Глава 2
Гены и их свойства

Ген представляет собой участок молекулы ДНК, в котором закодирована последовательность синтеза одного конкретного белка или же одной конкретной РНК. Молекулы ДНК условно можно сравнить с книгами, а гены – с абзацами.

Один ген отвечает за синтез одного химического вещества, и потому он считается структурной и функциональной единицей наследственности – структурной как часть молекулы ДНК и функциональной, поскольку выполняет одну конкретную функцию. Впрочем, классическая концепция генетики («один ген – один белок – один признак») довольно условна и далеко не всегда верна, но об этом мы поговорим немного позже.

Примечательно, что термин «ген» появился в 1909 году, задолго до того, как ученые узнали о свойствах и структуре ДНК. Изначально ген был условным понятием, обозначающим нечто, определяющее один конкретный признак организма. Ученым был нужен термин, определяющий единицу наследственности. Без этого термина невозможно было выстраивать гипотезы и вести научный поиск.

Кстати говоря, с атомами произошла такая же история. Понятие об атоме как о наименьшей неделимой частице материи впервые было сформулировано еще древнегреческими и древнеиндийскими философами. Научные же определения понятий молекулы и атома были приняты только в 1860 году. А приемлемая с научной точки зрения модель атома появилась лишь в 1913 году. Таким образом, атом не имел четкого научного объяснения более двух тысяч лет, что не мешало оперировать этим понятием!

Логическим путем ученые пытались установить количество генов человека. Данные «широко плавали» – от ста тысяч до миллиона, но все сходились на том, что генов очень и очень много, а оттолкнувшись от этого, приходили к выводу, что носителями наследственной информации должны быть белки, а не ДНК.

Молекулы многих белков по своим размерам могут сравниться с молекулами ДНК, но при этом они состоят из двадцати разных аминокислот[9], а молекулы ДНК образованы четырьмя нуклеотидами (выделять составные части гигантских молекул ученые научились гораздо раньше, чем изучили их структуры). «Двадцать аминокислот дают несравнимо большее количество комбинаций, чем четыре нуклеотида, следовательно, носителями наследственной информации являются белки», – говорили сторонники белковой природы гена, и это утверждение трудно было оспорить. В то время (первая половина ХХ века) никто и помыслить не мог о том, что счет нуклеотидам в молекуле ДНК может идти даже не на миллионы, а на сотни миллионов! Да, наследственная информация записана всего четырьмя буквами, но в очень и очень толстых книгах.

Так сколько же у нас генов? В наше время принято считать, что у человека их около двадцати тысяч. Всего-навсего…

Знакомо ли вам выражение «и на старуху бывает проруха»? Такая вот «проруха» произошла с создателем эволюционной теории Чарльзом Дарвином, который первым попытался всерьез разобраться в принципах наследственности и объяснить, как именно происходит наследование признаков от родителей.

Предупреждение: дальше читайте не просто внимательно, а очень внимательно, потому что за описанием гипотезы Дарвина последует вопрос.

Для объяснения механизма наследственности Дарвин придумал геммулы, некие гипотетические частицы, обеспечивающие наследование признаков. Эти самые геммулы, по мнению ученого, образовывались во всех клетках организма, а затем поступали в кровь и с током крови доставлялись в половые железы. Каждая «новорожденная» половая клетка получала полный набор геммул от всех клеток организма, иначе говоря – получала всю наследственную информацию, которая затем передавалась потомству.

Предположение Дарвина выглядело весьма логично. К тому же оно объясняло наследование приобретенных признаков. Изменившиеся клетки (суть нового признака заключается в изменении клеток) вырабатывают новые геммулы, отличающиеся от тех, которые они вырабатывали прежде.

По неизвестным нам причинам Дарвин не удосужился получить практическое подтверждение своей гипотезы. То ли другие дела помешали, то ли гипотеза казалась ему настолько крепкой, что проверять ее на практике не было необходимости.

А теперь вопрос: как бы вы проверили дарвиновскую гипотезу?

Примечание. Вы ученый-биолог. У вас есть лаборатория со всем необходимым, а также есть возможность использовать подопытных животных, ваши возможности практически неограниченны. Cтарайтесь, чтобы ваш эксперимент был как можно проще. Незачем усложнять, если можно обойтись без этого.

Идем дальше. Пора нам познакомиться с геном поближе, узнать о его свойствах.

Главным свойством гена является его дискретность. Это слово можно перевести как «обособленность». Каждый ген существует сам по себе. Гены не могут соединяться друг с другом и в результате образовывать новый ген. Одни гены могут подавлять другие, не давая им возможности выполнять свою функцию, но не могут с ними соединяться. Ген един и неделим! Именно дискретность делает ген структурной и функциональной ЕДИНИЦЕЙ наследственности.

Из дискретности логически вытекает другое свойство генов – их стабильность. Гены способны функционировать, не изменяя собственной структуры. Каким ген был, таким он и остается после считывания с него наследственной информации.

Однако в то же время стабильность генов сочетается с их лабильностью – способностью изменяться.

Напрашивается вопрос: «Как ген может одновременно быть и стабильным, и лабильным?! Это же взаимоисключающие понятия!».

Да, взаимоисключающие. Но, тем не менее, гену присущи оба этих свойства.

Давайте разбираться. Сам по себе, как структурная единица, как фрагмент молекулы ДНК, ген стабилен. В процессе выполнения своих функций ген никак не изменяется.

Изменяется ген при копировании молекулы ДНК или же при ее повреждении. Мы еще будем говорить об этом, а пока что важно усвоить следующее – гены способны изменяться в результате каких-то «глобальных» процессов, происходящих со всей молекулой ДНК. Но сам по себе ген стабилен. Во время работы, то есть во время считывания информации, с ним ничего не происходит.

Одни и те же гены, то есть гены, отвечающие за развитие одного признака, могут существовать в различных формах, которые называются аллелями (не путайте аллели с аллеями!). Обычно аллельных генов два, один получен от матери, а другой – от отца. По каждому кодируемому признаку мы имеем парный набор генов.

Аллельные гены могут подавлять друг друга, то есть блокировать считывание информации с парного гена. Так, например, ген карих глаз подавляет ген голубых глаз. Если у отца глаза карие, а у матери и ее родителей – голубые, то у ребенка будут карие глаза. В свое время мы рассмотрим принципы наследования признаков более подробно. Пока что надо запомнить, что одни и те же гены могут существовать в различных формах (аллелях) и что аллельные гены могут друг друга подавлять. Кто кого подавляет, предопределено изначально, а не определяется конкретной ситуацией. Иначе говоря, ген карих глаз будет подавлять ген голубых глаз у всех людей.

Конкуренция в рамках пары генов приводит к тому, что одни признаки наследуются от отца, а другие от матери. Но при этом никогда в наследовании не будет половинчатости! Невозможно унаследовать один признак наполовину от матери и наполовину от отца, потому что гены не смешиваются друг с другом даже в парах, отвечающих за один и тот же признак. Гены никогда не смешиваются! Образно говоря, у ребенка голубоглазой матери и кареглазого отца будут голубые (в отдельных случаях такое возможно, и мы это в свое время обсудим) или карие глаза, но не темно-голубые или светло-карие.

«Сила» гена, его способность подавлять парный ген, называется экспрессивностью. Экспрессивность определяет степень выраженности гена в кодируемом им признаке. Чем ген экспрессивнее, тем сильнее он подавляет своего аллельного собрата.

Гены специфичны, каждый ген кодирует синтез одного конкретного белка, то есть отвечает за один определенный признак. Один ген – один белок – один признак… Однако настало время внести уточнение в это утверждение.

Предупреждение: читаем вдумчиво и ничему не удивляемся! Не бойтесь, что поначалу в голове образуется какая-то «каша», к концу этой главы вся «каша» разложится по тарелочкам!

Некоторые гены обладают множественным действием, то есть способностью влиять на несколько признаков. Такая «многогранность» называется плейотропией.

Плейотропия может быть первичной или вторичной.

При первичной плейотропии один ген на самом деле влияет на несколько признаков. Например, у человека ген, определяющий рыжую окраску волос, одновременно обуславливает более светлую окраску кожи и наличие на ней веснушек.

