ДВОЙНИК ФАРАОНА

Сконструировать хромосому —это значит в дальнейшем создавать организмы с наперед заданными отличительными признаками. Профессор Калифорнийского университета Э. Карлсон считает, что в будущем окажется возможность создавать точные копии некоторых давно умерших людей. Для этого потребуется всего лишь синтезировать точную, копию набора хромосом, которые были во всех клетках людей минувших веков. Оригиналы хромосом можно выделить, к примеру, из мумий египетских фараонов. Правда, сегодня создание искусственного хромосомного набора еще не представляется возможным, но уже сейчас можно считать это вполне допустимой научной реальностью не столь отдаленного будущего.Итак, представим себе это будущее. Все хромосомы фараона нам известны и воссозданы, но не спешите радоваться — это пока еще не Тутанхамон. Следующая задача — создать из хромосом живого человека. Уже сегодня ученые при помощи особо тонких инструментов могут извлекать из клетки и вставлять в нее определенные структуры. Основываясь на таких работах, профессор Э. Карлсон представляет себе дальнейший процесс воскрешения фараона следующим образом. Искусственно синтезированное клеточное ядро, содержащее нужный набор хромосом, вводится вместо настоящего в яйцеклетку. После этого, по мнению Э. Карлсона, развитие должно будет идти нормальным путем: много кратное деление клетки, образование эмбриона и т. д. На свет появится младенец, повторяющий черты Тутанхамона.Если сегодня фантасты могут только мечтать о подобных превращениях, то ученые уже делают первые реальные шаги для осуществления в будущем этой идеи.

КОРОЛЕВА НАУК

Биологию, как в недалеком прошлом физику, можно назвать сегодня королевой наук. Во всем мире к ней проявляется большой интерес, и поэтому по биологи сейчас выходит огромное количество книг, в том числе и популярных. В этой главе мы лишены возможности дать даже самый поверхностный обзор тех проблем, которые считаются сегодня в биологии ведущими. Поэтому мы ограничимся несколькими примерами, возможно, сточки зрения биолога, не самыми важными, но такими, которые позволят нам выявить роль информации в живых организмах и попутно ответить на несколько «почему?».Всякий организм состоит из миллионов и миллионов отдельных клеток. Клетка, в свою очередь, состоит из оболочки, наполненной жидким веществом — цитоплазмой. В цитоплазме плавает ядро, а уже в ядре расположены хромосомы. Чем совершеннее организм, тем более дифференцированы его клетки. Например, мозговые клетки — нейроны — ни по своему строению, ни по функциям почти не напоминают красные кровяные шарики, каждый из которых также представляет собой клетку. Клетки печени, почек и других внутренних органов, слизистых оболочек, кожи — все это различные виды клеток, и все они в большой степени отличаются друг от друга. Но все клетки обладают одним общим свойством — в ядре каждой из них имеется полный набор хромосом. И при этом откуда бы ни была взята клетка, ее хромосомы полностью идентичны хромосомам всех других клеток данного организма.Исключение составляют половые клетки, в каждой из которых имеются лишь половинные наборы хромосом. При оплодотворении два половинных набора хромосом двух клеток сливаются и образуется клетка (яйцеклетка) с полным набором хромосом. Эта клетка начинает делиться, и постепенно из нее образуется новый организм. Именно процесс постепенного построения организма из одной-единственной клетки будет представлять для нас основной интерес, потому что здесь в наиболее полной степени проявляются информационные черты явления.

ИЗ ОДНОЙ КЛЕТКИ

Опишем еще один опыт. Ученые взяли оплодотворенную яйцеклетку мыши и заменили имеющийся там набор хромосом на другой, взятый из ядра клетки кожи другой мыши. Затем яйцеклетку поместили на место в матку первой мыши, где она нормально развивалась. В положенный срок родился мышонок, полностью тождественный той особи, из кожной клетки которой был взят набор хромосом.Таких опытов проводилось большое количество, и не только с мышами. Результаты их на сегодня с полной очевидностью доказывают: набор хромосом каждой клетки данного организма содержит полное, исчерпывающее описание всего организма. С этой точки зрения приведенный нами пример, касающийся возможности реконструкции какого-либо давно умершего лица, по существу, совсем не фантастичен.Итак, набор хромосом, имеющийся в любой клетке, содержит всю информацию, необходимую для того, чтобы можно было воссоздать другой, в точности такой же организм. Это доказано, но имеется другой вопрос, над решением которого биологи бьются давно и пока еще безуспешно.Развитие Организма из яйцеклетки совершается путем последовательных делений (митозов) исходной клетки на две, четыре, восемь, шестнадцать и т. д. новых клеток. Сам процесс деления представляет одну из интереснейших глав – современной биологии, и опять-таки мы не можем здесь уделить ему даже несколько строчек. Вопрос же, который нас интересует, состоит в следующем. Каждая новая клетка, возникшая после деления, имеет ядро, содержащее полный набор хромосом, в точности такой же, как у материнской яйцеклетки. Говоря нашими словами, каждая новая клетка содержит в точности такую же информацию, какую и ее породившие. Почему в таком случае, начиная с определенных стадий деления, получаются различные клетки, как уже отмечалось, весьма непохожие друг на друга?И второй вопрос, тесно связанный с первым: почему каждая новая клетка занимает в образующейся структуре каждый раз одно и то же строго определенное место?

