит довольно-таки быстро. Сначала хромосомы отделяются друг от друга. Один набор в 48 хромосом (в человеческих клетках) перемещается в один конец клетки. Другой набор в 48 хромосом — в другой конец клетки.

Хромосомы в каждом конце клетки затем охватываются новыми ядерными мембранами. В течение короткого времени клетка обладает сразу двумя ядрами. В пределах каждого ядра хромосомы начинают развертываться и теряют свою нитевидную форму. Но они не распадаются и не растворяются. Это можно сравнить с тем, как если бы сильно натянутая струна, после того как ее отпустили, вдруг ослабла и стала бы длинной и закручивающейся. Именно так хромосомы развертываются в хроматин и пребывают в ожидании следующего разделения клетки, когда они еще раз формируют хромосомы.

После того как эти два ядра сформировались в противоположных концах клетки, клетка начинает в середине суживаться. Середина становится все более и более узкой, пока клетки не обособятся. У protozoa две получившиеся клетки отсоединяются друг от друга и становятся двумя отдельными индивидуумами. У metazoa две дочерние клетки остаются на месте. Новая клеточная мембрана, однако, теперь отделяет две части того, что когда-то было одной клеткой.

Теперь вернемся к метафазе. Одна необычная вещь, которая может нас заинтересовать в процессе митоза, — удвоение хромосом. Все остальное — просто вопрос деления вещества клетки на две равные части и отделение их друг от друга мембраной.

Вы можете спросить: «Не происходит ли то же самое и с хромосомами? Не делится ли каждая хромосома просто по ее длине, становясь двумя хромосомами?»

Чтобы ответить на этот вопрос, нам недостаточно заниматься рассмотрением только самой клетки или даже ядра. Мы должны обратить наше внимание на саму хромосому.

Внутри хромосомы

Теперь мы имеем дело с объектами, которые являются настолько крошечными, что мы должны остановиться, чтобы обдумать, до сколь маленьких размеров мы вообще можем так или иначе добраться. Как все мы, живущие в век атомной бомбы, вероятно, знаем, весь мир состоит из атомов. Атомы — чрезвычайно малые объекты. Хромосома, которая является достаточно большой, чтобы быть замеченной с помощью микроскопа, содержит в себе много миллиардов атомов.

Атомы бывают ста различных типов, некоторые из них являются более простыми, чем другие. За редкими исключениями атомы связаны вместе в группы. Иногда такая группа состоит из атомов только одного вида. Чаще группа состоит из двух или более различных видов атомов. Иногда эти группы могут быть составлены только из двух атомов каждая, иногда из полдюжины, иногда из нескольких миллионов. В любом случае, группу атомов, состоит ли она из одного вида или из многих, содержит ли она два атома или два миллиона, называют молекулой.

Каждый из различных типов известных нам веществ (а таких — многие сотни тысяч) состоит из молекул своего собственного вида. Каждый из различных видов молекулы имеет свой собственный набор свойств и характеристик.

Например, если вы делите кусок того или иного вещества, например сахара, надвое, каждая его часть все еще будет сахаром. Если вы продолжаете делить сахар на меньшие и меньшие части, каждый фрагмент — все еще сахар. Даже если было бы возможно делить сахар так точно, чтобы разделить его на отдельные молекулы (миллиарды триллионов молекул), каждая молекула оставалась бы сахаром. Молекула, однако, — наименьшая частица, которая может сохранить характеристики вещества, которое она составляет. Если бы вы должны были разделить молекулу сахара надвое, вы остались бы с двумя группами атомов, каждая из которых представляет собой половину размера первоначальной молекулы. Пи одна из новых групп, однако, уже не была бы сахаром.

Это то же самое, как если бы вы взяли класс из 16 учеников и разделили бы его на два. Вы тогда бы имели два класса по 8 учеников в каждом. Вы могли продолжить и сделать 4 класса но 4 ученика в каждом, 8 классов по 2 ученика в каждом или даже 16 классов по 1 ученику в каждом. Но на этом вы должны были бы остановиться. Если бы вы попробовали продолжить этот увлекательный процесс и сформировать 32 класса по половине ученика в каждом, вы остались бы без классов вообще, без каких-либо учеников, но зато с серьезными неприятностями с полицией.

Теперь позвольте нам вернуться к хромосоме. Хромосома составлена из вещества, названного нуклеопротеином. Нуклеопротеиновая молекула имеет огромный размер но сравнению с большинством молекул. Она в миллион или более раз больше, чем, например, сахарная молекула. (Даже и в этом случае все еще слишком маленькая для того, чтобы быть замеченной под обычными микроскопами.) Хромосома — нить из нескольких тысяч этих гигантских нуклеопротеиновых молекул, соединенных вместе.

Теперь вообразите себе, что случилось бы, если бы каждая хромосома должна была расколоться посередине в метафазе и стать двумя хромосомами. Это походило бы на разрыв жемчужного ожерелья. Вы не имели бы больше двух жемчужных ожерелий, просто два набора из кучек жемчуга, и больше ничего.