При вторичной плейотропии ген, по сути дела, влияет на один признак, от которого напрямую зависит несколько других признаков. Классическим примером вторичной плейотропии является нарушение синтеза белка крови гемоглобина, приводящее к развитию заболевания, называемого серповидноклеточной анемией. «Дефективный», то есть измененный ген, вызывает нарушение синтеза гемоглобина и на этом «умывает руки». Дальше действует «дефективный» гемоглобин, который приводит к таким вторичным проявлениям, как невосприимчивость к малярии, анемия,[10] увеличение печени и селезенки, поражение сердца и головного мозга.

Важно понимать, что правилу «один ген – один белок – один признак» плейотропия совершенно не противоречит. Белок-то в результате считывания информации с гена вырабатывается один, просто он может принимать участие в нескольких процессах, происходящих в организме. Давайте скажем так: «один ген – один белок (или одна РНК)», и эта концепция будет верной для любого, без исключения. Вы с этим согласны? Наверное, согласны, ведь с помощью одной матрицы два разных вещества не наштампуешь…

А знаете ли вы, сколько разновидностей белков синтезируется в организме человека? Более ста тысяч! А генов у нас, как вы уже знаете, примерно впятеро меньше. Получается, что в среднем один ген должен обеспечивать синтез пяти белков. Но матрица-то одна! Код один!

Да, матрица одна, честное слово, одна. А «продуктов», тем не менее, она дает несколько.

Как понимать такой «парадокс»?

Обратите внимание на то, что слово «парадокс» взято в кавычки, потому что на самом деле никакого парадокса нет. Генетика парадоксов не признает, а если что-то и кажется нам парадоксом, так это от недостатка знаний.

Внимание! Сейчас мы с вами прикоснемся к самым сокровенным тайнам генетики и узнаем, что представляет собой уникальный процесс, который называется альтернативным сплайсингом.

Слово «альтернативный» означает, что явление содержит альтернативу, то есть допускает одну из нескольких возможностей. А термин «сплайсинг» образован от английского слова «сплайс», означающего сращивание или склеивание концов.

Альтернативный сплайсинг представляет собой процесс вырезания определенных фрагментов из молекулы матричной РНК в ходе процесса ее созревания. Разумеется, ничего общего с созреванием плодов и ягод созревание РНК не имеет. Суть этого процесса заключается в том, что из молекул РНК вырезаются лишние, ненужные участки, не участвующие в синтезе белка. Эти лишние участки образуются как вспомогательные в ходе «сборки» молекулы РНК на ДНК-матрице. В процессе синтеза РНК они играют определенную роль, а в готовой матрице только мешают. Чисткой матричной РНК, как и прочими делами, связанными с молекулами нуклеиновых кислот, занимаются специальные ферменты – РНК или белки.

Иногда после удаления ненужного фрагмента разрезанная молекула РНК может быть «сшита» с пропуском какого-либо нужного, активного участка. Такие «ошибки» приводят к тому, что на сшитой матрице РНК синтезируется другой белок, а не тот, для синтеза которого матрица изначально предназначалась.

Один ген – одна изначальная матрица – разные белки. Спасибо альтернативному сплайсингу! И при этом правило «один ген – один белок» по сути не нарушается, ведь первоначальная РНК-матрица никаких отклонений от заданного кодом стандарта не имеет.

Обратите внимание на то, что альтернативный сплайсинг является контролируемым процессом, а не стихийно-хаотическим. Да, разумеется, иногда в процессе созревания молекул РНК могут происходить случайные ошибки, являющиеся одним из проявлений изменчивости, но в целом сплайсинг находится под неусыпным наблюдением системы белков, называемых факторами сплайсинга. «Ошибки» альтернативного сплайсинга на деле таковыми не являются, поскольку они заранее запрограммированы и позволяют «экономить» – синтезировать несколько белков на основе одного генетического кода. Без альтернативного сплайсинга наш генетический материал был бы впятеро больше.

Допустим, что вы инженер-строитель и застраиваете целую улицу однотипными домами по одному-единственному проекту. Но всякий раз перед началом строительства ваши помощники вносят в проект определенные изменения, благодаря которым дома получаются не однотипными, а индивидуальными. Вы контролируете своих помощников и приступаете к строительству только после того, как убедитесь, что изменения не повредят делу. То есть ваш сплайсинг безопасен и полезен, потому что в результате улица получается не уныло-однотипной, а красивой. Это же совсем не то, если нерадивые строители сделают что-то не по технологии и в результате постройка обрушится.

Об инженерах и помощниках мы заговорили не случайно, потому что по выполняемым функциям все гены подразделяются на структурные и функциональные. Структурные гены можно сравнить с рабочими, а функциональные – с инженерами-начальниками.

Простые рабочие парни – структурные гены – содержат информацию о белках или РНК, которую они добросовестно передают по назначению. Функциональные гены регулируют работу структурных генов, можно сказать – руководят ими. В зависимости от вида регуляции функциональные гены подразделяются на гены-модуляторы, гены-регуляторы и гены-операторы.

Гены-модуляторы усиливают или ослабляют действие структурных генов. Те, которые ослабляют, называются ингибиторами[11], а те, которые усиливают, – интенсификаторами.

Ген-оператор «включает» и «выключает» структурные гены для считывания с них информации. Гены «включаются» при необходимости, а не работают постоянно. Ген-оператор можно сравнить с бригадиром, который руководит рабочими на месте. Бригаде генов помогает высококвалифицированный мастер – фермент РНК-полимераза, который запускает процесс синтеза РНК.

Ген-регулятор руководит работой гена-оператора. Он содержит информацию, на основе которой синтезируется особый белок-репрессор, блокирующий ген-оператор. Как только потребность в производимом продукте удовлетворяется, ген-регулятор останавливает работу операторов, а при необходимости запускает ее снова.

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как именно происходит блокировка или нейтрализация действия химических веществ в живых организмах? Путем связывания молекул блокирующих белков с их молекулами. Можно сказать, что белковая молекула обхватывает молекулу блокируемого вещества «руками и ногами» и таким образом не дает ему выполнять свои функции. Кстати говоря, точно так же работают и антитела – белки иммунной системы, вырабатываемые против чужеродных агентов. Стоит только антителу прикрепиться к вирусу, как тот «выпадает в осадок», теряет способность проникать в клетки.

На сегодняшний день принято считать, что примерно 94 % генов человека подвержено альтернативному сплайсингу. Сплайсинг не только позволяет «экономить» гены, но и тщательнее контролировать синтез белков и РНК, ведь добавление дополнительных этапов повышает уровень контроля.

Имейте в виду, что альтернативный сплайсинг может проявляться не только удалением каких-то функционирующих участков РНК-матрицы, но и оставлением в ней вспомогательного участка, который, по идее, нужно было бы удалить.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Гипотеза геммул была опровергнута посредством эксперимента, который поставил двоюродный брат Чарльза Дарвина Фрэнсис Гальтон. Он переливал кровь от кроликов с темной окраской шерсти кроликам со светлой шерстью. По логике геммулы темной окраски, якобы содержащиеся в перелитой крови, непременно должны были попасть в половые железы кроликов со светлой шерстью и проявить себя в их потомстве. Однако потемнения шерсти у потомства не произошло. Так было доказано, что никаких геммул не существует.

Глава 3
«Ядерная» генетика

Не удивляйтесь, пожалуйста, названию этой главы, в которой пойдет речь о клеточных ядрах и том, что с ними связано.

Ядро клетки хранит наследственную информацию и участвует в делении клетки. Выше мы сравнивали клеточное ядро со шкафом, в котором хранятся молекулы ДНК, но это сравнение не совсем точное, то есть слишком условное, подходящее для обсуждения темы на бытовом уровне. Но теперь-то мы с вами сильно продвинулись вперед, даже с альтернативным сплайсингом ознакомились, и потому можем считать себя продвинутыми генетиками. Потому и разговор у нас будет продвинутый.

Клеточное ядро образовано собравшимися вместе молекулами ДНК. Как только эти молекулы разойдутся в стороны, ядро исчезнет, а как только соберутся снова – появится вновь. Молекулы ДНК находятся в ядре в виде так называемых хромосом – комплексов, образованных молекулами ДНК, РНК и белков. Огромной молекуле ДНК нужны слуги, которые будут ее обслуживать. Каждая молекула имеет свою «свиту», которая сопровождает ее повсюду. Обратите внимание на то, что хромосомы являются не только хранилищем наследственной информации, но и самостоятельно функционирующими биологическими структурами, фактически – органеллами[12], а не молекулами. Так, например, гомологичные хромосомы при определенных условиях могут обмениваться друг с другом своими участками. Этот процесс называется кроссинговером, и мы с ним в свое время ознакомимся.