КЛЕТКА-ФОНАРИК

В 1944 году вышла книга А. Гурвича «Теория биологического поля». А. Гурвич — биолог-исследователь с яркой и сложной творческой судьбой. Многолетние поиски физико-химических причин клеточного деления привели его к открытию митогенетического {то есть происходящего в момент деления клетки) излучения. Судьба этого замечательного открытия, сделанного в 1923 году, необычна. В свое время оно принесло автору мировую славу. Исследования в области митогенеза развернулись широким фронтом. Излучение живых систем было использовано как исключительно тонкое орудие анализа молекулярных перестоек в клетке. Но в дальнейшем это направление было забыто, и только в наши дни интерес к нему постепенно повышается.Процесс развития организма из яйцеклетки лучше всего разобрать на каком-либо конкретном примере. Наиболее удобный объект для эмбриологических исследований — морской еж. Его яйцеклетки нетрудно оплодотворить искусственно, и затем под микроскопом можно наблюдать весь ход развития зародыша. Круглая, прозрачная и на вид совершенно однородная яйцеклетка вскоре делится на две, четыре, восемь и более клеток, которые называются бластомерами. Бластомеры располагаются не как попало, а строго определенным образом. Величина разных бластомеров различна. Например, когда образовалось шестнадцать бластомеров, восемь из них, средних по размерам, располагаются в виде венца на верхнем полушарии зародыша. Ниже их располагаются четыре самых больших, а еще ниже — четыре самых маленьких (рисунок на странице 141).Это только первые проявления пространственных закономерностей развития. Позже, когда бластомеров становится больше, они раздвигаются и зародыш превращается в полый шар — бластоцисту. После этого начинаются основные процессы, определяющие специфическую форму зародыша. Продолжая размножаться, различные его клетки начинают смещаться друг относительно друга в различных направлениях.Почему же различные клетки двигаются в разных направлениях? Откуда клетка знает, куда и с какой скоростью ей смещаться? Как различные клетки согласовывают направление и относительную скорость своих движений? Все те же вопросы, которые возникают у нас и применительно к термодинамическим системам, и применительно к электронам в атоме, и, наконец, вот сейчас применительно к живой клетке.Чтобы ответить на эти вопросы, прежде всего надо, выяснить, вложена ли программа движения данной клетки или группы клеток внутрь ее или же программа определяется извне. Ответ можно получить экспериментальным путем, исходя из следующих простых соображений. Если вся программа поведения заключена внутри клетки, то последняя должна вести себя одинаковым образом вне зависимости от места в зародыше и вне зависимости от окружающих частей зародыша. Если же при изменении положения данной клетки в зародыше изменится и путь ее развития, значит, клетка управляется извне.На одной из самых ранних стадий развития зародыш состоит из двух совершенно одинаковых бластомеров (см. наш рисунок). При нормальном развитии из одного бластомера развивается точно половина зародыша. Что можно ожидать, если оба бластомера разъединить и заставить их развиваться изолированно? Получим ли мы из каждого половинку зародыша? Таков должен быть результат, если считать, что вся программа будущего поведения каждого бластомера заложена внутри его.Подобный опыт был поставлен впервые еще в 1892 году немецким эмбриологом Г. Дришем. Оказалось, что из разделенных бластомеров развиваются нормальные личинки, но вдвое меньших размеров.А. Гурвич начал с того, на чем остановился Г. Дриш. Он четко ограничил факторы, не связанные с управлением (стартовые) и непосредственно управляющие. Затем внимательно исследовал именно последние, использовав при этом ряд математических приемов. В результате пришел к следующей гипотезе: клеточные ядра являются источниками каких-то выходящих за их пределы направленных (векторных) факторов, которые регулируют движение всех находящихся поблизости клеток. Эти векторные факторы создают в пространстве вокруг клеточного ядра некоторое векторное поле. Если несколько клеточных ядер оказывается в тесном соседстве (как это обычно и бывает в зародыше), то их поля складываются по обычным правилам векторного сложения.С этой точки зрения формообразовательное воздействие «целого» на данную клетку зародыша рассматривается как действие на эту клетку суммарного вектора от всех расположенных не слишком далеко клеточных ядер. По мере удаления клеток их взаимодействие быстро ослабляется, поскольку интенсивность действия поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

