Второе возражение связано с отсутствием озонового слоя в древней атмосфере нашей планеты. Коротковолновая ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая поглощается озоновым слоем, способствует разрыву химических связей в молекулах, дает молекулам энергию, необходимую для развития этих связей. Из-за воздействия «короткого ультрафиолета», образовавшиеся в атмосфере органические вещества должны были очень быстро разрушаться, еще до попадания в воду первобытного океана.
Это возражение можно оспорить, переведя процесс образования органических веществ в воду. Газы имеют свойство растворяться в воде, а молнии достигают водной поверхности, так что в верхнем слое океана вполне могли происходить те же химические реакции, что и в атмосфере. В то же время коротковолновая ультрафиолетовая часть солнечного излучения интенсивно поглощается водой. Как говорится – делайте выводы.
Третье возражение основано на непригодности первобытного океана в эпоху интенсивного извержения вулканов для возникновения жизни. Воды первобытного океана содержали великое множество химических веществ, среди которых непременно должны были присутствовать в больших количествах различные ингибиторы – вещества, замедляющие химические реакции и подавляющие активность ферментов. Но тут, как говорится, бабушка надвое сказала. С одной стороны, все, вроде бы и так, а с другой – великое множество химических веществ, в первую очередь, означает великое множество химических реакций и далеко не все из этих реакций могли «тормозиться» ингибиторами. Но если уж говорить начистоту, то третье возражение является самым слабым. Опарин разбил бы его в пух и прах.
А вот четвертый «камень» в огород Опарина и Холдейна является самым увесистым. Критики не верят в то, что молекулы первых ДНК могли возникнуть спонтанно, без родительской матрицы. Надо признать, что их сомнения имеют под собой почву. Вероятность спонтанного появления огромной молекулы нуклеиновой кислоты, причем не просто огромной, но еще и содержащей упорядоченную кодированную информацию, ничтожно мала. Эксперименты по «спонтанному»[18 - Слово «споннтанному» взято в кавычки потому что спонтанность подобных экспериментов довольно условна. Эксперименты ставятся осмысленно и целенаправленно.] созданию ДНК успехом не увенчались. Вдобавок нужно добиться спонтанного возникновения сложной системы взаимосвязи ДНК с белками, а каким образом это могло произойти, неясно.
В качестве альтернативной теории нередко приводят гипотезу панспермии[19 - В переводе с древнегреческого «панспермия» означает «смесь всяческих семян».], выдвинутую немецким ученым Германом Эбергардом Рихтером в далеком 1867 году, задолго до появления теории Опарина. Согласно этой гипотезе жизнь на Земле появилась в результате занесения из космического пространства «зародышей жизни» – спор микроорганизмов. Переносчиком «зародышей жизни» Рихтер считал метеориты. В начале XIX века, после того, как русским физиком Петром Лебедевым было открыто давление светового излучения,[20 - Световое излучение, как и любое электромагнитное излучение, оказывает на тела определенное давление. Существуют формулы для вычисления светового давления. Одним из следствий давления солнечного света, является то, что кометы, пролетающие вблизи Солнца, имеют «хвосты».] возможным переносчиком спор стали считать свет. Давайте не станем углубляться в то, сколь интенсивным должно быть световое излучение для того, чтобы оно могло бы переносить споры, и в то, что метеориты при приближении к нашей планете сильно нагреваются вследствие трения об атмосферу. Это не так уж и важно, в сравнении с главным недостатком гипотезы панспермии – она никак не объясняет возникновение жизни вообще, а всего лишь предлагает конкретный способ появления жизни на нашей планете. Это не выход, ведь нам нужен исчерпывающий ответ на вопрос: «как появилась жизнь?».
В 1968 году американский микробиолог Карл Везе высказал предположение о том, что у истоков жизни на нашей планете могли стоять молекулы РНК, которые хранили генетическую информацию и были способны к самостоятельному воспроизведению. Позднее эта идея была развита другим американским ученым – химиком Лесли Орджелом, который сделал из нее научную гипотезу, доработанную в 1986 году американским же биохимиком Уолтером Гилбертом. Гилберт же и предложил название «гипотеза мира РНК».
