Биология

Раньше нам казалось, что количества ДНК явно не хватает. Однако попробуем опре-делить объем в битах. Вспомним слова великого физика лорда Кельвина: «Если вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в числах, то вы что-то знаете об этом предмете; если же вы не в состоянии ни измерить, ни выразить это в числах, то ваши знания предмета скудны и неудовлетворительны». Несложный подсчет показывает, что в ДНК млекопитающих заключено 4 — б миллиардов бит информации, что соответствует библиотеке в полторы-две тысячи томов.

Не забудьте, что этот запас содержится в яйцеклетке или головке спермия, имеющей микронные размеры!

Достаточно ли такого массива информации для постройки фенотипа. Задав вопрос, ученые спохватились: ведь мы же не умеем оценить сложность фенотипа количественно. В принципе любую структуру, в том числе и структуру организма, можно описать с весьма высокой точностью. Представим, что мы разрежем организм на серию последовательных, идущих друг за другом срезов. Расположение структур на каждом из срезов можно описать в двухмерной системе координат и выразить объем этой информации в битах. Детальность описания зависит от толщины среза.

Допустим, толщина среза у нас будет один ангстрем — это величина, близкая к пределу разрешающей способности лучших современных электронных микроскопов. Но тогда, скажем, для описания фенотипа человека ростом в 180 см придется сделать и описать 18 миллиардов таких срезов! Ясно, что таких опытов никто не проделывал. Структуру поменьше и с меньшим уровнем разрешения, например, бактериальную клетку описать можно.

Но в теории информации существует правило: при передаче по любому каналу информация может только теряться за счет помех, но никак не увеличиваться. Значит, информация, потребная для описания структуры «человек», не может превышать четырех миллиардов бит (Это предел, поскольку число нуклеотидов в ДНК человека равно двум миллиардам.) На самом же деле ее должно быть существенно меньше. Если в канале информации есть помехи (а они есть в любом канале), информация генотипа должна быть избыточной, многократно повторяться, для устранения помех.

Так и в канале информации от ДНК к признакам организма: не будь генетическая информация высоко избыточной, новое поколение из-за случайных помех в развитии не походило бы на родителей. Но мы то знаем, как удивительно точно черты родителей проявляются в потомстве. Еще более разительный пример точности передачи генетической информации — одно яйцевые близнецы — братья и сестры, развившиеся из одной разделившейся яйцеклетки. У них идентичные наборы генов— поэтому только у близнецов удаются пере-садки тканей и органов, их путают даже хорошие знакомые и не могут различить по запаху собаки. Значит, информация, заключенная в генотипе„избыточна. Один из механизмов избыточности мы знаем — это двойной набор хромосом в оплодотворенной яйцеклетке. В принципе развитие нормального организма может быть обеспечено половинным, гаплоидным набором хромосом. Случаи партеногенеза — развития не оплодотворенной яйцеклетки — известны у многих животных и растений. Отсюда следует, что лишь половина объема информации, закодированной в генотипе, участвует в создании организма. Эти соображения и заставили многих исследователей искать другие источники генетической информации, помимо ДНК. Эмбриолог Х. Равен, выдвинул предположение, что, помимо ядерной ДНК, хранилищем информации может быть приповерхностный, так называемый кортикальный, слой яйцеклетки. Эта гипотеза не оправдалась. Не следует забывать, что хранители наследственной информации — гены должны размножаться, реплинцироваться. В противном случае количество их в клетке будет уменьшаться вдвое с каждым делением. Из всех известных нам соединений только нуклеиновые кислоты обладают способностью к репликации. Те клеточные структуры, которые могут размножаться, например, энергетические станции клетки — митохондрии и хлорофилловые зерна растений, хлоропласты — имеют свои, автономные геномы, очень похожие на простые бактериальные. Ядру они помочь не могут — хоть бы самим воспроизвестись с минимальной помощью от ядра. Но попробуем подойти к вопросу об информации в генотипе иначе.