«ЧЕЛОВЕК-КРОЛИК»

Описание эксперимента с зародышами морского ежа Мы позаимствовали из статьи Л. Белоусова, опубликованной в журнале «Наука и жизнь» (1967, № 3). Перед тем как высказать собственное мнение по этому поводу, мы приведем еще несколько фактов.Каким образом организм узнает, что пересаживаемая ему ткань имеет чужеродное происхождение? Почему он отвергает ее, даже если она могла бы его спасти? Какие механизмы нарушаются в клетке при раке? Все эти вопросы имел в виду доктор Гаррис из Оксфордского университета, ставя свой поразительный эксперимент. Вместе со своим коллегой доктором Уоткинсом он создал гибридные сочетания клеток, принадлежащих различным видам животных и человека. Ими созданы сочетания человек-мышь, человек-кролик и даже человек-курица.Метод Гарриса основан на одном медицинском наблюдении, сделанном сто лет назад. Именно тогда стало известно, что некоторые болезни, в частности вирусные, вызывают появление в организме клеток с несколькими ядрами. Объяснение этому нашлось недавно, лет десять назад. Вирус, оказавшийся в точке соприкосновения двух клеток, растворяет в этом месте оболочки клеток, их цитоплазмы сливаются. В результате получается одна клетка со смешанной цитоплазмой и двумя ядрами.В конце 1965 года Гаррис и Уоткинс сообщили в английском журнале «Нейчур» о полном успехе своего опыта. С помощью вируса гриппа они получили гибридную клетку человека и мыши. Позже им удалось так же успешно получить гибридные сочетания, сливая клетки человека с клетками кролика и курицы. А это уже означало, что возможности клеточной гибридизации не ограничиваются только млекопитающими — они простираются на весь тип позвоночных.Гибридная клетка обладает двумя ядрами, если она получена от соединения двух клеток, или несколькими, если было соединено несколько клеток. Как же теперь будут вести себя ее ядра? Будут ли они сосуществовать, сотрудничая или воевать друг с другом?Наблюдения показали, что оба ядра продолжают жить нормально. С помощью радиоактивных изотопов удалось проследить, что ядра продолжают вырабатывать РНК (рибонуклеиновую кислоту), управляющую синтезом белков цитоплазмы. Больше того, оба ядра проходят нормальный митоз. Если митоз обоих ядер гибридной клетки наступает одновременно, то результат получается особенно интересным. Каждый из хромосомных наборов человека сливается с одним из наборов кролика. Таким образом, двухъядерная гибридная клетка дает две дочерние клетки, каждая из которых снабжена лишь одним огромным ядром — получеловеческим, полукроличьим. С этого момента исследователи располагают настоящими гибридными клетками «человек-кролик», нормально обладающими лишь одним ядром и продолжающими расти и делиться на дочерние клетки-гибриды.Многочисленные опыты с пересадками органов, и не только с пересадками, однозначно доказали, что клетки организма умеют распознавать посторонние клетки. До сих пор не было точно известно, каким образом им удается это делать, где происходит процесс распознавания.Как показали опыты Гарриса, на уровне ядра и цитоплазмы прекрасно сосуществуют даже столь различные клетки, как клетки человека и кролика. Значит, распознавание происходит не внутри клетки, а на уровне клеточных оболочек. Именно оболочка узнает «чужака» и притом узнает его именно по оболочке.Гибридные клетки могут жить и делиться. Это значит, что цитоплазма кролика воспринимает сигналы, передаваемые хромосомами человека, а цитоплазма человека принимает информацию от хромосом кролика. Суть передаваемых сообщений сводится к записанному в генетическом коде синтезу белков. То, что хромосомы человека и кролика могут управлять этим синтезом совместно, подтвердило предположение исследователей: язык генетического кода является, по-видимому, универсальным. Как известно, в клетке постоянно идет взаимодействие между ядром и цитоплазмой. Конечно, роль ядра трудно переоценить. Именно оно управляет синтезом белков цитоплазмы. Но при этом оно учитывает потребности клетки, то есть управляет в зависимости от информации, поступающей от цитоплазмы.Механизм здесь примерно такой. Информация с гена переписывается на молекулу-посредник РНК. Затем по этой РНК строится белок. Все эти процессы происходят лишь в том случае, если присутствует специальный катализатор, названный РНК-полимеразой. Только при условии наличия в цитоплазме этого фермента происходит синтез белка. Каждая цепочка РНК-посредника начинается с РНК-полимеразы, примыкающей непосредственно к гену. Более того, клетка может не делиться в течение достаточно долгого времени. Сигнал на деление поступает опять-таки от цитоплазмы.Можно сказать, что цитоплазма непрерывно посылает в ядро бюллетени о своем здоровье. А ядро в ответ на это включает то тот, то другой синтез. Оксфордские опыты показывают, что язык цитоплазмы так же универсален, как и язык генетического кода.