Вам нужно объяснить, как появилась первая ДНК-матрица, способная тиражировать себя и несущая информацию о сложных белках, которые необходимы живой клетке? Необходимы, в том числе, и для копирования молекул ДНК, происходящего с при участии некоторых белков, например – белкового фермента ДНК-полимеразы.
Вам нужно объяснить, как образовалась взаимосвязь между ДНК и белками?
Вы смотрите на замкнутый круг «ДНК – Белки» и понимаете, что вам ничего не понятно?
Посмотрите на проблему возникновения жизни с другой стороны.
Молекулы РНК не только хранят наследственную информацию, но и обладают ферментативной способностью, они могут ускорять химические реакции в живых организмах (РНК-ферменты называются рибозимами). А еще молекулы РНК обладают способностью к самокопированию. Такой набор способностей дает РНК возможность автономного существования – на РНК-матрице РНК-ферменты делали копии…
Если у вас возник вопрос – а при чем тут ферменты? – то имейте в виду следующее. Процесс копирования молекулы или части молекулы ДНК или РНК происходит следующим образом – молекуле ползет фермент, считывающий информацию и делающий на ее основании копию. Сама по себе, по мановению волшебной палочки, молекула не удвоится, кто-то должен этим заняться. Если принять за отправную точку создание ДНК, то сразу же возникает вопрос – а кто считал информацию с первой молекулы ДНК, для того, чтобы синтезировать первую молекулу белка и первую молекулу РНК? Две молекулы ДНК помочь друг другу с копированием не могут, в отличие от двух молекул РНК.
Справедливости ради нужно заметить, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей ферментативными свойствами, весьма низка и этот довод является основным аргументом критиков гипотезы РНК-мира. И абиогенный синтез РНК из более простых соединений пока не удалось воспроизвести экспериментально в полной мере. Но многим современным ученым гипотеза РНК-мира нравится гораздо больше, чем теория-гипотеза Опарина-Холдейна. Даже те, кто критикует гипотезу РНК-мира, не столько отказывают ей в состоятельности, сколько сомневаются в первичности РНК-мира, предполагая, что этот мир стал следующим этапом после этапа спонтанного синтеза разных органических веществ, о котором говорили Опарин с Холдейном.
Напрашивается вопрос – а как в этом прекрасном РНК-мире появились белки, липиды и углеводы? Зачем они понадобились молекулам РНК, которые прекрасно обходились без «чужаков»?
Если чужак окажется полезным, то он сразу же станет своим. В результате каких-то сбоев в считывании-копировании наследственной информации могли возникать аномальные соединения – например белок, обладающий ферментативной активностью. Мутации превратили мир одной клетки-праматери в то великолепие, которое мы имеем сейчас.
Мутацией, если кто не в курсе, называется стойкое изменение генетического материала, приводящее к изменению наследственной информации и потому передающееся потомству. Термин этот образован от латинского слова «мутацио» – изменение. В свое время мы подробно поговорим о мутациях, о эволюции, о естественном отборе и об отличиях синтетической теория эволюции от классического дарвинизма. А сейчас нам надо закончить с РНК-миром.
Как, по-вашему, можно ли считать существование вирусов доказательством гипотезы РНК-мира? Мол, сначала появились вирусы, а уже затем – клетки.
Разумеется – нет, ведь вирусы не способны размножаться сами по себе, вне живых клеток. Гипотеза первичности вирусов не выдерживает критики и сразу же сдувается. Единственное, о чем можно говорить, так это о примерно одновременном появлении вирусов и живых клеток.
Согласно гипотезе побега или гипотезе бродяжничества, вирусами стали молекулы (часть молекул) ДНК или РНК, покинувшие клетку. Однако эта гипотеза не может объяснить, как эти «сбежавшие» нуклеиновые кислоты обзавелись капсидом.
