Немного о ДНК    

Давно стало привычным утверждение, что каждый орган выполняет преимущественно какую-то одну работу. Например, сердце перегоняет кровь, слюнные железы вырабатывают слюну, в кишечнике переваривается пища. Клетки высших организмов специализированы еще более, чем органы; мы уже говорили об этом, когда писали про инфузорий. Специализированы и отдельные части клеток: есть и такая часть, которая управляет наследственностью.

Сейчас твердо установлено, что наследственность — иными словами, способность воспроизводить подобное себе потомство,— определяется клеточным ядром, точнее, входящим в его состав веществом, которое называется дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно — ДНК. Молекулы ДНК по сравнению с молекулами других веществ очень длинные. Например, длина молекулы бактериальной ДНК — 56—58 микрон (то есть двадцатая часть миллиметра). Вообще-то говоря, считать нить ДНК такой же молекулой, как, скажем, молекулы воды или серной кислоты, не совсем верно; но это название укоренилось, и вещества с такими большими молекулами называют высокомолекулярными или макромолекулярными.

Внутренней частью обеих цепочек, так сказать, «порожками» лестницы, служат азотистые основания — пурины и пиримидины; ее «перилами» являются фосфорно-углерод- ные соединения.

Криворожское месторождение железняка и железорудные отложения в районе Великих озер в США известны на весь мир. А ведь эти отложения результат деятельности железобактерий.

Многие миллиарды железобактерий погибали. Их оболочки, содержащие нерастворимый гидрат окиси железа, постепенно превращались в железняк.

Особенно богата была земля этими бактериями около 2 миллиардов лет назад. Вот тогда-то и образовались основные массивы железных руд.

Но железобактерии приносят людям и немало хлопот: ржавчина, появляющаяся, например, на трубах часто обязана своим происхождением железобактериям.

Строение молекулы ДНК было описано в первой половине 50-х годов двумя учеными — Уотсоном и Криком (за это они получили Нобелевскую премию). Удобства ради в разговоре называют одну цепочку молекулы ДНК Уотсоном, а другую Криком. Давайте и мы впредь придерживаться этого шутливого обозначения.

У молекулы ДНК есть два очень важных свойства: во- первых, это способность воспроизводить другую такую же молекулу — копию исходной; во-вторых, направлять всю деятельность клетки, регулируя синтез белков.

Рассмотрим первое свойство ДНК — способность к самовоспроизведению. Оно происходит следующим образом. Обе цепочки молекулы — Уотсон и Крик — как-то разъединяются, может быть, немного расходятся (это еще до конца не изучено), и на Уотсоне начинает образовываться новый Крик, а на Крике — новый Уотсон. При этом новая цепочка зеркально повторяет старую. Зеркально здесь означает не только точно: новая цепочка относится к старой, как оттиск к печати — каждой выпуклости соответствует впадина. Самовоспроизведение заканчивается образованием двух молекул; у каждой из них одна цепочка новая и одна старая.

Процесс этот очень точный, и немудрено — ведь здесь происходит, в сущности, копирование с уже готового образца-матрицы. Вот откуда идет сходство предков и потомков!

На старинных монетах можно увидеть профиль императоров династии Габсбургов, правившей Австрией несколько веков; у всех выдающийся вперед подбородок — так называемая габсбургская челюсть. Да что Габсбурги! Наверное, каждый может припомнить какую-нибудь фамильную черту либо в своей семье, либо в семье знакомых. А в основе этого сходства, сходства отцов и детей, лежит точное воспроизведение молекулы ДНК.

Хорошо, скажете вы, понятно, почему ДНК императора Леопольда II Габсбурга была похожа на ДНК императора Рудольфа III Габсбурга (жившего на 250 лет позднее), почему в обеих ДНК был один и тот же порядок азотистых оснований, но причем же форма их нижней челюсти? Тут мы подходим к другому важному свойству ДНК — регулированию деятельности клетки, а следовательно, и всего организма.