ОСТОРОЖНО — ХИМЕРЫ

Какие еще возможности открывает метод гибридизации по Гаррису? В Гарвардском университете был проделан эксперимент по гибридизации клеток различных видов хомяка. Сливая раковые клетки с нормальными, обнаружили, что во всех случаях получившиеся гибриды теряли способность развиваться в раковую опухоль. Значит ли это, что нормальное состояние «доминирует» над раковым? Делать какие-либо выводы на основании одной серии исследований рано. Однако метод гибридизации, безусловно, открывает новые возможности для экспериментов по выяснению механизмов, вызывающих рак.В частности, с его помощью выяснено обстоятельство, по которому имелись разногласия. Вирусы, вызывающие рак, удавалось до сих пор выделить только у животных. У человека канцерогенные вирусы пока не найдены. Это, конечно, не значит, что их нет. Известно, что у животных вирус, заразив клетку, становится «невидимкой». Что с ним происходит? Исчезает ли он вовсе или остается латентным и невидимым?Здесь мнения ученых разделились. Метод Гарриса, по-видимому, решает этот спор. Гибридные клетки в данном эксперименте состояли из раковых клеток, в которых вирус не был обнаружен, и из нормальных клеток, очень чувствительных к этому вирусу. И в гибридных клетках вирус появился снова. Значит, он не исчезал. Он оставался замаскированным в раковых клетках. Стало быть, то, что вирус в раковых клетках не обнаруживается, совсем не означает, что этого вируса нет.