Наиболее правдоподобной, но при этом довольно слабой, выглядит гипотеза регрессивного происхождения или гипотеза вырождения вирусов («регресс» означает «вырождение»). Согласно этой гипотезе, вирусы произошли от обычных клеток, которые стали паразитировать внутри других клеток. Со временем клетки-паразиты утратили клеточное строение и упростились до нуклеиновой кислоты в оболочке. А зачем паразитам нужны органеллы и обмен веществ и энергии, если они живут в клетках-хозяевах и получают все, что нужно для размножения, от них? Эволюция при помощи естественного отбора закрепляет полезные признаки и убирает все ненужное вместе с вредным, поэтому паразитизм на любом уровне живой организации приводит к упрощению строения. В этом вы можете убедиться самостоятельно, сравнив строение триклад со строением бычьего (свиного) цепня или же строение кого-то из представителей отряда Desmodorida со строением аскариды. Гугл вам в помощь!
На чаше весов в наше время гипотеза РНК-мира перевешивает теорию Опарина-Холдейна. Ученые больше склонны верить в то, что им удастся создать лабораторную модель РНК-мира, нежели в то, что они смогут превратить коацерват в живую клетку.
Пока что все очень туманно и неоднозначно. С уверенностью можно сказать только одно: «будущее покажет». Будущее всегда что-нибудь показывает
.
Если тема спонтанного возникновения жизни взяла вас в плен и не хочет отпускать, то вы можете самостоятельно проработать гипотезу мира полиароматических углеводородов. Мы ее здесь разбирать не будем, и не потому что не хочется, а потому что это очень опасно. Перед началом разбора придется объяснять-вспоминать, что такое бензольные кольца, что такое водородные и ковалентные связи, что такое азотистые основания и т. д. В результате мы забредем в джунгли большой химии, откуда обратно к биологии можем уже не вернуться. Ну и вообще, самостоятельный научный поиск – это так увлекательно!
Ах, мы так увлеклись, что забыли о прионах. Если вы думаете, что в отношении происхождения прионов у ученых нет ни сомнений, ни разногласий, то сильно ошибаетесь. Существуют три гипотезы, объясняющие происхождение прионов. Первая гипотеза предполагает, что первый прион появился в результате мутации, а дальше уже пошло-поехало. Согласно второй гипотезе неправильное сворачивание белковой «ленты» в клубок было вызвано какими-то внешними факторами, а не мутацией. Третья гипотеза считает постоянный синтез некоторого количества прионнных белков нормальным для любого живого организма. Эти прионы не успевают нанести вред, поскольку ферменты-протеазы, занятые расщеплением белков, уничтожают их сразу же после «рождения». Но если вследствие мутации или же по какой-то иной причине снижается активность протеаз или уменьшается их содержание в клетках, то прионы вырываются на свободу и начинают бесчинствовать. Выберите ту версию, которая вам больше нравится.
Глава четвертая. Жизнь и размножение клеток
Антон Павлович Чехов считал, что призвание каждого человека заключается в духовной деятельности – в постоянном искании правды и смысла жизни.
С философской точки зрения смысл жизни – очень глубокая тема, которой в той или иной степени занимались все великие философы. И каждый давал свое понимание смысла жизни. Древнегреческий философ Эпикур провозгласил целью жизни получение удовольствия, а австрийский философ Людвиг Витгенштейн вообще отрицал наличие у жизни некоего глобального смысла.
Но давайте оставим философию философам и порадуемся за биологов, у которых с определением смысла жизни дело обстоит предельно просто. Биологический смысл жизни любого организма состоит в размножении. Дожить до половозрелого возраста и дать потомство (как можно больше потомства) – вот к чему стремится все живое.
Клетки живых организмов постоянно делятся, одноклеточные организмы постоянно размножаются, а в многоклеточных организмах вместо отмирающих старых клеток появляются новые. За жизнь человека в его организме осуществляется примерно 10
делений клеток. Сто тысяч миллиардов делений! Впечатляющая цифра, не так ли?
Можете ли вы придумать определение для жизни клетки? Вот что это такое?
Если вы начали выстраивать в уме какую-то громоздкую конструкцию, то сделали это напрасно. Определение предельно простое. Жизнь клетки – это период от одного деления до другого, миг между прошлым и будущим делениями.
Все, что делается в клетке, является подготовкой к делению. Новорожденная клетка растет, развивается, вырабатывает различные вещества (в том числе ДНК и белки), накапливает запасы, которые будут переработаны в энергию – деление, если кто не в курсе, весьма затратный процесс. Период индивидуальной жизни клетки состоящий из подготовки к делению и самого деления, называют клеточным циклом, а период между двумя делениями называется интерфазой.
КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ = ИНТЕРФАЗА + ПЕРИОД ДЕЛЕНИЯ
Безъядерные клетки делятся относительно просто. Мы поговорим об этом после того, как познакомимся с делением клеток, имеющих ядро. Давайте-ка повторим, что безъядерные клетки называются прокариотами, а имеющие ядро – эукариотами. Грекам проще запоминать подобные названия. Они не спутают «доядерные» клетки с теми, у которых «с ядром хорошо» (именно так переводятся слова «прокариоты» и «эукариоты»). Вы же можете использовать вот такой мнемотехнический прием. Э-У-КАРИОТЫ – Это-У них-КАРИОТЫ (то есть – ядра). ПРО-КАРИОТЫ – ПРОблема у них с КАРИОТАМИ.
Деление эукариот будет посложнее Марлезонского балета. К тому же мы познакомимся с двумя вариантами деления – «равноценным», при котором обе дочерние клетки получают от материнской по полному набору хромосом, и «половинчатым», при котором у дочерних клеток оказывается только половина материнских хромосом. Но пугаться не нужно! Мы разберемся со всеми сложностями играючи, без напрягов и скуки.
Как вы думаете, что обозначают эти буквы и цифры – «G1-S-G2»? Тайный код или секретный пароль биологов? Марка супермикроскопа? Имя гена?
Вариантов может быть много, но на самом деле это формула жизни клетки или формула интерфазы, которая состоит из трех периодов.
Первый период – это период начального роста, который также называют G1-периодом (название произошло от английского слова «gap» – промежуток). В этом периоде в клетке вырабатываются матричные РНК, которые служат матрицами для синтеза белков в рибосомах, а также вырабатываются белки и другие нужные вещества, включая и АТФ.
Второй период – это период синтеза или S-период (название произошло от английского слова «synthesis» – синтез). Наверное, вас удивило такое название, потому что в первом периоде синтеза тоже было предостаточно, ничем другим, можно сказать, клетка не занималась. Но дело в том, что во втором периоде начинается Синтез с большой буквы – удвоение молекул ДНК, хранящихся в клеточном ядре. Обратите внимание на то, что хромосомы удваиваются вне зависимости от того, какой набор хромосом – полный или половинчатый – получат клетки, образующиеся в результате деления.
По длинным молекулам ДНК ползут молекулы фермента ДНК-полимеразы, считывают информацию и по ней собирают копию… Клетка при этом продолжает функционировать в обычном режиме, одновременно с синтезом молекул ДНК идет синтез других веществ, но он не имеет такого значения как копирование наследственного материала.
К слову – о генах. Выше уже было сказано о том, что геном называется участок молекулы ДНК, определяющий один отдельный признак. Можно дать и другое определение, более точное – геном называется участок молекулы ДНК, кодирующий синтез одного отдельного белка. Все признаки белковых организмов, к которым имеем честь принадлежать и мы с вами, определяются белками. Один белок окрашивает радужную оболочку в карий цвет, а другой – в голубой. И так далее…
Во втором периоде также происходит удвоение центриолей, играющих очень важную роль в процессе деления клетки. После того, как в клетке образуется двойной комплект ДНК и центриолей, начинается третий период интерфазы, который называется постсинтетическим (послесинтетическим) периодом или G2-периодом. В этом периоде продолжается подготовка клетки к делению – вырабатываются белки, АТФ и прочие вещества.
Периоды клеточного цикла (2n – диплоидный набор хромосом, 2с, 4с – количество хроматид в наборе)
Давайте остановимся подробнее на периоде Синтеза с большой буквы, ведь это самый важный период интерфазы.
Посмотрите на рисунок и обратите особое внимание на кружочки с буквами и цифрами. Что такое 2n, вам уже известно – так обозначается полный или, как говорят биологи, диплоидный набор хромосом.
Вы не заметили на рисунке никакой ошибки?
Во всех периодах интерфазы, включая и постсинтетический период, клетка имеет диплоидный набор хромосом. Но ведь это же неверно! В последнем периоде интерфазы хромосом должно быть вдвое больше обычного, потому что каждая хромосома – это молекула ДНК. Если во втором периоде произошло удвоение молекул ДНК, то надо писать не 2n, а 4n!