ПРАВИЛЬНО ЛИ МЫ ПЫТАЛИСЬ ОЦЕНИТЬ СЛОЖНОСТЬ ФЕНОТИПА тот же Равен указывает, что, например, у лошади несколько миллионов печеночных клеток и все они построены одинаково. Можно, конечно, определить объем информации, потребный для описания каждой из клеток, а потом умножить число бит на число клеток.   Кольчатый многощетинковый червь, все членики его — кроме первого и последнего— одинаковые. А вот у речного рака уже все членики устроены поразному. Значит, структура фенотипа также информационно избыточна, причем в весьма высокой степени. Генотип может дать подробное описание лишь одной клетки, а затем указать, что она должна повториться сотни тысяч и миллионы раз. Вот еще хороший пример фенотипической избыточности, который нам еще пригодится в

будущем. Есть довольно просто устроенные морские кольчатые многощетинковые черви-полихеты. Туловище наиболее примитивных из них разделяется на десятки, а то и сотни члеников. И все эти членики устроены по одному образцу, кроме первого, на котором сконцентрированы органы чувств, второго — с ротовым отверстием и последнего — с анальным отверстием. Значит,при описании фенотипа требуется описать только четыре членика и добавить, что третий по счету повторяется столько-то раз. Ракообразные произошли от предков, похожих на кольчатых червей. Но у высших ракообразных, например, у речного рака, все членики устроены по разномну, особенно различаются конечности, и каждый членик придется описывать отдельно. Объем информации повышается — ведь это . более сложный фенотип.Определяя объем информации, потребной для описания структуры фенотипа, не следует забывать о связях между признаками организма. Допустим, нам известно о

некоем животном только то, что у него одна левая дуга аорты. Кажется, это очень мало. Ошибаетесь: отсюда однозначно следует, что сердце у него четырех камерное, эритроциты без ядер, хорошо развитый мозг, постоянная температура тела. Это значит, что оно относится к классу млекопитающих. Такие сцепления признаков называются корреляциями. Впервые их широко применил основатель палеонтологии Жорж Кювье.

Известно, что он по отдельной кости уверенно описывал облик животного. Существует анекдот про Кювье: один из его учеников решил над ним подшутить, надел на себя шкуру с рогами и копытами, подошел к учителю ночью и прорычал страшным голосом: «И съем тебя». Кювье спросонья твердо сказал: «Рога и копыта — значит, ты травоядное и не можешь съесть меня». Случай, конечно, вымышленный, но логику Кювье демонстрирует хорошо. Впрочем, бывали случаи, когда логика Кювье подводила. Большой изогнутый коготь, найденный отдельно от прочих костей, он приписал муравьеду. На деле коготь принадлежал халикотерии — жили на Земле и дожили почти до появления на ней человека странные звери, по всем признакам копытные, но имевшие вместо копыт мощные когти. Этот факт говорит о том, что корреляция отнюдь не всегда бывает стопроцентной. Наш замечательный антрополог, анатом и скульптор М. М. Герасимов, руководствуясь теми же принципами, что и Кювье, разработал методику восстановления лица по черепу, причем с точностью, удовлетворяющей не только археологов, но и работников уголовного розыска. А такая точность возможна только в одном случае: когда структура одной части организма определяет структуру другой. Этот принцип соблюдается в природе начиная с молекулярного уровня. Первичная структура белковой молекулы — это последовательность аминокислотных остатков в полипептидов. Соседние звенья в пептидной цепочке соединяются водородными связями, образуя спиралеобразную фигуру (так называемая спираль Полинга — Кори). Это вторичная структура. Но спираль Полинга также образует трехмерную третичную структуру, специфичную для каждого белка. Наконец, отдельные белковые глобулы могут объединяться попарно и по четыре, а то и больше, образуя четвертичную структуру. Таков, например, гемоглобин. И все эти структуры определяются одной — первичной. Значит, в генотипе нужно кодировать только последовательность аминокислот -все остальное возникает при соответствующих условиях само. Например,  вирус табачной мозаики, который при подкислеии среды распадается на отдельные молекулы белка и РНК. При подщелачивании происходит обратный процесс, именуемый самосборкой. Все вирусы в клетках хозяина возникают в результате само сборки молекул нуклеиновых кислот и белков, и их структуры однозначно определяются последовательностью аминокислот в белках. И не только вирусы. В результате само сборки возникают все клеточные структуры — рибосомы и клеточные мембраны. Возьмем для примера простейшее животное, всем известного пресноводного полипа — гидру. Они состоят из немногих типов клеток — около десяти. Давно уже ставятся эффектные опыты, когда гидру растирают на отдельные клетки и из них в результате процесса, похожего на само сборку, возникает целая гидра. Значит, структура фенотипа гидры однозначно определяется свойствами клеток. С высшими организмами такой опыт не поставишь: слишком много у ннх типов клеток и слишком сложные структуры они образуют. Если «разобрать» высшее животное, скажем, кролика на отдельные клетки, он заново не восстановится. Но на ранних стадиях развития эмбриона подобные эксперименты удавались. Из школьного курса биологии известно, что оплодотворенная яйцеклетка млекопнтающего уже в яйцеводах начинает дробиться, образуя зародыш. После трех дроблений зародыш состоит нз восьми клеток — бластомеров. На этой стадии зародышей мыши извлекали из яйцеводов и обрабатывали раствором проказы (это фермент, расщепляющий белки). Дробящаяся яйцеклетка распадалась на отдельные бластомеры. Можно смешать бластомеры разных пород мышей, например, различающихся по окраске, затем отмыть от проказы и увидеть, как они будут слипаться друг с другом, вновь образуя зародыш. Такой зародыш можно пересадить другой мыши и дорастить до взрослого состояния. Мышей, появившихся на свет в подобных опытах, называют аллофенными. Они являются потомками трех, четырех и более родителей (в зависимости от того, сколько зародышей мы смешали). Постепенно в умах исследователей сформировалась идея, что в геноме яйцеклетки закодирована лишь информация о первичной структуре белков и очередности и интенсивности их синтеза. Закодирован, короче говоря, не сам фенотип, а серия инструкций по его созданию на уровне частей клетки.