САМЫЙ СОВЕРШЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Суммируя все сказанное, мы приходим к выводу, что живой организм — это физическая система, насыщенная информацией. На уровне клетки информация может быть представлена по меньшей мере с помощью трех носителей.Во-первых, хромосомы. Это постоянный и практически неизменяемый информационный фонд организма. О роли информации, заключенной в хромосомах, мы еще поговорим далее. Пока что ясно, что информация, записанная в хромосомах, представляет собой полную программу построения данного индивидуального организма, позволяющую последовательно воспроизвести его во всех подробностях. Там же записаны программы подобного воспроизводства.Во-вторых, цитоплазма. Именно в цитоплазме сосредоточена жизнедеятельность клетки. Цитоплазма осуществляет обмен с внешней средой, содержит запасы сырья, из которого на основании генетических программ строятся белки, и готовую продукцию. Состояние клетки в основном определяется состоянием цитоплазмы. Цитоплазма содержит информацию о состоянии клетки и передает ее ядру и оболочке.В-третьих, оболочка. Эта информация используется в основном во взаимных обменах между клетками. В частности, именно оболочка нервных клеток ответственна за передачу сигналов по нервным цепям. Об этом также еще будет сказано.Физическая система, насыщенная информацией, должна характеризоваться весьма высоким качеством энергии. Так оно и есть на самом деле. Достаточно указать, что мышцы человека и животных представляют собой на сегодня самый совершенный двигатель, обладающий наиболее высоким коэффициентом полезного действия и самой малой удельной массой, приходящейся на единицу производимой механической работы. Современные конструкторы всевозможных двигателей внутреннего сгорания, электрических и т. п. могут лишь мечтать о тех показателях, которые природа уже давно достигла в своих творениях. В организме человека энергия перерабатывается также в самую совершенную продукцию во вселенной — мысль.Все это достигается благодаря чрезвычайной сложности структур клеток живого организма. К слову сказать, клетки мышц представляют собой длинные волокна с одной оболочкой, одной цитоплазмой и большим количеством ядер, расположенных вдоль волокна. На примере внутриклеточных процессов очень удобно проследить роль информации в биологических системах.Химия знает три вида реакций: экзотермические, эндотермические и идущие в присутствии катализатора. Экзотермические реакции идут с выделением энергии. Обычно вещества очень охотно вступают в экзотермические реакции, и они происходят либо сами по себе, либо в результате слабого начального толчка, как, например, взрыв смеси кислорода с водородом. Реакция идет с выделением тепла, и поэтому образовавшееся в результате реакции вещество характеризуется несколько более низким качеством внутренней энергии по сравнению с исходными реагентами.Эндотермические реакции совершаются с поглощением тепла. Они могут проходить только в специальных условиях при наличии запаса энергии и путей передачи этой энергии к реагентам. Получающееся в результате таких реакций вещество характеризуется несколько более высоким качеством внутренней энергии и просто большим запасом энергии по сравнению с исходными реагентами.Реакции, идущие в присутствии катализатора, могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими. Присутствие катализатора создает в пространстве, окружающем реагирующие компоненты, условия для прохождения реакции. Здесь важно заметить следующее. Как в реакциях, проходящих без катализатора, так и в реакциях, проходящих с катализатором, информация, на основании которой строится вещество — продукт реакции, — записана в самих молекулах или атомах реагентов. Например, конструкция молекулы воды, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, определяется внешними так называемыми валентными электронами атомов кислорода и водорода. Этой информации довольно много, потому что, кроме количества атомов в молекуле, определяется также угол между прямыми, проходящими через ядра атомов водорода и ядро атома кислорода. Этот угол всегда составляет точно 104 угловых градуса и 31 минуту.Исследование процессов, происходящих в клетке, показывает, что существует также четвертый тип реакций. Это реакции, требующие для своего осуществления присутствия информации, хранящейся на специальном носителе. Типичным является процесс синтеза белка в клетке. Он сводится к следующему.Информация, записанная в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), как уже отмечалось, в присутствии катализатора — РНК-полимеразы — Переписывается на другой носитель — молекулу РНК. Эта молекула РНК и участвует в процессе синтеза белковой молекулы из исходных продуктов, хранящихся в цитоплазме. При этом информация, записанная в молекуле РНК, в буквальном смысле этого слова указывает, какая очередная молекула какой аминокислоты (относительно простых органических химических соединений, из которых состоит РНК) должна подсоединяться в каждый данный момент времени к уже построенной заготовке.Все это заставляет нас задать вопрос: является ли информация в биологических системах той же самой информацией, с которой мы уже познакомились на примерах термодинамических и атомных систем, или же это какая-то особая биологическая информация, подчиняющаяся своим закономерностям? Этот вопрос в последние годы интересует как биологов, так и физиков

ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ!

Под этим названием в феврале 1943 года один из основоположников современной физики, профессор Дублинского института перспективных исследований Э. Шредингер, прочитал курс лекций, посвященных некоторым проблемам биологии. Впоследствии эти лекции были изданы отдельной книгой. Э. Шредингер утверждал, что физика и химия в их современном состоянии не могут полностью объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живого организма. С другой стороны, неизбежное умирание всякого живого организма может служить еще одним, подтверждением справедливости второго начала термодинамики.Другой физик, Ю. Вигнер, считал, что для любого физика по меньшей мере кажется чудом способность молекулярных структур воспроизводить самих себя. То обстоятельство, что информация, необходимая для самовоспроизведения, заложена в структурах, имеющих молекулярные размеры и удерживаемых в порядке только химическими связями, делает это, в сущности, физически неправдоподобным. Ю. Вигнер указывал, что сложный генетический код, особенно вследствие своих малых размеров, по необходимости должен непрерывно расстраиваться, так что, каким бы хорошим ни было начало, поддерживать его в порядке неограниченно долго представлялось бы невозможным. Поскольку молекулярная информация должна непрерывно искажаться, то буквально чудом надо считать то, что организмы в действительности столь успешно сохраняют постоянство вида, воспроизводя себе подобных.Ю. Вигнеру ответил профессор Гарвардского университета Дж. Уолд. К счастью для всех нас, сказал Дж. Уолд, такого чуда не происходит. Генетическая информация непрерывно искажается. Это лежит в основе процесса возникновения мутаций. Из-за него организм в точности не воспроизводит себя. Всякий из нас знает об этом на основании собственного опыта в отношении явления репродукции. Всегда появляются какие-нибудь различия, хотя и необязательно только по этой причине.Это не означает несовершенства в организации живых организмов. Напротив, благодаря этому они стали тем, чем являются сейчас. Абсолютно верно, что непрерывное появление генетической изменчивости является основой естественного отбора и, следовательно, эволюции. Существенно, что искажения генетического кода случайны, они, безусловно, непредсказуемы, так как происходят в мире молекулярных размеров, и, кроме того, связаны с поведением одиночных молекул.