Четверка в конце второго периода появляется, но не там, где нужно. И что вообще обозначает буква с? Почему сначала у нас, то есть – в клетке было 2с, а после второго периода стало 4с?
Если честно, то никакой ошибки на рисунке нет. Буквой с обозначается половинный или гаплоидный набор хроматид (число с соответствует числу n), а 2с – это диплоидный набор хроматид.
Не путайте хроматиды и хромосомы! Хроматидой называют структурный элемент хромосомы, сформировавшийся в периоде синтеза интерфазы в результате ее удвоения. Грубо говоря – состояла хромосома из одной хроматиды, одной молекулы ДНК, а в период синтеза стала «двойной». Молекул ДНК – две, то есть хроматид – две, но хромосома при этом одна. Потому и пишем – 2n4с.
Напрашивается закономерный вопрос – зачем так усложнять? Ясно же, что в конце концов, при делении клеток, двойные хромосомы станут одинарными и разойдутся по дочерним клеткам. Писали бы сразу – 4n. Зачем вообще выдумывать хроматиды?
Затем, что наука любит точность. Пока хромосома, пускай даже и удвоившаяся, не распалась на две половинки, она считается одной хромосомой. Но с двумя хроматидами. И если студент скажет на экзамене, что в период синтеза удваивается количество хромосом, то он на 99 % получит «неуд», потому что удваивается количество хроматид.
В период синтеза молекулы ДНК меняют имя. Раньше они назывались хромососмами (1 хромосома – 1 молекула ДНК), а теперь называются хроматидами. Две хроматиды одной хромосомы связаны между собой в участке, который называется центромерой. Связаны до поры до времени, до тех пор, пока не начнут расходиться по дочерним клеткам.
Компоненты хромосомы в конце профазы митоза: 1. хроматида; 2. центромера
Идентичные хроматиды, содержащиеся в одной хромосоме, называют сестринскими хроматидами.
Характерным признаком клетки в период интерфазы является пребывание хромосом в раскрученном состоянии, которое по-научному называется деспирализацией. Нити хромосом равномерно распределены по всему ядру в виде рыхлой массы. К концу интерфазы хромосомы, уже ставшие «двойными», продолжают иметь вид вытянутых нитей. Но скоро все изменится!
Следите за новостями!
Деление близко!
Хромосомы в интерфазе
Что нужно для правильного деления клетки?
Нужно разделить поровну хромосомы, ставшие двухроматидными в период синтеза, и цитоплазму со всеми органеллами. Но если вдруг одна дочерняя клетка получит на десять или даже на сто митохондрий больше, чем другая, то никакой беды обеим клеткам от этого не будет, как и от «нечестного» деления рибосом. Но вот если хромосомы разделятся между клетками не поровну, то будет беда. Большая беда!
Самым распространенным и известным нарушением числа хромосом у человека является синдром Дауна, при котором к 21-ой паре хромосом добавляется еще одна хромосома. Этот синдром получил название в честь впервые описавшего его в 1866 году английского врача Джона Дауна, но причина синдрома, связанная с врожденным изменением количества хромосом, была выявлена только в 1959 году.
На первый взгляд может показаться, что много – это не мало. Недостаток одной хромосомы может приводить к дефициту закодированных в ней белков, которые будут синтезироваться с одной матрицы ДНК вместо двух. Недостаток чего-то в организме всегда создает проблемы. Но лишняя молекула ДНК вроде бы не должна создавать проблем…
Вроде бы не должна, но создает, причем довольно крупные. Для синдрома Дауна характерно более 30 специфических признаков, проявляющихся с различной частотой. Начиная с умственной отсталости и заканчивая врожденным лейкозом – злокачественным заболеванием кроветворной системы.
Почему одна лишняя матрица для кодирования белков, вызывает столь многочисленные и разнообразные отклонения от нормы? Дело в том, что наш организм, как и вообще любой живой организм, представляет собой тщательно сбалансированную систему. Баланс – основа нормальной жизнедеятельности и любое его нарушение чревато негативными последствиями.