И тут оказалось, что ДНК в ядре… чересчур много. Всего мы ожидали, но только не этого! Проверим полученный ошеломляющий вывод простым расчетом. Молекулы разных белков различаются по величине и молекулярному весу — среди них есть и крошки, состоящие нз немногих десятков аминокислот, и настоящие гиганты, например, молекулярный вес молекулы синего дыхательного пигмента виноградной улитки гемоцианина около десяти миллионов дальтон. Но в расчетах удобнее оперировать средними величинами. «Средний» белок, характерный для всей живой природы, содержит примерно триста — триста пятьдесят аминокислотных остатков. Значит, размер «среднего» гена, кодирующего белок— около тысячи нуклеотидов. Отсюда следует, что геном млекопитающих может содержать информацию о структуре миллиона и более белков, а геном дрозофилы не менее ста тысяч белков. У некоторых земноводных с особо большим геномом — десятки миллионов! Эти фантастические величины совершенно не согласуются с данными, полученными другими методами. У той же дрозофилы гигантские хромосомы слюнных желез поперечно исчерчены, как бы поделены на доли — хромомеры. Генетические эксперименты как будто бы показывают, что в каждом хромомере содержится только один ген, кодирующий белок. А число хромомеров подсчитано — их около пяти тысяч. По-видимому, фенотип дрозофилы определяется синтезом лишь пяти тысяч белков, и это хорошо согласуется с данными, полученными методами биохимии. Сколько белков могут синтезировать клетки млекопитающих, пока еще точно неизвестно. Но предварительные расчеты показывают: примерно пятьдесят тысяч и уж никак не больше ста тысяч. А ДНК, заключенной в клетках млекопитающих, хватает на 3 — б миллионов; опять получается почти стократный избыток.    Если раньше исследователи ломали голову над тем, где еще может храниться генетическая информация помимо ДНК, то теперь встает другой вопрос ЧТО ЖЕ ДЕЛАЕТ «ЛИШНЯЯ» ДНК. Смоделировав процесс эволюции. В машинную память были вложены описания простейших организмов вроде членистого червя, подчиняясь простейшим закономерностям, вложенным в программу, на экране дисплея компьютер должен изобразить смоделированное животное. Однако это оказалось неожиданно трудным. Машина правильного расположения частей тела, не знает. Ее приходится этому учить — закладывать в машинную память инструкцию по соотношению частей. Получилось, что объем информации, заключенный в этих инструкциях, значительно превышает само описание! А ДНК учить неком.  Значит, помимо ДНК, потребной для кодирования белков, должна быть регуляторная, которая еще неизвестными нам путями  «включает» и «выключает»  гены.

