Процесс образования клеток кажется простым: когда клетка вырастет до стандартной величины, так сказать, полностью закончит свое развитие, она делится на две половинки, из которых образуются две самостоятельные клетки.
У одноклеточных организмов вроде амёбы, инфузории–туфельки, бактерий при наличии микроскопа убедиться в этом нетрудно. Можно увидеть, как в клетке возникает перехват. Он растет, углубляется и, наконец, приводит к разделу клетки на две половинки. Обычно эти половинки бывают меньше давшей им жизнь материнской клетки. Но «двойняшки» растут и обычно скоро достигают нормальной величины. При этом новообразованные клетки амеб, инфузорий, бактерий и других одноклеточных организмов расходятся по своим делам, а клетки многоклеточных животных остаются жить вместе.
image class="underline" href="#image131.png"
Деление инфузории: 1 – сократительная вакуоль; 2 – рот; 3 – делящееся большое ядро; 4 – делящееся маленькое ядро (у многих инфузорий в клетках по два ядра)
Благодаря делению, в многоклеточном организме увеличивается число клеток, а сам организм растет.
Весело было нам, все делили пополам
На первый взгляд образование новых клеток путем деления кажется достаточно простым процессом – перетянул клетку пополам, и вот их уже две. Но на самом деле этот процесс чрезвычайно сложен. Возьмем хотя бы для примера необходимость разделить между вновь образующимися клетками органеллы, то есть органы исходной клетки. С некоторыми из них, если их в клетке много, никаких проблем не возникает. Митохондрий в клетке много, и они сами способны размножаться, поскольку, как вы уже прочитали (см. с. 71), по происхождению митохондрии и хлоропласты являются симбиотическими бактериями. Так что эти органеллы можно делить и не строго поровну: если их окажется мало, они быстро размножатся до необходимого числа.
Другое дело – клеточное ядро. Оно (за редкими исключениями) одно и при этом содержит важную наследственную информацию, которую просто так, кому что достанется, делить нельзя. Это все равно, что поделить между двумя путешественниками карту, просто разорвав ее пополам – в результате каждый путешественник получит не свой экземпляр карты, а никому не нужные обрывки бумаги.
Чтобы информация, содержащаяся на карте, не пропала, карту, если она необходима нескольким путешественникам, надо не порвать, а скопировать – напечатать или перерисовать копии этой карты, причем желательно как можно более точные. Так и с генетической информацией, содержащейся в ядре, – ее надо не просто поделить поровну между образующимися дочерними клетками, а сначала изготовить два экземпляра копий и затем «раздать» их потомкам. Иначе через несколько делений от генов останутся одни обрывки и клетки просто погибнут.
Носителями генетической информации, как мы уже говорили в разделе, посвященном строению клетки, в клеточном ядре являются хромосомы.
image class="underline" href="#image132.png"
Схема деления клетки (митоза): 1 – центриолъ; 2 – ядро; 3 – ядерная оболочка; 4 – ДНК; 5 – ядрышко; 6 – хромосомы; 7 – центриолъ со звездой микротрубочек; 8 – центромера; 9 – веретено деления
Обычно их в ядре много, и при этом у каждого организма их строго определенное число: у комнатной мухи – 12, у щуки – 18, у дождевого червя – 32, у гадюки – 36, у человека – 46, у шимпанзе – 48, у воробья – 76, у карпов – 104. В обычном состоянии клетки они в ядре не видны. Только когда клетка собирается делиться, их можно увидеть и подсчитать.
Чтобы понять, каким образом клеткам удается «снимать копии» со своих хромосом, нам нужно разобраться, что они представляют собой с химической точки зрения, то есть как они устроены.
Хромосомы – это гигантские молекулы вещества, которое называется дезоксирибонуклеиновой кислотой. Чтобы не ломать каждый раз язык, ученые придумали сокращенное название – ДНК. Во время деления молекулы ДНК вместе с поддерживающими их вспомогательными белками закручены в тугой жгут – вот тогда их и можно увидеть в обычный микроскоп. Во время нормальной работы клетки молекулы ДНК разворачиваются, перестают быть видимыми, но зато с них может считываться и использоваться генетическая информация.
Развернутая молекула ДНК похожа на длиннющую веревочную лестницу с частыми перетяжками – «ступенями». Каждая половинка этой «лестницы» или, как чаще говорят, двойной спирали представляет собой длинную цепочку сложных молекул, называемых нуклеотидами. (Слова «нуклеотиды» и «нуклеиновая» кислота происходят от латинского слова nucleus – ядро.) Всего в ДНК встречается 4 типа нуклеотидов: аденин, гуанин, цитозин и тимин, которые принято обозначать буквами А, Г, Ц и Т. В последовательности нуклеотидов цепочки ДНК зашифрована вся наследственная информация; это как бы «буквы» генетического алфавита.
Нуклеотиды одной половинки ДНК соединяются с нуклеотидами другой половинки, и самое главное, соединяются не как попало, а по строгим правилам. Аденин (А) всегда соединяется с тимином (Т), и никогда не соединится с нуклеотидами Ц или Г, а цитозин (Ц), как вы уже догадались, соединяется только с гуанином (Г). Соответственно, Т устанавливает пару с А, а Г – с Ц.
Способность нуклеотидов соединяться только со своим «напарником» и позволяет копировать ДНК без потери информации. Вот как это происходит: молекула ДНК раскручивается и расщепляется продольно на две половинки. Каждая половинка этой удивительной молекулы достраивает потерянную часть (при этом каждый нуклеотид подбирает себе пару строго по правилам, описанным выше) и вновь становится двойной спиралью.
Расщепление начинается с одного конца, и по мере того, как молекула распадается на две половинки, каждая энергично достраивается, присоединяя к себе недостающие фрагменты. Таким образом, обе половинки становятся двумя молекулами ДНК. При этом обе молекулы, образовавшиеся из половинок исходной, будут полностью идентичны. Теперь надо только каждую из них распределить между образующимися дочерними клетками и можно не беспокоиться: каждая из них получит полноценный набор генетической информации.
image class="underline" href="#image133.png"
Соединение нуклеотидов в ДНК
Мальчик или девочка?
Итак, хромосомы – важнейшие молекулы организма. Они несут всю генетическую информацию и ответственны за все наследственные свойства и особенности организма. Более того, у большинства животных (о забавных исключениях из этого правила мы поговорим чуть позже) именно хромосомы определяют пол особи.
Встретив примеры различного числа хромосом (см. с. 55), вы, возможно, заметили определенную закономерность: число хромосом во всех приведенных случаях было чётным. Случайность? Нет, если посчитать число хромосом у любого вида животных или растений, оно всегда (за редкими исключениями, куда уж без них) будет кратно двум. Дело в том, что у многоклеточных организмов (кроме грибов) набор хромосом в каждой клетке двойной – по два экземпляра каждой хромосомы. А вот в половых клетках набор хромосом одинарный и, соответственно, их число может быть и нечётным. При образовании половых клеток каждой из них достается только один набор хромосом, а при их слиянии – оплодотворении – одинарные наборы складываются и новый организм опять получает положенный ему двойной набор хромосом. И так из поколения в поколение. Если бы перед образованием половых клеток число хромосом в них не уменьшалось, то в каждом поколении их становилось бы в 2 раза больше, и очень скоро они бы просто не помещались в ядре и вообще в клетке.