ДНК составляет довольно малую часть всей массы клетки. Основная масса ее — это белки, которые и определяют развитие всех признаков организма, в том числе и цвет волос, глаз, черты лица — то, что прежде всего бросается в глаза, когда сравнивают родителей и детей. Особые белки — ферменты — управляют бесчисленными химическими реакциями внутри самой клетки.

Оказалось, что на молекуле ДНК образуются молекулы другого вещества — рибонуклеиновой кислоты, или РНК, которая и заведует синтезом белков. Белковая молекула довольно длинная, но, как и молекула ДНК, состоит простых «кирпичиков» — только не из азотистых оснований, а из аминокислот. Аминокислотный состав белка зависит от последовательности азотистых оснований в молекуле ДНК; при этом три азотистых основания соответствуют одной аминокислоте. Таким образом, ДНК через промежуточное вещество — РНК -— определяет состав белков.

Эта сторона работы ДНК — контролирование синтеза белков — сейчас усиленно изучается. По всей видимости, цепи молекулы ДНК в этом роде деятельности неравноценны — синтезом белка управляет одна из них, допустим^ Уотсон.

Значит, каждый белок организма — а их так много, этих белков! — имеет свое представительство в молекуле ДНК? Да. И такой участок ДНК называется геном. Тут, впрочем, следует оговориться. Во-первых, ДНК «в чистом виде», как огромная нить — молекула, есть лишь у фагов, некоторых вирусов и бактерий. У всех остальных организмов ДНК собрана в сложные структуры, называемые хромосомами. Во-вторых, вначале изучают не тот или иной белок как химическое соединение, а признак, определяющийся этим белком. Поясним это примером.

Бывают люди, у которых очень бледная кожа, белые волосы и красные, как у кроликов, глаза. Такой комплекс признаков называется альбинизмом,

Эта особенность бросается в глаза и известна с незапамятных времен. Но не так давно обнаружили, что у альбиносов отсутствует особый белок-фермент, синтезирующий пигмент — вещество, окрашивающее глаза, волосы, и кожу. Такова «биохимическая механика» видимого признака. Так как известны далеко не все белки-ферменты, то удобнее говорить не о белке, а о видимом признаке, и не об участке ДНК, а об участке хромосомы. Связь определенных участков хромосом с определенными признаками хорошо изучена. Существуют даже так называемые карты хромосом, на которые нанесены области представительства признаков, или гены.

о полезных ошибках природы

Итак, ген — это участок ДНК, заведующий синтезом определенного белка, или участок хромосомы, управляющий развитием определенного признака. Теперь понятно, почему белые овцы Лавана давали, в основном, белый приплод (помните начало этой главы?). А как современная генетика объясняет появление пестрых ягнят?

Мы говорили, что удвоение молекул ДНК идет так же точно и аккуратно, как снятие оттисков, или, лучше сказать, как копирование одного и того же текста при многократной переписке. При переписке... А не могут ли возникать ошибки при этой переписке?

В самом деле! Допустим, что изменилось одно-единственное азотистое основание. Подобно тому как при изменении одной буквы может исказиться смысл, так при изменении одного азотистого основания вместо одной аминокислоты появляется другая. А это может изменить свойства белка, и, значит, изменится и видимый признак. Но бывают ли такие явления при самокопировании ДНК?

Оказывается, бывают. Более того, идут все время. Все подвержено изменениям, может меняться и состав молекулы ДНК. Изменения эти называются мутациями. Мутации отдельных генов в обычных условиях случаются очень редко, но, раз возникнув, передаются по наследству с таким же постоянством, как любая, особенность строения ДНК. Иногда, правда, может случиться так называемая обратная мутация — возвращение измененного участка к прежнему типу строения.

Мутации — хорошо это или плохо? Дать определенный ответ не так просто. Плохо потому, что большей частью они ломают какие-то, уже установившиеся приспособления, могут привести к наследственным болезням, даже к смерти. Хорошо потому, что с помощью мутаций весь растительный и животный мир может приспосабливаться к меняющимся условиям. Короче говоря, на вопрос «что такое хорошо и что такое плохо» можно ответить: смотря по обстоятельствам.