«Хромосома» в переводе с греческого означает «окрашенное тело». Такое название хромосомы получили благодаря своей способности связывать некоторые красители, используемые для приготовления микроскопических препаратов, проще говоря – за способность к окрашиванию.

У каждого биологического вида в норме должно быть строго определенное число хромосом. У человека их сорок шесть или двадцать три пары. Последняя, двадцать третья, пара (нумерация, как вы понимаете, условна) определяет пол человека. Хромосомы, одинаковые у мужских и женских организмов, называются аутосомами, а хромосомы, комбинация которых определяет пол, называются половыми хромосомами.

Мужские половые хромосомы принято обозначать как XY[13], а женские – XX. Посмотрите на рисунок, и вы увидите, что половые хромосомы получили обозначение по сходству с соответствующими буквами латинского алфавита.

Половых хромосом может быть и больше одной пары. Так, например, утконос имеет пять пар половых хромосом. Мужской пол у утконоса задается комбинацией XYXYXYXYXY, а женский – XXXXXXXXXX.

Набор хромосом, присущий представителям данного биологического вида, называется видовым кариотипом (или просто кариотипом).

Набор хромосом данного конкретного организма называется индивидуальным кариотипом.

Совокупность внешних и внутренних признаков организма, которая определяется кариотипом, то есть наследственной информацией, называется фенотипом, а отдельный генетически обусловленный признак организма – феном. Каждый фен определяется отдельным геном.

Совокупность всех генов организма называется генотипом. Совокупность внешних признаков организма называют фенотипом.

Генотип – это совокупность всех генов, а кариотип – совокупность хромосом, в которых эти гены содержатся. Можно сказать, что генотип выглядит как кариотип и определяет фенотип.

Запомнили? Идем дальше!

Совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом представителя биологического вида, называется геномом.

Совокупность всех генных вариаций конкретной популяции называется генофондом.

Давайте скажем проще, чтобы не путаться:

– у отдельного человека – генотип;

– у биологического вида Человек разумный (Homo sapiens) – геном;

– у гуанчи (коренных жителей Канарских островов) – генофонд; также иногда термин «генофонд» употребляется применительно к народам, этносам, расам.

В обычной клетке организма (такие клетки называются соматическими, т. е. телесными) содержится полный набор хромосом, который называется диплоидным. Набор этот парный. Одна хромосома в паре получена от матери, другая – от отца. Хромосомы, образующие пару, называются гомологичными. А вот половые клетки, по-научному называемые гаметами, содержат половину диплоидного набора – по одной хромосоме из каждой пары. Такой набор называется гаплоидным. Соединяясь вместе, материнская и отцовская половые клетки объединяют два своих гаплоидных набора в один диплоидный.

Обратите внимание на то, что в любой соматической клетке одного и того же организма содержится один и тот же набор хромосом, то есть один и тот же набор ДНК, образовавшийся при оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом. Каждая клетка организма получает полный набор наследственной информации, но использует только ту часть, которая непосредственно нужна ей.

В мужском кариотипе содержатся две разные половые хромосомы (X и Y), а в женском – две одинаковые (XX). Соответственно, сперматозоиды, мужские половые клетки, могут иметь разные половые хромосомы – X или Y, а яйцеклетки – только Х-хромосому, Y-хромосоме там взяться неоткуда. Таким образом, пол ребенка определяет сперматозоид, оплодотворяющий яйцеклетку.

Вот цифры, которые дают представление о том, насколько компактной является упаковка молекулы ДНК в хромосому. Молекулы ДНК, если кто не в курсе, являются наибольшими из известных науке гигантских молекул. Длина молекулы ДНК самой крупной хромосомы человека (в наборе она идет под первым номером) достигает без малого восьми сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК одной человеческой клетки составляет около двух метров! Если разделить два метра на сорок шесть (число хромосом, то есть число молекул ДНК у человека), то получим среднюю длину человеческой молекулы ДНК примерно в четыре с половиной сантиметра. А хромосомы можно разглядеть только в микроскоп!

Несмотря на то что человек считается венцом природы, хромосом у нас с вами не очень-то и много. У собак их семьдесят восемь, у камчатского краба 254, а у некоторых одноклеточных более тысячи! Количество хромосом в клетке живого организма никак не связано с уровнем его организации. А вот с чем оно связано, пока еще неизвестно.

Примечательно, что у наших ближайших родственников (гориллы, орангутана и шимпанзе) по двадцать четыре пары хромосом, а не двадцать три, как у нас с вами. Считается, что наша вторая хромосома образовалась из двух хромосом наших далеких предков.

Для клетки нет ничего важнее наследственной информации. Во время деления нужно правильно разделить наследственный материал между дочерними клетками. Соматические клетки должны получить полный диплоидный набор, не больше и не меньше, а ровно столько, сколько положено, а половые клетки – гаплоидный. Нехватка одной хромосомы или лишняя хромосома чреваты нежелательными последствиями, вплоть до фатальных. Но нарушение нормального количества хромосом при делении соматических клеток не так уж и страшно – погибнут или не смогут осуществлять деление всего лишь две дочерние клетки. А вот аномальное количество хромосом в половых клетках приводит к различным заболеваниям, а то и к гибели нового организма, образовавшегося при слиянии сперматозоида и яйцеклетки.

Наиболее распространенным и самым известным нарушением кариотипа является синдром Дауна, при котором к 21-й паре хромосом добавляется еще одна хромосома. Этот синдром получил название в честь британского врача Джона Дауна, впервые описавшего его в 1866 году. Однако природа этого заболевания, связанная с врожденным изменением количества хромосом, была выявлена лишь в 1959 году. Почти целое столетие врачи не понимали, с чем именно они имеют дело.

С нехваткой хромосом все понятно – отсутствие хромосомы лишает организм информации о синтезе определенных белков, и такой дефицит ни к чему хорошему привести не может. Но чем опасна лишняя молекула ДНК? Как говорится, много – это вам не мало. Однако же мешает, причем довольно сильно. Для синдрома Дауна характерно свыше трех десятков специфических признаков, проявляющихся с различной частотой, начиная с умственной отсталости и заканчивая врожденным лейкозом, злокачественным заболеванием кроветворной системы. Одна лишняя хромосома – и столько серьезных проблем. Почему так происходит?

Дело в том, что любой живой организм представляет собой сбалансированную систему, в которой все, как говорится, «отточено до мелочей» и любое нарушение баланса чревато нехорошими последствиями.

Представьте себе дом, в котором живут сорок шесть семей. У каждой семьи есть кухарка, которая готовит еду, и горничная, которая следит за порядком в квартире. А еще в доме живет дворник, который подметает двор и следит за тем, чтобы все коммуникации функционировали нормально, чтобы крыша не протекала и т. п. Кухарка и горничная дворнику не требуются, поскольку он привык обслуживать себя сам.

Дом, который вы себе сейчас представили, – это человеческая клетка с сорока шестью хромосомами.

В один злополучный 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 вот лишние жильцы приносят домовладельцу дополнительную прибыль. Кухарку и горничную новым жильцам домовладелец не нанимает, считая, что имеющаяся в доме прислуга запросто сможет обслуживать сорок седьмую семью по очереди. В дополнение к своим основным обязанностям, так сказать…

Что получится в результате?

Ежедневно какая-то из семей-старожилов будет плохо обслуживаться, потому что их прислуге придется «работать на два фронта». Кухарка и горничная станут выполнять свои обязанности кое-как, наспех, ведь им же нужно еще одну семью обслужить… Завтрак запоздает, на обед вместо трех блюд будет подано два, а то и одно, про ужин кухарка впопыхах может вообще забыть. Горничная вместо нормальной уборки ограничится «сдуванием пыли». 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, мол, из-за вас меня лишили моей уютной квартирки. В знак протеста дворник станет халатно относиться к своим обязанностям. В результате трубы в доме начнут протекать, в электропроводке часто будут случаться замыкания, чистый двор превратится в грязный… В конечном итоге бизнес алчного домовладельца может серьезно пострадать.