Оплодотворенная клетка дробится на два бластомера, потом на четыре. На этих стадиях бластомеры одинаковы. Недаром, случайно разъединившись, они развиваются самостоятельно и становятся идентичными копиями одного организма — однояйцовыми близнецами. Кстати, идентичными не совсем — из одной половинки часто развивается правша, из другой — левша. Но уже после третьего дробления клетки зародыш становится неидентичным по размеру, набору синтезируемых белковых молекул и будущей судьбе в развивающемся организме. В результате у млекопитающих возникает около сотни различных типов клеток. И фактически все клетки, столь различные по форме и функциям с генетической точки зрения, отличаются только тем, что в них синтезируются разные белки, то есть транскрипция РНК идет с разных генов. В то время как геномы у них, как правило, остаются одинаковыми. Из этого правила есть исключения. Как уже упоминалось, эритроциты млекопитающих вообще теряют ядра. У организмов со строго фиксированным числом клеток фенотипа часть материала хромосом выбрасывается из ядра — это та ДНК, ко-торая не нужна для жизнедеятельности специализированным клеткам. Особенно это наглядно у аскариды — ее хромосомы в процессе развития как бы обтрепываются, теряя значительные куски, лишь клетки, из которых развиваются половые, сохраняют геном в целости. Но это — исключение. А в подавляющем большинстве случаев, как бы ни отличалась клетка от исходной яйцеклетки, набор генетических инструкций в ней — ее геном стабилен. Поэтому если мы каким-то способом активируем спящие, заблокированные гены ядра, мы заставим клетку развиваться по несвойственному ей пути. В этом нас убеждают многочисленные опыты.

Вот один из них, теперь широко известный, но, быть может, самый красивый. Английский ученый Дж. Гордон при помощи микроманипулятора — прибора, позволяющего разрезать бактерию на две равные половинки, вынул из клетки кишечного эпителия шпорцевой лягушки ядро и ввел его в яйцеклетку другой лягушки (ядро в этой яйцеклетке было убито ультрафиолетовым излучением). Чужое ядро прижилось, яйцеклетка стала дробиться, и получился нормальный головастик. Лягушка, получившаяся из него, обладала все-ми признаками той особи, из которой взяли ядро. Кстати, любопытный вопрос: кто мать и кто отец полученной в эксперименте лягушки? Для наглядности ядро извлекалось из клетки бело-Розовой лягушки-альбиноса и пересаживалось в яйцеклетку обычной, зеленовато-бурой. Все полученные таким способом особи оказались альбиносами. Ясно, что донор яйцеклетки не может быть матерью. Лягушка, в яйцеклетку ко-торой было пересажено ядро,— всего лишь своеобразный инкубатор. Отец же и мать этого фантастического лягушонка — родитли той особи, от которой было позаимствовано ядро. Итак, проблема «лишней» ДНК как будто бы разрешается. Это в основной своей части регуляторная ДНК, диктующая клетке, кем ей быть. Дифференцированные клетки, в свою очередь, взаимодействуя друг с другом, как аминокислоты в полипептидной цепочке, образуют новые структуры. Эти новые структуры — ткани организма. И из этих тканей возникают органы и в результате — весь организм в целом. Матричный синтез и самосборка — вот что определяет в конечном счете построение фенотипа.

 

ПРЕДКИ И ГЕНОТИП

И так, организм построен. Но фенотип гораздо беднее генотипа, трудами которого он построен. Мы храним в своих генотипах информацию о строении многих фенотипов своих предков — и непосредственных и гораздо более далеких. Ребенок часто бывает, похож не на отца или мать, а на дедушку или бабушку. Гены, определявшие голубой цвет глаз дедушки, проявились в фенотипе внука — хотя отец и был кареглазым. Такие случаи весь-ма обычны, но они всегда поражают наше воображение, вселяя какой-то страх перед непонятной силой наследственности (вспомните хотя бы «Собаку Баскервилей», где не только фенотипические черты, но и черты характера пращура — Гуго Баскервиля — проявляются у Стэплтона — его отдаленного потомка).

Но память генотипа на много порядков выше памяти самых именитых дворянских родословных. Все мы знаем, что киты лишены задних конечностей. Потеряли они ноги, очевидно, еще в начале эоцена. Тем не менее, в среднем каждый десятитысячный кашалот рождается с зачаточными задними ногами. А это может означать одно: генный набор, ответственный за появление в организме задних конечностей, сохраняется в заблокированном виде 60 миллионов лет. Все мы знаем, что волосяной покров млекопитающих развился из роговых чешуек древних рептилий. Аналогичными чешуйками покрыты хвосты мышей и крыс. Древний признак возродился спустя сотню миллионов лет у представителей другого класса! Итак, в генотипах скрыта информация о структурах весьма древних предков.