Каждая хромосома «обслуживается» комплексом белков и ферментов, которые обеспечивают считывание информации с молекулы ДНК для синтеза РНК, а также обеспечивают синтез белков на базе РНК-матриц.
Давайте представим дом, в котором живут сорок шесть семей (по числу хромосом). У каждой семьи есть кухарка, которая готовит еду и горничная, которая следит за порядком. А еще в доме живет дворник, который подметает двор и следит за тем, чтобы все коммуникации в доме функционировали нормально.
Дом – это клеточное ядро.
В один несчастливый день алчный домовладелец вселяет в квартиру к дворнику еще одну семью. Невелика шишка – дворник, он и в прихожей спать может или, скажем, в подвале, а лишние жильцы – это дополнительная прибыль. Кухарку и горничную новым жильцам домовладелец не нанимает, считая, что имеющаяся в доме прислуга может обслуживать дополнительную семью по очереди. В нагрузку к своим основным обязанностям, так сказать.
Знакомая ситуация, верно? У вас на работе тоже было нечто похожее. Кого-то из коллег уволили, а их обязанности распределили по оставшимся. Разумеется – без увеличения заработной платы, ведь увольняли для того, чтобы сэкономить.
Что получится в результате? Ежедневно какая-то из семей-старожилов будет страдать, потому что их прислуге придется «работать на два фронта». Обслуживая две семьи вместо одной, и кухарка, и горничная будут выполнять свои обязанности кое-как, наспех. Завтрак запоздает, на обед вместо трех блюд будет подано два, а про ужин кухарка впопыхах может вообще забыть. Горничная вместо нормальной уборки ограничится сдуванием пыли с самых заметных мест и протиркой полов в центральных частях комнат. И так по кругу, каждый день в каком-то из семейств старожилов…
О том, каково придется новым жильцам, лучше вообще не думать. Их будут обслуживать кое-как, поскольку для прислуги они являются обузой. Да и дворник будет постоянно высказывать им свое недовольство, а в знак протеста станет халатно относиться к своим обязанностям. В результате трубы в доме начнут протекать, в электропроводке часто будут случаться замыкания, чистый двор превратится в грязный… Бизнес алчного домовладельца может серьезно пострадать из-за подобной экономии.
Точно так же страдает жизнедеятельность всего организма из-за появления одной дополнительной хромосомы. Лишняя хромосома есть, а сил средств на ее «обслуживание» нет и проигнорировать ее организм не может, потому что он на такое не запрограммирован. Всю имеющуюся информацию нужно считывать – и точка!
В результате возникает дисбаланс, начинаются сбои в считывании информации с молекул ДНК. Одни белки совсем не синтезируются, а другие синтезируются с ошибками и весь этот непорядок приводит к тому, что организм развивается и функционирует не так, как положено.
Но давайте вернемся к делению, которое вот-вот должно начаться.
Сначала мы разберем способ деления эукариотических клеток, при котором каждая из двух образующихся клеток получает диплоидный набор хромосом. Такое деление называется митозом.
Деление всегда значительно короче интерфазы. Митоз составляет около 5 % интерфазы. Можно сказать, что клетки долго запрягают, но быстро ездят, то есть – быстро делятся. И это правильно – чего тянуть с хорошим делом?
Если интерфаза делилась на периоды, поскольку сама была фазой, то каждый этап деления клетки представляет собой отдельную фазу. Обратите внимание на то, что речь идет о фазах деления эукариотической клетки, а не о фазах митоза. У следующего вида деления, которое называется мейозом, фазы будут точно такими же, причем и митоз, и мейоз будут заканчиваться на пятой фазе, а всего фаз шесть.
Голова пошла кругом? Не волнуйтесь, все будет хорошо. Опять же, вам экзаменов сдавать не нужно, вы просто хотите узнать, как делятся клетки.
Запомните фразу: «профессор просит метлу, а не телегу цитрусов».
Это не скороговорка, а волшебная фраза, которая поможет вам запомнить названия фаз клеточного деления и порядок их следования.
Первая фаза называется профазой (ПРОФЕССОР) – предшествующей, то есть – начальной фазой. В профазу происходят следующие процессы:
– нити хроматид закручиваются в спираль, отчего «потолстевшие» хромосомы становятся видимыми в микроскоп;