И точно так же страдает из-за появления одной дополнительной хромосомы жизнедеятельность всего организма. Лишняя хромосома (лишняя молекула ДНК) есть, а сил и средств на ее «обслуживание» нет. Давайте вспомним, что каждая молекула ДНК «обслуживается» комплексом белков и ферментов, обеспечивающих считывание информации для синтеза РНК-матриц и последующий синтез белков на этих матрицах. Для дополнительной хромосомы «обслуга» не предусмотрена, возникает дисбаланс, и начинаются сбои в считывании информации с других молекул ДНК… Вот если бы было можно совсем не обращать внимания на лишнюю хромосому, то никаких проблем бы не было, но такой возможности у организма не существует. Все живое «запрограммировано» природой на максимально полное считывание наследственной информации.

Деление клеток представляет собой весьма интересный процесс, который условно можно сравнить с балетом, в котором каждое движение танцоров-хромосом расписано заранее. «Каждую секунду в нашем теле сотни миллионов неодушевленных, но очень дисциплинированных маленьких балерин сходятся, расходятся, выстраиваются в ряды и разбегаются в разные стороны… словно танцоры на балу, исполняющие сложные па старинного танца. Это древнейший танец на Земле – Танец Жизни. В таких танцах клетки тела пополняют свои ряды, благодаря чему мы растем и существуем…». Так поэтично описывал деление клеток американский генетик Генри Меллер, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Почему-то принято считать деление клетки скучной и малопонятной темой. На самом деле все совершенно не так. Это увлекательно и предельно ясно! Сейчас вы убедитесь в этом сами.

Наверное, не нужно уточнять, что соматические и половые клетки образуются разными способами, ведь в первом случае дочерние клетки получают от материнской полный диплоидный набор хромосом, а во втором – половинчатый гаплоидный. Мы начнем с деления соматических клеток, которое называется митозом. С греческого это слово переводится как «нить».

При чем здесь нить?

О, здесь присутствуют не только нити, но и веретено. Впрочем, давайте не будем забегать вперед…

Митоз, или непрямое деление, представляет собой наиболее распространенный способ воспроизводства эукариотических клеток, то есть клеток, имеющих ядро.

Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними клетками. Кстати, а знаете ли вы, в чем заключается биологический смысл жизни любого организма? В оставлении потомства, в поддержании существования своего биологического вида. Смысл жизни клетки в том, чтобы как можно скорее разделиться на две дочерние. Однако к такому серьезному процессу, как деление, нужно основательно подготовиться – поднакопить нужные ресурсы, «скопировать» хромосомы. Период подготовки к делению, то есть промежуток между двумя делениями, называется интерфазой (промежуточной фазой). В интерфазе хромосомы находятся в клеточном ядре в виде тонких нитей и не различимы в оптический микроскоп. Можно увидеть только само ядро.

Когда подготовка заканчивается, настает время митоза.

Первая фаза митоза, называемая профазой (предварительной фазой), является наиболее продолжительным периодом деления. Начинается она с того, что нити-хромосомы утолщаются и сворачиваются в спираль. Хромосомы удвоились еще в интерфазе, но пока что они соединены попарно перемычками, называемыми центромерами. Сдвоенные хромосомы имеют вид буквы «Х» с центромерой посередине. Центромеры нужны для того, чтобы правильно поделить хромосомы между дочерними клетками. Можно рассматривать их как скрепки, соединяющие распечатанный лист с его копией.

В профазе исчезает ядерная мембрана, оболочка, отделяющая ядро от цитоплазмы, полужидкой внутриклеточной среды. Хромосомы вырываются из ядра на свободу и рассредоточиваются по всей клетке. Сейчас их можно увидеть с помощью оптического микроскопа.

Ясное дело, что в этом хаосе нужно навести порядок. Хромосомы, пусть даже и связанные попарно, не должны «шляться» по клетке без присмотра. Так, чего доброго, их и не удастся поделить поровну. Но, к нашему общему счастью, в клетке есть парные органеллы, которые называются центриолями. Это такие цилиндрики, состоящие из девяти пучков микроскопических трубочек. В интерфазе центриоли располагаются в центре клетки, на условном экваторе, и потому получили такое «центровое» название.

Время действовать наступает в конце профазы, когда центриоли расходятся от экватора в противоположные стороны, образуя два полюса. Хромосомам остается совсем недолго наслаждаться свободой (если они вообще способны ею наслаждаться). Во второй фазе митоза, которая называется метафазой (это название можно перевести как «промежуточная фаза»), разошедшиеся к полюсам центриоли выпускают микротрубочки, которые прикрепляются к хромосомам и образуют так называемое «веретено деления». Эта конструкция и впрямь похожа на веретено – от полюсов к расположившимся на экваторе хромосомам тянутся трубочки.

Каждая центриоль образует микротрубочки по числу хромосом.

К каждой паре хромосом тянутся микротрубочки от разных центриолей, от «северного» и «южного» полюсов. Каждая микротрубочка прикрепляется к одной хромосоме из пары. Так нужно для честного дележа хромосом между двумя дочерними клетками.

Суть метафазы заключается в образовании веретена деления. Как только оно образовано, начинается третья фаза митоза, которая называется анафазой (фазой разделения). В анафазе разрушаются центромеры, и хромосомы, подтягиваемые сокращающимися микротрубочками, расходятся к полюсам клетки. Дележ ценного имущества произведен, дочерним клеткам осталось только разделиться окончательно, что и происходит в заключительной, четвертой фазе митоза, которая называется телофазой (заключительной фазой). У полюсов хромосомы раскручиваются в нити и собираются в ядра, а в экваториальной зоне клетки образуется перетяжка, которая в конечном итоге разделит клетку надвое. Так вместо одной материнской клетки появляются две дочерние. Процесс деления завершается, и наступает интерфаза – подготовка к следующему делению.

Митоз клеток нашего организма длится от получаса до часа. На протяжении всей жизни в нашем теле осуществляется примерно сто триллионов клеточных делений. Сто триллионов – это десять в четырнадцатой степени, 100 000 000 000 000! Есть такая шутка: «Даже когда я сплю, я очень занят на клеточном и молекулярном уровнях». Так оно и есть: в живых организмах постоянно протекают химические реакции и происходит деление клеток.

Все проще простого и даже еще проще, не так ли?

Ядро разрушается, удвоенные хромосомы рассредоточиваются по цитоплазме. Это раз.

Центриоли расходятся от экватора к полюсам и протягивают свои «щупальца» к хромосомам. Это два.

Перемычки-центромеры разрушаются, и хромосомы расходятся к полюсам. Это три.

Поделенные хромосомы образуют ядра, а на экваторе образуется разделяющая перетяжка, которая отделит одну дочернюю клетку от другой. Это четыре. В балете под названием «Митоз» четыре акта.

А вот в балете под названием «Мейоз», в результате которого образуются половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки), актов…

Сколько?

Так и хочется ответить: «тоже четыре, только без предварительного удвоения хромосом», но на самом деле актов не четыре, а восемь!

Да, восемь! Мейоз включает в себя два последовательных этапа деления клеток. Первое деление клеток происходит с удвоением числа хромосом, но в процессе деления центромеры не разрушаются и хромосомы не отделяются от своих копий! В результате обе дочерние клетки получают от материнской спаренные хромосомы, скрепленные центромерами.

Обратите внимание на одно очень важное обстоятельство. Из каждой пары гомологичных хромосом в дочерние клетки попадает по одной хромосоме вместе с ее копией, прикрепленной посредством центромеры. Перед началом митоза или мейоза в результате удвоения хромосом мы имеем по две пары в каждой гомологичной паре (каламбур неуклюжий, но какой уж есть). Во время первого этапа мейоза гомологичные пары разбиваются, но хромосомы не отделяются от своих копий. Так что нельзя ставить знак равенства между первым этапом мейоза и митозом, это разные процессы.

Практически сразу же по окончании первого этапа деления начинается второй, перед которым не происходит удвоения числа хромосом. Тут уж все идет как во время митоза, с разрушением центромер.

В результате мейоза из одной материнской клетки с полным набором хромосом образуются четыре дочерних клетки с половинным набором хромосом. В процессе оплодотворения, при слиянии сперматозоида и яйцеклетки, восстанавливается полный набор хромосом.

Деление безъядерных прокариотических клеток, например – бактерий, происходит гораздо проще. Единственная молекула ДНК, находящаяся в цитоплазме в свободном, «неупакованном» виде, самокопируется, затем обе копии расходятся к полюсам, а на экваторе образуется перегородка, которая впоследствии расслаивается, или же углубляющаяся внутрь перемычка, как при мейозе и митозе.