В биологии показателем того, что какому-то виду животных «хорошо», служит число животных этого вида и широта их распространения. Допустим (даже не допустим, а просто припомним учебник зоологии), в стаде появилась коротконогая, плохо бегающая овца.

Один из первых вопросов, на который должны будут ответить доставленные на Марс или Венеру контейнеры: есть ли там жизнь, хотя бы в самом примитивном ее проявлении. Появились сообщения о проектах приборов, которые смогут передать на Землю информацию об этом. Прибор «Мультиватор» работает примерно на том же принципе, что и вытяжной вентилятор. Труба засасывает пыль, которая поступает в специальные камеры, содержащие вещества, реагирующие с белками. Другой прибор ловит микробов примерно так, как когда-то ловили птиц индейцы, намазывая ветки деревьев клеем. На этом принципе основано действие прибора «Гулливер Марк 2». Аппарат выбрасывает провод, обмазанный клейкой субстанцией, а затем втягивает его внутрь. Провод погружается в питательный раствор, в котором могут жить все известные на Земле микроорганизмы. Если бактерии или иные живые организмы на этой планете похожи на наши, то они размножатся и изменят при этом состав питательного раствора.

Можно привести и пример из генетики человека. Есть наследственное заболевание — серповидноклеточная анемия. Красные кровяные тельца при этом измененной формы — не круглые, а несколько вытянутые и при некоторых обстоятельствах склеиваются между собой. Это склеивание может привести (и приводит) какой-то процент больных к смерти. Казалось бы, плохо. Однако в крови таких людей не живет возбудитель малярии, и в местности, где население болеет малярией, люди с измененными кровяными тельцами этой болезнью не страдают. Так как малярия зло в общем большее, чем серповидноклеточная анемия, то там, где распространена малярия, эта мутация оказывалась полезной. В результате среди населения тех мест, где испокон веков водился малярийный комар, сравнительно много людей с измененными кровяными шариками.

...Значит, Иаков имел дело с мутацией окраски шерсти. А можно ли управлять мутациями и вызывать только нужные? Каковы вообще закономерности появления наследуемых изменений?

Этот вопрос ответственный и трудный. Ответственный потому, что именно эта область генетики теснее всего связана с практикой. И трудный потому, что наследственный материал очень неподатлив, изменить его не так просто.

Получилось так, что вокруг правил наследования признаков вырос целый лес предрассудков и небылиц. Ну, конечно, тот способ, которым пользовался Иаков для получения пестрого скота, кажется, мягко выражаясь, наивным. Но разве подобные поверья не бытовали у многих народов? Ведь считалось, что беременной женщине лучше не смотреть на калек, а то родит урода. У ребенка на коже красные родимые пятна, значит, мать когда была на сносях, глядела на пожар. Помните строчки из пушкинской «Сказки о мертвой царевне и семи богатырях»?

Вишь, какая подросла! И не диво, что бела,: Мать беременна сидела, Да на снег лишь и глядела!

И теперь иногда можно услышать, что, дескать, если у одного из родителей нет руки, то и ребенок родится безруким. Так может быть в том случае, если тот или иной физический недостаток родителей врожденный. Например, есть наследственное заболевание, при котором у пальцев не три, а только два сустава,— у таких родителей дети могут родиться с укороченными пальцами. Но если палец у отца или матери, скажем, отрублен топором, то это никак не отразится на детях.

Так какие же изменения наследуются и какие — нет? Ведь сказать, что наследуются только врожденные признаки,— это значит не сказать ничего. Обычно пишут, что наследуются только те изменения, которые меняют наследственный аппарат (то есть ДНК) клетки. Это все верно и понятно, но как их отличить от ненаследственных? Проверить, изменился ли состав ДНК, всякий раз невозможно, да и такой анализ не даст нужных сведений.