 Но этого мало. Вспомним о способности организмов к регуляции. Например, бактерия кишечная палочка хорошо растет на стандартных средах, где источником углерода является глюкоза. Заменим глюкозу другим углеводом — молочным сахаром лактозой. Бактерии немедленно ответят на это воздействие — начнут синтезировать новый фермент, р-галактозидазу, расщепляющий лактозу на простые сахара (глюкозу и галактозу). Не добавь мы в среду молочный сахар, мы бы и не подозревали, что в геноме кишечной палочки существует ген, управляющий синтезом этого фермента: ведь в фенотипе обычно он не выражается. Таких ферментов, адаптивных или индуцируемых, в геномах бактерий закодировано немало, и они помогают им выжить в тех случаях, когда условия среды резко изменяются. Значит, информация о многих признаках фенотипа у бактерий в генотипе запасена впрок, обычно она не проявляется.

 А как дело обстоит у высших организмов? Повидимому, большим числом признаков фенотипа, запасенных впрок, обладают растения. Это и понятно: при резкой смене условий внешней среды животное может уйти в места, более благоприятные, а растения должны всю жизнь проводить в тех местах, куда попали их споры и семена. Сравните, например, стройную сосну в сосновом бору, кряжистую, отдельно растущую, и чахлую, искривленную сосенку на сфагновом верховом болоте. Здесь индуктор, изменяющий облик растения, — целый комплекс факторов внешней среды. Но можно подобрать примеры, где индуктор, казалось бы, легко выявить. Хорошо известное водяное растение стрелолист имеет листья разной формы. Торчащие из воды отличаются листовой пластинкой, действительно похожей на наконечник стрелы, а погруженные в воду — лентовидные. Казалось бы, индуктор признака «лентовидные листья» — вода. На самом деле — уровень освещенности. Вырастите, стрелолист без воды, сильно притемняя его,— и у него появятся лентовидные листья.

А такой опыт может проделать любой. У картофеля клубни развиваются из тех же исходных структур, что и листья. Затените нижние листья на кусте непрозрачным экраном — и они приобретут форму клубней. И здесь индуктор — отсутствие света. Как видите, растение можно обмануть, заставив признак возникнуть вхолостую.

В мире животных подобные примеры описаны в первую очередь у видов сидя-чих и малоподвижных. Коралловые полипы, растущие в тихих водах лагуны, имеют совсем другую форму, чем те, которые выдерживают прибой на наружной отмели атолла. А ведь те и другие могут относиться к одному виду! В одной Франции были описаны многие десятки «видов» всем известных пресноводных 

ракушек-без зубок, пока систематики не сообразили, что без зубка изменяет свой фенотип «с легкостью необычайной», чуть только изменится скорость течения и характер грунта в реке. А активные, подыскивающие оптимальные условия организмы? Принцип регуляции признаков распространяется и на них. И самый простой пример — загар, меланиновый экран, не пропускающий избыточный ультрафиолет к клеткам нашего тела, который возникает у нас после продолжительного облучения солнцем или ртутной лам-пой.

Думаю, пора подытожить наши рассуждения.

Вся информация, описывающая сложность фенотипа, содержится в генотипе (это, разумеется, не относится к таким признакам фенотипа, как синяк под глазом или ампутированная нога, но ведь эти признаки не наследуются).

Вторая аксиома биологии постулирует широкое распространение матричного копирования в жизненных процессах: новая ДНК копируется на матрице старой, РНК копируется на матрице ДНК, и, наконец, на матрице РНК, с переходом на другой код, копируется полипептидная цепь, образующая белок. Вся жизнь — это матричное копирование с последующей само сборкой копий. Но этого мало. До сих пор мы говорили о статике жизни. Будь процесс матричного копирования совершенным, невозможно было бы ни появление на свет автора этих бесед, ни издателей их, ни читателей. Все мы находились бы на стадии протоклеток, плавающих в теплых водах морей докембрийской эпохи. Пора нам рассмотреть динамику жизни. Она сводится к проблеме: подчиняясь каким закономерностям, изменяются наследственные матрицы?Эта проблема и есть суть аксиомы биологии № 3.