А теперь, пожалуйста, ответьте на такой вопрос: какой из двух типов клеточного деления – митоз или мейоз – имеет эволюционное значение? Иначе говоря, какой тип деления способствует развитию жизни на нашей планете?

В клетках существуют структуры, обладающие собственной ДНК, иначе говоря – имеющие персональную наследственную информацию. Это митохондрии и хлоропласты.

Митохондрии представляют собой своеобразные энергетические станции клетки. Обычно в клетке содержится около двух тысяч митохондрий, общий объем которых может доходить до четверти объема всей клетки. Митохондрии имеют сферическую или эллипсоидную форму. Внешняя мембрана митохондрии гладкая, а внутренняя – складчатая, образующая множество поперечных перегородок, называемых «кристами».

В митохондриях подвергаются окислению органические вещества, поступающие в клетку извне. При этом образуются молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), накапливающие энергию в своих химических связях. Молекула АТФ – это своего рода клеточный аккумулятор, при возникновении потребности в энергии ее можно расщепить.

Митохондрии есть как в животных, так и в растительных клетках, а хлоропласты только в растительных. Хлоропласты осуществляют фотосинтез – процесс преобразования энергии видимого света в энергию химических связей органических веществ. Их зеленая окраска обусловлена высоким содержанием хлорофилла, основного пигмента фотосинтеза.

Благодаря наличию собственной ДНК митохондрии и хлоропласты способны самостоятельно синтезировать определенные белки. Однако информация о большей части белков митохондрий и хлоропластов содержится в клеточном ядре. Полной самостоятельностью эти органеллы не обладают.

Каким образом митохондрии с хлоропластами смогли получить индивидуальные молекулы ДНК, объясняет симбиотическая теория, согласно которой митохондрии и хлоропласты являются потомками бактерий, бывших симбионтами эукариотической клетки-праматери. Давайте вспомним, что симбиозом называется форма взаимоотношений между живыми организмами, при которой оба партнера-симбионта или только один из них извлекает пользу из другого[14]. Внедрились мелкие симбионты в крупную клетку-партнера и постепенно стали ее неотделимой частью…

Обратите внимание на то, что гены, содержащиеся в ДНК митохондрий и хлоропластов, в геном обычно не включают. Понятие генома охватывает только ядерную ДНК.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Разумеется, эволюционное значение имеет мейоз, ведь из образующихся в ходе него половых клеток образуются новые организмы с уникальными индивидуальными наборами признаков. Значение митоза «замыкается» на уровне одного отдельно взятого организма, обновляющего свои клетки в течение жизни. А мейоз можно назвать «глобальным процессом».

Глава 4
Нюансы приспособления к условиям окружающей среды

Почему у жирафа такая длинная шея?

Так и хочется ответить: «Для того, чтобы дотягиваться до высоко расположенных на деревьях листьев и плодов». Эту гипотезу, кстати говоря, предложил в XIX веке французский биолог Жан-Батист Ламарк, автор весьма популярной в свое время эволюционной концепции, названной ламаркизмом.

Нет, мы не переключились на эволюцию. Мы продолжаем вести разговор о тайнах и законах генетики, а именно о том, каким образом происходит наследование приобретенных признаков. Это очень важный, можно сказать – принципиальный вопрос, своеобразный камень преткновения, о который в былые времена споткнулось множество ученых, а кое-кто продолжает спотыкаться о него и в наши дни.

Ламаркизм был первой стройной и целостной теорией эволюции живого мира. Ламарк признавал, что на форму и организацию живых организмов влияют факторы окружающей среды, которые он называл «обстоятельствами». Это совершенно верно. В процессе своего индивидуального развития, которое по-научному называется онтогенезом, все живое постоянно находится под воздействием различных факторов окружающей среды. Невозможно обитать в среде и быть свободным от ее влияния. Особи с одинаковым генотипом могут иметь разные фенотипы, если они обитают в разных условиях и на них воздействуют разные факторы окружающей среды.

Образно генотип можно сравнить с записью музыки на каком-либо носителе, а фенотип – с самой музыкой, которую мы слышим. Одна и та же музыка может звучать по-разному в зависимости от устройства, на котором она воспроизводится, к музыке могут примешиваться посторонние шумы, электромагнитные волны могут вызывать изменения звучания и т. п.

Варианты фенотипа в пределах одного и того же генотипа называют модификациями. Модификации могут носить приспособительный характер. Пожалуй, самыми распространенными и наиболее наглядными примерами приспособительной (или, как еще говорят, адаптивной) модификации у человека являются развитие, увеличение объема мышц при регулярной физической нагрузке и загар – потемнение кожи под воздействием ультрафиолетовых лучей, вследствие образования и накопления в ней пигмента меланина[15].

Одно и то же растение может выглядеть по-разному в зависимости от того, растет оно высоко в горах или же в долине. Горные растения обычно низкорослые, с глубоко уходящими в почву корнями. Низкорослость и сильно развитая корневая система являются следствием низкого содержания питательных веществ в почве. Также на рост горного растения влияют такие условия, как более холодная температура воздуха и недостаток влаги. В долинах, где почва питательнее, влаги больше и воздух теплее, растения вырастают выше своих горных «собратьев», а вот их корневая система развита хуже. А зачем ее интенсивно развивать, если в поверхностном слое почвы достаточно питательных веществ и достаточно воды? Если растение растет в тени, то оно будет иметь более крупные, чем обычно, листья, чтобы улавливать как можно больше солнечного света, необходимого для фотосинтеза. А вот если растение растет в засушливой местности, то его листья будут мельче обычного размера, для того чтобы сохранить как можно больше воды (с поверхности листа испаряется вода). Рыбы, обитающие в крупных водоемах, где много пищи, заметно превосходят размерами своих собратьев из мелких, небогатых пищей водоемов.

Ошибка Ламарка заключалась в том, что он считал возможным передачу приобретенных в ходе жизни признаков по наследству. Если признак «упражняется», то есть активно используется, то он закрепится в потомстве, считал Ламарк. А если не «упражняется», то исчезнет. Жираф приспособился поедать высоко расположенные ветви, и потому у него удлинилась шея. Жираф ежедневно тянется к высоко растущим листьям, то есть постоянно «упражняет» свою шею, поэтому «длинношеесть» жирафа передается потомству. Вроде бы и логично, но в корне неверно.

Ламарк не был знаком с генетикой, в отличие от нас с вами. Но мы-то знаем, что по наследству могут передаваться только те признаки, которые «записаны» в молекулах ДНК. Сколько ни вытягивай шею, сколько ни накачивай мышцы, генотип от этого не изменится. С концепцией Ламарка хорошо гармонировала дарвиновская гипотеза о геммулах, но ее несостоятельность была доказана наглядно и убедительно.

Приспособительные модификации по наследству не передаются, поскольку они не влияют на генотип. Это первое.

Признаки, полученные в ходе приспособления к условиям окружающей среды, передаются по наследству. Это второе.

Оба утверждения верны. Это третье.

У вас голова идет кругом? Не волнуйтесь, это сейчас пройдет. Давайте сосредоточимся на втором утверждении, поскольку с первым мы вроде бы разобрались, и поговорим о механизме передачи приспособительных признаков потомству.

Наследственная информация может передаваться дочерним клеткам в несколько измененном виде. Например – был случайно пропущен какой-то фрагмент при копировании молекулы ДНК. Изменения, происходящие при делении соматических клеток, нас сейчас не интересуют, потому что они не выходят за пределы одного конкретного организма. А вот половые клетки передают измененную наследственную информацию потомству, в результате чего у потомков могут появляться новые признаки.

Обратите внимание на то, что изменения наследственной информации происходят случайно, спонтанно, без какого-либо плана и без какого-либо смысла. Появившиеся в результате изменений признаки могут быть нейтральными (то есть не полезными и не вредными), полезными или же вредными.

Возьмем для примера жирафа, хотя это довольно условный пример, поскольку на сегодняшний день среди ученых не существует единого мнения о факторах, вызвавших удлинение шеи жирафа. Но давайте останемся в рамках версии Ламарка – длинная шея позволяет лучше питаться, поедая то, что недоступно особям с короткой шеей.