Прежде всего следует посмотреть, появится ли этот признак у потомства и каковы будут закономерности этого появления (оба родителя несут этот признак, или один, у всех потомков он проявился, или не у всех и т. д.). Кроме того, можно пользоваться несколькими вспомогательными правилами.

На V Международном симпозиуме по астронавтике во Флоренции астроном из Парижской обсерватории сообщил о результатах измерений поляризации солнечного света, отраженного от поверхности Марса. Свет, отраженный поверхностью пустынь, обнаруживает поляризацию, характерную для минерала лимонита (водной окиси железа). Поляризация же света, отраженного от других, темных областей поверхности Марса, не отвечала свойствам известных на Земле веществ. Есть предположение, что во время марсианского лета полярные ледяные шапки уменьшаются в размерах, и испарения и влага движутся к экватору и способствуют размножению микроорганизмов в поверхностном слое темных областей. Эти марсианские микроорганизмы могли вызвать и аномальную поляризацию света.

Во-первых, наследственные изменения какого-либо признака в общем очень редки — на миллион любых живых существ в среднем приходится одно, несущее данную мутацию (если, конечно, нет причин, ускоряющих появление мутации). Во-вторых, чтобы это изменение коснулось клеток всего организма, нужно, чтобы оно было заложено в половых клетках, из которых этот организм потом разовьется (это значит — если хочешь получить наследственные изменения у потомков, действуй не на потомков, а на родителей). В-третьих, наследственные изменения не соответствуют вызвавшей их причине.

Это нужно понимать таким образом. Выше мы говорили о том, что все свойства клеток, а следовательно, и слагающегося из них организма, определяются порядком азотистых оснований молекулы ДНК. Значит, вопрос сводится к тому, может ли ДНК, упрятанная в глубине клетки, да еще половой, мало доступной для внешних воздействий, «различать», что это за воздействия? Да еще меняться, и меняться «разумно», в соответствии с воздействием: допустим, после охлаждения давать морозоустойчивое потомство? Нет, конечно. Да и не говоря об открытиях биохимии последних лет, ведь вся практика животноводства противоречит этому. Если бы наследственность зависела от условий питания, воспитания и т. д., то ничего -не стоило бы, скажем, «раскормить» таксу в волкодава или заставить мула ожеребиться (мул — помесь кобылицы и осла — как правило, бесплоден).

Значит, наследственностью нельзя управлять? Можно только терпеливо отыскивать мутации и выводить после этого новую породу? Нет, не совсем так, вернее, совсем не так.

Уже больше сорока лет известно, что некоторыми воздействиями— рентгеновским и другим видами облучения, обработкой рядом веществ — можно очень сильно, в тысячи раз, повысить частоту природной изменчивости. Искать после этого нужные изменения уже значительно легче. Более того, сейчас химики и генетики стараются «подобрать ключи» если не к каждому гену в отдельности, то хотя бы к группам генов — найти вещества, избирательно действующие лишь на те или другие участки хромосом. Только не нужно обманывать себя — работы здесь еще непочатый край. Но и с помощью отбора природных мутантов человек сделал очень немало — посмотрите, например, на разнообразие пород собак! Ведь поразительно, как отличается крохотная болонка от дога или борзой. А ведь все они произошли, в конечном счете, только от двух предков: шакала и волка.

Тут нужна еще одна оговорка. У нас получилось, что единственный источник изменчивости всех живых существ— мутации. Так-то оно гак, но нельзя забывать и о скрещиваниях и возникающих при этом новых комбинациях признаков. Очень часто бывает, что противоположные признаки потомства не просто «складываются» или «вычитаются», а дают нечто новое, непохожее на то, что было у каждого из родителей. Поэтому половое размножение, при котором происходит обмен наследственным материалом, если можно так сказать, гораздо выгоднее бесполого. Ниже мы увидим, каким образом некоторые микробы, у которых нет полового размножения в точном смысле этого слова, восполняют этот недостаток.

Кстати, пора и о микробах. Мы совсем забыли о них, а ведь они играют в исследованиях по генетике чуть ли не основную роль.