Теперь мы можем ответить на вопрос, которым закончили предыдущий раздел. Хромосомы так просто не разделяются посередине, становясь двумя хромосомами в метафазе. Если бы хромосома была раздроблена посередине, каждая нуклеопротеиновая молекула была бы разрушена. Вместо того чтобы иметь две хромосомы, мы не имели бы ни одной.

Следовательно, для того чтобы каждой хромосоме стать уже двумя хромосомами в метафазе, одна из них должна быть создана заново из более простых материалов.

Как это делается? Точно не знает никто. Многие ученые изучают этот процесс. Как только они получат полный ответ, они будут иметь в своем распоряжении один из важных ключей к знанию природы самой жизни.

В грубом приближении тем не менее это, кажется, осуществляется следующим образом: протоплазма в клетке содержит различные простые вещества, которые могут быть соединены, чтобы сформировать хромосому. (Подобно частям мозаики, когда вы видите, какая из них при правильном соединении с другими может составить большую картину.) Некоторые из этих веществ называют аминокислотами. Другие называют пуринами, пиримидинами, пентозами и ионами фосфата. Некоторым образом эти простые вещества вытягиваются из протоплазмы и выстраиваются в линию около различных хромосом. Расположение веществ таково, что каждая аминокислота в каждой хромосоме имеет подобную аминокислоту рядом с собой; каждый пурин соседствует с подобным же пурином и т. д. Когда построение закончено, все эти маленькие молекулы и ионы соединяются вместе, и в итоге мы имеем вторую хромосому рядом с первой. Так как вторая хромосома составлена из точно таких же молекул и ионов, что и первая, и выстроена в линию в том же самом порядке, то мы имеем точный дубликат первой хромосомы. Первая хромосома действовала как своего рода модель, но которой вылеплена вторая.

Процесс, которым химическая структура формирует другую структуру только и непосредственно из материалов в протоплазме, известен как самовоспроизводство.

Суммируя, таким образом, то, что происходит в делящейся клетке человека в метафазе, мы видим, что каждая из этих сорока восьми хромосом в клетке самовоспроизводится. Сформированный второй набор хромосом является точным дубликатом первого набора. Два набора двигаются в противоположные концы клетки, и, когда клетка делится, каждая дочерняя клетка имеет свой собственный набор хромосом.

Ферменты и гены

Мы увидели, что клетка содержит множество различных веществ, которые могут использоваться как сырье в изготовлении сложных структур тина хромосом. Каждая клетка, фактически, содержит в пределах своей микроскопической структуры много тысяч различных химикатов. Эти химикаты непрерывно сталкиваются и объединяются друг с другом, обмениваются атомами, раскалываясь и обособляясь, перестраивают атомы в пределах своей собственной структуры и т. д. Действия подобного рода называются химическими реакциями.

Как вам может показаться из этого описания, события в пределах клетки должны быть очень запутанными, молекулы снуют туда-сюда, подобно людям, сталкивающимся друг с другом на переполненной железнодорожной станции. Однако есть один тип молекулы, который привносит порядок и смысл в химические реакции, имеющие место в пределах клетки. Это — ферменты. Ферменты — сравнительно большие молекулы, которые способны оказать влияние на течение некоторых химических реакций. Каждый фермент может влиять на одну специфическую химическую реакцию, так как вблизи него происходит только она, и никакая другая.

В пределах одной клетки различные ферменты, видимо, расположены упорядоченным образом. Например, множество ферментов — части маленьких структур в пределах цитоплазмы клетки. Эти структуры называют митохондриями. Подобно хромосомам, митохондрии составлены из нуклеопротеина. Нуклеопротеин митохондрии имеет, однако, химически отличный от хромосомного тип.

Мы можем рассмотреть клетку как нечто подобное микроскопической фабрике. Молекулы всех видов поступают в наш организм из воздуха и из пищи, которую мы едим, и переносятся к индивидуальным клеткам потоками крови. Это напоминает путь, каким уголь, сталь, каучук и другое сырье поставляются на фабрики поездами и судами.

В клетке эти молекулы разрушаются, чтобы в результате отдать энергию, или же они выстраиваются, чтобы сформировать более сложные молекулы. Это все подобно тому, как фабрики сжигают уголь, чтобы получить энергию, или используют сталь и другие материалы, чтобы создать сложную структуру, подобную автомобилю или самолету. Каждая химическая реакция в клетке управляется ферментом, подобно тому как каждое действие на фабрике управляется каким-либо рабочим. Ферменты организованы в митохондриях так же, как рабочие поставлены вдоль сборочных линий.

Так же как фабрика не могла бы сделать ничего существенного, например, если бы все рабочие бастовали, так и клетка не может ничего создать без тысяч ее ферментов. Но тогда откуда же берутся сами ферменты? Это — важный вопрос. Лучший ответ, который мы пока знаем, следующий: ферменты формируются нуклеопротеиновыми молекулами в пределах хромосом.