Допустим, что изначально шея жирафа была такой же, как и у лошади. Жирафы питались травой и листвой кустарников, а то, что росло на деревьях, было им «не по зубам». Но вдруг, в результате случайного изменения одной из молекул ДНК, родилась особь с длинной шеей, позволявшей дотягиваться до веток деревьев. Эта особь не испытывала недостатка в пище, потому была крупной, сильной, прожила дольше других и активнее скрещивалась, в результате чего оставила больше потомства, чем другие, «обычные» особи. С теми ее потомками, которые унаследовали длинную шею, произошла та же самая история – они поспособствовали дальнейшему распространению гена длинной шеи в популяции жирафов. Со временем все жирафы стали относительно длинношеими. Но каждое изменение гена, приводившее к большему удлинению шеи, подхватывалось и закреплялось естественным отбором. В конечном итоге шея жирафа удлинилась до двух метров (это среднее значение на сегодняшний день).

Длинная шея – полезный признак для жирафа, а короткая – вредный. Особь с короткой шеей будет питаться недостаточно, вырастет слабой, не станет проявлять большой активности в спаривании, проживет не так долго, как обычные особи, и оставит меньше потомства. И с ее короткошеими потомками повторится такая же история. У вредного признака не может быть шансов на распространение в популяции. Естественный отбор вычеркивает вредные признаки.

Допустим, что один из жирафов родился с двумя парами рожек на голове вместо одной (такое иногда случается). Какая жирафу польза от лишней пары рожек? Никакой. Этот признак не будет закрепляться в потомстве, но и «вычеркиваться» тоже не будет. Время от времени станут рождаться отдельные особи с двумя парами рожек, но это будет исключением из общего правила.

С точки зрения наследственности, приспособление к условиям окружающей среды заключается в том, что выживают и дают потомство более приспособленные особи, а не в том, что полезные признаки и вообще все признаки, приобретенные организмом в течение жизни, могут передаваться потомству.

Отправной точкой в наследовании служит ген, а не признак!

Генотип определяет фенотип, но фенотип никак не влияет на генотип!

В конце XIX века немецкий ученый Август Вейсман опроверг концепцию Ламарка при помощи простого (хоть и жестокого) эксперимента. Вейсман разводил мышей, которым вскоре после рождения отрезал хвосты. Из поколения в поколение от бесхвостых мышей рождались хвостатые детеныши, хотя, согласно Ламарку, хвосты должны были исчезнуть, так как они не «упражнялись», не использовались мышами при жизни. Эксперимент Вейсмана длился четыре года и охватил 1592 мышей из 22 поколений, то есть был весьма убедительным.

Фенотип никак не влияет на генотип!

Классическим примером генетического абсурда была предложенная в свое время академиком Трофимом Лысенко[16] переделка яровой пшеницы в озимую.

Надо сказать, что в отечественной истории был период (1933–1965 годы), когда генетика считалась лженаукой, а в естественных науках «правили бал» Лысенко и его сторонники, имевшие весьма своеобразные, если не сказать – абсурдные, понятия о наследственности и изменчивости.

Ряд растений подразделяется на озимые и яровые сорта. Озимые сорта высеваются осенью, потому что они требуют большего времени для созревания, а яровые – весной, поскольку они не выдерживают зимних холодов. Лысенко утверждал, что если зерну озимой пшеницы дать набухнуть и после выдержать его некоторое время при прохладной температуре (0–10 °C), то озимая пшеница превращается в яровую и может с успехом высеиваться весной. Хотите осуществить обратное превращение – сделать яровую пшеницу озимой? Нет проблем, высевайте ее по осени, а из того, что перезимует под снегом и взойдет весной, выводите озимый сорт.

Разумеется, никаких превращений с пшеницей на деле не происходило. Яровые сорта оставались яровыми, а озимые озимыми, несмотря на то что Лысенко и его сторонники демонстрировали успешные эксперименты по подобным «превращениям». На это можно сказать только одно – было бы желание, а результат подогнать всегда можно.

Если логически продолжить тему «воспитания» пшеницы, то можно дойти до возможности превращения ежа в ужа. А что тут такого сложного? Надо взять ежа и посадить в ящик (или нору), откуда можно будет выбраться только через узкий длинный ход, а еду и питье положить возле выхода. Голод, как известно, не тетка, а жажда – не мать родная. Захочет еж есть и пить и полезет наружу, потому что другого выхода у него нет. А для того, чтобы пролезть через узкий ход, ему придется сбросить иголки и вытянуться в длину – вот вам и уж!

Не передающиеся по наследству изменения фенотипа организма, возникшие под влиянием каких-то экстремальных факторов среды и не имеющие приспособительного характера, называются морфозами. Нередко морфозы выражаются в виде уродств. Примером могут служить отклонения в развитии плода, возникшие вследствие действия определенных химических веществ или радиационного излучения. Морфозы отличаются от приспособительных модификаций не только отсутствием приспособительного характера, но и своей необратимостью – они сохраняются на протяжении всей жизни организма.

Обратите внимание на то, что организм наследует не признак как таковой, а способность формировать определенный фенотип в конкретных условиях среды. Амплитуда, в пределах которой может варьировать признак, называется нормой реакции.

Вот вам традиционный вопрос: морфозы находятся в пределах нормы реакции или же вне ее?

Чем бы вас удивить напоследок? А то как-то все чересчур складно выходит…

Вот вам любопытнейший факт. Если подвергать куколки колорадского жука нагреванию или охлаждению (в умеренных пределах, так, чтобы не вызвать их гибель), то у взрослых особей изменится окраска…

«Приспособительная модификация!» – скажете вы. На первый взгляд, так оно и есть, но это изменение окраски передастся потомству…

Есть над чем задуматься?

Измененная окраска будет проявляться в нескольких поколениях, а затем произойдет возврат к прежней окраске…

Нет, это не сказка, а чистая правда.

Изменение окраски под действием внешних факторов и относительно недолгое существование нового признака наводит на мысль о приспособительной модификации, которая исчезает после прекращения действия вызвавшего ее фактора. Так оно и есть. Действие пониженной или повышенной температуры вызывает изменения в цитоплазме клеток, которые приводят к нарушению репликации (копированию молекул ДНК) в митохондриях. В результате изменяется окраска взрослых особей. Ясно почему, нарушение репликации приводит к синтезу новых белков.

Генотип при этом не меняется, потому что относительно небольшие изменения температуры никак не отражаются на молекулах ДНК, хранящих наследственную информацию. Нарушается только процесс снятия копий с этих молекул. Копии получаются с дефектом, а оригиналы остаются неизменными. В описанном эксперименте мы имеем дело с так называемой длительной модификацией, с изменением фенотипа под воздействием факторов внешней среды.

Хорошо, пусть так. Но каким образом изменение фенотипа передается потомству в течение нескольких поколений?

На этот вопрос пока что нет внятного ответа. Но когда-нибудь он обязательно появится!

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Морфозы находятся вне нормы реакции, поскольку они не имеют приспособительного характера.

Глава 5
Хромосомная теория наследственности и кроссинговер

Наследственностью называется способность организмов передавать свои признаки и особенности развития потомству. Преемственность наследственных свойств обеспечивается передачей генетической информации из поколения в поколение, благодаря которой все живое охраняет в своем потомстве характерные видовые черты – страусы остаются страусами, дельфины – дельфинами, а огурцы – огурцами.

То, что дети похожи на своих родителей, было замечено давным-давно, и мудрецы древности пытались найти этому объяснение при помощи логики, ведь других инструментов у них не было.

Отец медицины Гиппократ предположил, что в мужских и женских зародышевых частицах (о клетках никто в пятом веке до нашей эры понятия не имел) скапливаются некие экстракты, определяющие индивидуальные особенности развития потомства. Похоже на дарвиновскую концепцию геммул, верно? А вот Аристотель, живший веком позже Гиппократа, считал, что наследственные свойства каждый организм получает от отца в виде некоего духовного, нематериального начала, в виде особой внутренней силы, которую он назвал энтелехией («осуществленностью»). А мать предоставляет ребенку материю для развития.

До XIX века материалистическая теория Гиппократа и идеалистическая теория Аристотеля просуществовали без каких-либо уточнений и дополнений. Каждый ученый выбирал себе ту концепцию, которая совпадала с его мировоззрением, не углубляясь в тему. Для изучения наследственности людям недоставало знаний. Заводчики и селекционеры[17] не понимали, почему одни признаки легко закреплялись в потомстве, с другими приходилось повозиться, а некоторые вообще не удавалось закрепить, несмотря на все старания.

В XIX веке многие ученые занимались вопросами наследственности, в том числе и сам Дарвин, но их умозрительные теории, не опробованные и не доказанные на практике, вместо ясности только еще больше запутали дело, были хороши для Древней Греции, но не для эпохи расцвета всех наук. Только в начале ХХ века американский генетик Томас Морган со своими сотрудниками Кэлвином Бриджесом, Алфредом Стертевантом и Германом Меллером сформулировали хромосомную теорию наследственности. Годом рождения этой теории официально считается 1915 год, в котором Морганом и его коллегами был опубликован фундаментальный труд «Механизм менделевской[18] наследственности».

Хромосомная теория наследственности развивалась вместе с генетикой, и на сегодняшний день ее основные положения формулируются следующим образом.

Первое – гены находятся в хромосомах.

Второе – гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.

Третье – различные хромосомы содержат неодинаковое число генов; кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

Четвертое – аллели генов занимают одинаковые локусы[19] в гомологичных хромосомах. Иначе говоря, гены, отвечающие за развитие одного признака, расположены в гомологичных хромосомах на одинаковых местах. Тождественность расположения имеет очень важное значение. Она делает возможным обмен участками между гомологичными хромосомами. Этот обмен, который называется кроссинговером[20], происходит в первой профазе мейоза. Гомологичные хромосомы обмениваются совершенно одинаковыми участками, образно говоря, получают взамен ровно столько же, сколько и отдали.

Изменение в генетическом материале хромосомы[21], вызванное кроссинговером, называется рекомбинацией.

Кроссинговер очень полезен для биологического вида. Не для одной отдельной особи, а именно для биологического вида. Можете объяснить – почему? Ответ будет приведен в конце главы.

Предупреждение: обратите внимание на то, что кроссинговер происходит в мейозе, то есть при образовании половых клеток. Вопрос очень сложный, если вы не сможете на него ответить, то не огорчайтесь, а просто прочтите ответ. Ну а если сможете, то вы молодец!

Пятое – гены одной хромосомы образуют группы сцепления, то есть наследуются преимущественно совместно, единым блоком, благодаря чему происходит сцепленное наследование некоторых признаков.

Шестое – сцепление нарушается в результате кроссинговера, частота которого прямо пропорциональна расстоянию между генами в хромосоме (поэтому сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами). Чем ближе друг к другу расположены в хромосоме два отдельных гена, тем меньше вероятности того, что они будут разлучены в результате кроссинговера. И, соответственно, наоборот – чем дальше гены друг от друга, тем больше у них шансов расстаться.

Седьмое – каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом, который называется кариотипом.

Таковы основы хромосомной теории наследственности.

Вы уже знаете, что ДНК находится и за пределами клеточного ядра, в митохондриях и пластидах. А раз есть ДНК, значит, есть и обусловленная ею наследственность. Все внеядерные формы наследственности называют цитоплазматической наследственностью. Имеется в виду не расположение молекул ДНК непосредственно в цитоплазме, а их расположение за пределами клеточного ядра. Цитоплазматическая наследственность не имеет такого значения, как хромосомная, но пренебрегать ею нельзя. Так, например, можно предположить, что «парадоксальная» передача фенотипически измененной окраски потомству колорадского жука, о которой говорилось в предыдущей главе, обусловлена каким-то неизвестным пока еще свойством цитоплазматической наследственности. Кстати говоря, в хромосомы «упаковываются» только молекулы ядерной ДНК. Внеядерные молекулы ДНК относительно небольшие и имеют замкнутую кольцевую форму[22].

Важно понимать, что внеядерные признаки наследуются только по материнской линии, потому что митохондрии и пластиды передаются новому поколению яйцеклеткой. Сперматозоид передает потомству только отцовский генетический материал (свое ядро) и ничего больше.

С наследственностью мы пока что закончили. Давайте вернемся к кроссинговеру и разберем то, что осталось за пределами нашего внимания.

На сегодняшний день принято считать кроссинговер случайным процессом, но не исключено, что обмен участками подчинен каким-то строгим закономерностям, которые пока еще не открыты. Да и сам механизм кроссинговера пока еще не изучен до конца. Говоря «хромосомы обменялись участками», мы не представляем всех деталей этого процесса и не можем расписать его «по нотам». Короче говоря, если вы молоды, вдумчивы, энергичны и мечтаете совершить одно или несколько великих открытий, то вам определенно стоит подумать о том, чтобы стать генетиком. Кроме шуток.

Кроссинговер, происходящий в одном участке хромосомы, называют одинарным. Поскольку хромосомы очень длинные, в них одновременно могут происходить несколько перекрестных обменов участками – двойные, тройные и множественные кроссинговеры.

Все живое устроено очень продуманно. У любого полезного (вы уже догадались, почему полезен кроссинговер?) процесса существует свой ограничительный механизм, не позволяющий полезному превратиться во вредное. Существует такое явление, как интерференция. Суть его заключается в том, что кроссинговер, происшедший в одном участке хромосомы, подавляет кроссинговер в близлежащих сегментах.

Зачем нужно подавлять кроссинговер «по соседству»? Зачем ограничивать размеры обмениваемых участков? Ведь обмен-то происходит равноценный…

Во-первых, смысл кроссинговера состоит в повышении разнообразия, в создании новых комбинаций генов. Для этого выгоднее произвести несколько обменов небольшими участками, расположенными в разных местах, а не обменивать один большой участок на другой. Можно привести довольно грубую, но наглядную аналогию с игральными картами, которые нужно тасовать так, чтобы полностью изменить последовательность их расположения. Если просто разделить колоду карт надвое и поменять половинки местами, толку от такой тасовки будет мало.

Во-вторых, во время разрезания и сшивания молекулярных цепочек неизбежны ошибки. Лучше, то есть выгоднее, иметь ошибку, приводящую к относительно небольшим изменениям генетического кода, нежели масштабную.

После открытия кроссинговера было принято считать, что при этом процессе рекомбинация осуществляется между генами, но сам ген кроссинговером никогда не разделяется. Таким образом, ген стал считаться единицей кроссинговера. Генетики представляли хромосому в виде длинной нити с нанизанными на нее «бусинами» – генами. Каждый ген собран в плотный комок, который при кроссинговере разрезаться не может. Нить хромосомы рвется только там, где на ней нет бусин. Вполне логичное предположение, не так ли?

Подобные взгляды сохранялись до середины прошлого века, то есть до начала бурного развития генетики. Кстати говоря, даже сейчас в специализированной литературе иногда можно встретить утверждение: «ген является единицей кроссинговера», несмотря на то что на самом деле кроссинговер может проходить и внутри генов. Правда, «внутригенный» кроссинговер является исключением, а не правилом, поскольку он происходит очень редко, примерно в десять тысяч раз реже обычного. Так что упрощенно можно продолжать считать ген единицей кроссинговера. Мы с вами так и будем делать.

Важно понимать, что гены в результате «внутригенного» кроссинговера не уничтожаются, а всего лишь «обновляются». Как бы ни протекал кроссинговер, на количестве генов в хромосоме он не сказывается. Сколько было до обмена, столько же будет и после него. Кроссинговер «тасует» гены, но не превращает одни гены в другие. Если, к примеру, в темнокожей семье с исключительно темнокожими предками с обеих сторон вдруг рождается белый ребенок, то это явление никак нельзя объяснять кроссинговером. Точно так же, как и рождение темнокожего ребенка в исконно белой семье.

Выше было сказано о том, что кроссинговер наблюдается во время мейоза. Однако обмен участками между гомологичными хромосомами может происходить и в митозе, в периоде интерфазы, когда клетка, готовящаяся к предстоящему делению, удваивает число хромосом. В интерфазе хромосомы не соединяются друг с другом центромерами, но обмену участками это не мешает. Более того – отсутствие центромер позволяет четырем хромосомам сливаться в крестообразную структуру, которая затем разрывается таким образом, что у каждой хромосомы появляется новый фрагмент[23]. Такие хромосомные «кресты» называются структурами Холлидея, в честь британского биолога Робина Холлидея, предположившего существование «крестов» в 1964 году.