Как мы сказали, хромосома состоит не из единственной нуклеопротеиновой молекулы, но из тысяч таких растянутых молекул. Каждую нуклеоиротеиновую молекулу называют геном.

Гены имеют два важных свойства. Первое — способность самовоспроизводства в течение митоза, — процесс, объясненный в разделах «Как делятся клетки» и «Внутри хромосомы». Второе — способность произвести фермент. Точный процесс производства фермента еще неизвестен. Возможно, весь ген используется как модель для другого гена, и только некоторая часть гена используется как модель для фермента.

Некоторые ученые полагают, что каждый ген имеет способность формировать один специфический фермент, и никакой другой. Другие полностью не убеждены в том, что гены столь специализированны. Кажется довольно обоснованным, однако, что характер генов, представленных в хромосомах клетки, определяет характер ферментов в клетке. Так как ферменты контролируют химические реакции, гены управляют химией клетки. После разделения клетки каждая дочерняя клетка имеет идентичные гены и поэтому идентичный химический состав. Это результат самовоспроизводства в митозе: обе дочерние клетки имеют идентичные гены.

Гены и физические характеристики

Теперь, когда мы показали, как клетки сохраняют свои характеристики после деления, вы можете задаться вопросом, как все это относится к проблеме человеческих рас. Применение всего этого следующее: физические характеристики, которые мы упоминали в предыдущей главе, определены химией клетки. Все то, что каким-то образом затрагивает химию клетки, может так или иначе затронуть телесные физические характеристики.

В качестве примера давайте рассмотрим цвет кожи.

Большая молекула пигмента меланина сформировывается в клетках кожи из намного меньшей молекулы, названной тирозином. (Тирозин бесцветен и присутствует во всех клетках.) Конкретные этапы этого процесса все еще неизвестны, но один из известных нам первых шагов требует присутствия фермента, называемого тирозиназой. В клетках кожи большинства людей есть но крайней мере один ген, работа которого должна привести к образованию тирозиназы. Если ген имеет вид, который может формировать значительные количества тирозиназы, клетка кожи походит на хорошо укомплектованную фабрику. Формируются значительные количества меланина, и человек, обладающий этим геном, имеет поэтому темно-коричневую кожу, черные волосы и темно-карие глаза. Если ген имеет вид, который производит только небольшое количество тирозиназы, будет верным обратное. Будет сформировано лишь небольшое количество меланина, и человек будет иметь бледную кожу, светлые волосы и светлые глаза. Кроме того, есть некоторые люди, чьи гены не формируют тирозиназы вообще. Так как в их клетках нет даже небольшого количества тирозиназы, у них не может быть и меланина. Такие люди имеют очень светлую кожу, белые волосы, и у них нет вообще никакой пигментации радужной оболочки глаз. (Их глаза выглядят красноватыми, потому что маленькие кровеносные сосуды проступают через прозрачную бесцветную радужную оболочку.) Таких людей называют альбиносами. Если вы когда-либо встречали альбиноса, то лично смогли убедиться в том, какое потрясающее воздействие на физическое состояние человека может иметь присутствие или отсутствие только одного гена.

Есть и другие ферменты, и поэтому многие другие гены вовлечены в формирование меланина. Цвет кожи по этой причине более сложен, чем это могло бы показаться из того, о чем мы пока рассказали.

Другая физическая характеристика, которую мы могли бы рассмотреть, — рост. Один из химических факторов, которые влияют на рост человека, известен как гормон роста. Это вещество формируется в клетках маленькой структуры, названной гипофизом, который расположен прямо под мозгом. Гормон роста проникает из гипофиза в кровяной поток. Кровь несет его ко всем частям тела, так или иначе (снова мы не знаем точные детали) поощряя клетки расти и делиться.

Если нет других факторов, которые могли бы быть рассмотрены в сочетании с ним (например, диеты или болезни), человек с большим количеством гормона роста в крови будет расти более быстро, чем человек с меньшим количеством этого гормона. Он, вероятно, станет большим и очень высоким. Есть люди, у которых по некоторым причинам гипофизом производится лишь очень небольшое количество гормона роста. Такой человек вообще едва растет, и в результате он остается карликом. Наоборот, некоторые люди имеют излишнюю выработку гормона роста, и в результате они превращаются в гигантов. Карлики и гиганты, которых мы видим на представлениях в цирке, — результат недостатка или излишка гормона роста.

Гормон роста формируется в гипофизе под контролем ферментов. Количество гормона роста поэтому зависит, по крайней мере частично, от количества некоторых ферментов, сформированных в клетках. Это, в свою очередь, зависит от характера генов, отвечающих за формирование этих ферментов. Так что рост, подобно цвету кожи, зависит от природы генов, которыми человек обладает.

Подобные аргументы могут быть выдвинуты для любой физической характеристики. Это всегда вопрос гена. По этой причине логично предположить, что, если мы хотим преуспеть в делении людей на расовые группы, мы должны сначала изучить все, что мы можем узнать о том, как гены передаются от родителей детям.