Митотический кроссинговер наблюдали в соматических клетках ряда организмов, в том числе и у человека. В отличие от обычного мейотического кроссинговера, который «по умолчанию» является полезным процессом (вы уже догадались почему или еще нет?), митотический кроссинговер может как приносить пользу, так и причинять вред. Полезный митотический кроссинговер создает благоприятные для клетки комбинации генов. Вредный может приводить к перерождению обычной соматической клетки в злокачественную, склонную к бесконтрольному и ненужному организму размножению. Вообще с точки зрения генетики возникновение злокачественных (раковых) опухолей является следствием накопления «ошибок» в геноме. Другим отличием митотического кроссинговера от мейотического является отсутствие влияния на биологический вид в целом. Митотический кроссинговер имеет значение только для того организма, в клетках которого он происходит, потому что возникшие при нем изменения не могут быть переданы потомству.

Взаимный обмен участками между негомологичными хромосомами (такое тоже бывает) называется не кроссинговером, а реципрокной транслокацией[24] (или просто транслокацией). Транслокации возникают вследствие ошибок при ликвидации разрывов обеих нитей в двух расположенных рядом негомологичных молекулах ДНК – фрагмент одной молекулы «пришивается» к фрагменту другой.

Слияние двух хромосом с образованием одной также называется транслокацией, но не реципрокной, а робертсоновской. Помните, что мы говорили о том, как наша вторая хромосома образовалась из двух хромосом наших далеких предков и потому у нас двадцать три пары хромосом, а у всех человекообразных обезьян по двадцать четыре? Это слияние – пример робертсоновской транслокации. Возможно, именно эта транслокация послужила причиной интенсивного роста головного мозга и бурного развития интеллекта у наших предков, ведь человекообразные обезьяны так и не стали разумными.

Чаще всего транслокации не вызывают потери или добавления генетического материала, и поэтому их носители, как правило, имеют нормальный фенотип – внешне транслокации никак не проявляются. По большому счету клетке все равно, с какой хромосомы считывать наследственную информацию, важно, чтобы эта информация была в наличии. Транслокации, в результате которых общее количество хромосомного материала не изменяется, называются сбалансированными транслокациями. При потере какого-то количества хромосомного материала транслокация называется несбалансированной.

Несбалансированные транслокации чреваты негативными последствиями, выраженность которых зависит от характера (одни гены важнее других) и количества утраченного хромосомного материала. Транслокации, возникшие в половых клетках, могут приводить к проблемам со здоровьем и отставанию в развитии у потомства. Несбалансированные транслокации, возникающие в соматических клетках, могут приводить к потере контроля над клеточным делением, в результате развиваются онкологические заболевания. В основе любого онкологического заболевания лежит неконтролируемое, чрезмерное деление клеток. В наше время наиболее перспективным способом лечения онкологических заболеваний представляется генетический, потому что наиболее эффективным лечением заболевания является устранение его причины.

В чем состоит принципиальная разница между кроссинговером и транслокацией?

Кроссинговер представляет собой физиологический, то есть характерный для нормальной жизнедеятельности клетки процесс, а транслокации являются отклонением от нормы.

Избегайте распространенной ошибки, характерной для дилетантов, – не ставьте знак равенства между полезным и физиологическим! Всё физиологическое полезно, но не всё полезное физиологично. Транслокации могут приводить к каким-то полезным изменениям, но, тем не менее, физиологическим процессом они считаться не могут.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Являясь одним из механизмов наследственной изменчивости, кроссинговер обеспечивает повышение генетического разнообразия в пределах биологического вида. Повышение генетического разнообразия увеличивает вероятность появления полезных признаков, что способствует более качественному приспособлению отдельных особей и видов в целом к условиям окружающей среды. Чем больше генетического разнообразия, тем лучше приспособляемость. Чем лучше приспособляемость, тем выше выживаемость.

Вы можете сказать, что вероятность появления вредных признаков точно такая же, как и полезных. Совершенно верно, вероятности одинаковы, но дело в том, что полезные признаки закрепляются и распространяются, а вредные быстро «вычеркиваются» естественным отбором. Иначе говоря, вредные признаки наносят ущерб отдельным особям, а полезные приносят пользу всему биологическому виду (или же всей популяции данного вида).

Глава 6
Мутации

Эта глава – самая важная в книге. После ее прочтения вы можете считать себя человеком, разбирающимся в генетике. Почему самая важная глава идет по счету шестой, а не первой? Потому что для знакомства с мутациями нужно иметь определенный багаж знаний.

Главной движущей силой эволюции является естественный отбор, увеличивающий количество особей, обладающих более высокой приспособленностью к условиям среды, и, соответственно, уменьшающий количество плохо приспособленных. А задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что служит «топливом» для естественного отбора? Точнее даже не топливом, а поставщиком материала… В результате чего появляются новые признаки?

Разумеется, в результате изменений генетического материала. Не так скопировали, не там разрезали, не то сшили… Короче говоря – ошиблись.

Все то буйное великолепие живой природы, которое существует на нашей планете, является результатом цепи нескончаемых ошибок, которые превратили Самую Первую Клетку в миллионы биологических видов. Да и человека, при всех его достоинствах, можно с полным правом называть не «венцом творения», а «ошибкой природы». Нет, лучше не «ошибкой природы», а «результатом мутаций», так будет правильно с генетической точки зрения.

Мутацией[25] называется стойкое изменение генома (структурная перестройка в гене), приводящее к изменению наследственной информации. Слово «стойкое» означает, что это изменение может передаваться потомкам.

Полное современное определение мутации звучит следующим образом: это внезапное качественное изменение структуры ДНК в одном локусе (генная мутация) или изменение числа или микроструктуры хромосом (хромосомная мутация). Мутация может затрагивать как отдельный ген, так и хромосому. Транслокации, с которыми мы ознакомились в предыдущей главе, являются одной из разновидностей хромосомных мутаций.

Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом. Различают естественный и искусственный мутагенез. Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое или радиоактивное излучение, а также некоторых химических веществ. Суть заключается не в самих факторах, а в характере их воздействия на организм. Если они воздействуют спонтанно, случайно, сами по себе, то мутагенез будет считаться естественным. Если же клетки облучаются ультрафиолетом в ходе эксперимента, то вызванный облучением мутагенез будет считаться искусственным.

Кстати говоря, именно мутации, точнее – вызванные ими изменения фенотипа, позволили ученым обоснованно предположить существование генов в то время, когда этих самых генов никто и в глаза не видел. Ход рассуждений был примерно таков:

– первое: нет сомнений в том, что у всех собак был общий предок (собаки взяты в качестве примера произвольно, на их месте могла бы оказаться капуста или, скажем, лук);

– второе: но при этом собаки разных пород очень сильно отличаются друг от друга; самец среднеазиатской овчарки алабай имеет высоту в холке около семидесяти сантиметров и может весить восемьдесят килограммов, а самец чихуахуа весит в среднем два с половиной килограмма, к тому же по внешнему виду алабай и чихуахуа отличаются друг от друга, как небо и земля;

– третье: как сотни пород собак (или десятки сортов лука) могли произойти от одного общего предка?

– четвертое: они могли произойти от одного общего предка в результате изменения неких носителей наследственных признаков, которые назвали генами; одни гены определяют основные видовые[26] признаки (два уха, четыре лапы, наличие хвоста, умение лаять и т. п.), а другие – второстепенные признаки (размеры и пропорции тела, форму ушей, длину шерсти…).

Начали с того, как непохожи друг на друга собаки разных пород, а пришли к генам!

Не имея никакого понятия о мутациях и генах, наши предки, тем не менее, успешно использовали мутации, возникавшие у растений или животных. Любой случайно появившийся полезный (с точки зрения человека)[27] признак, человек старался сохранить и распространить посредством скрещивания, для которого отбирались особи, обладавшие этим признаком. Спустя энное количество поколений человек получал новый сорт растения или новую породу животного.

Типичным и часто приводящимся в научной литературе примером использования полезной мутации является выведение породы анконских овец, о которых в труде «Изменчивость животных и растений в одомашненном состоянии» упоминал Чарльз Дарвин.

В 1791 году на одной ферме в американском штате Массачусетс родился ягненок с длинным туловищем и очень короткими искривленными ногами, по внешнему виду настоящий урод. Когда «урод» вырос в здорового взрослого барана, его хозяин оценил преимущество «коротконогости». Из-за своих коротких ног баран не мог перепрыгивать через изгороди пастбищ, подобно своим собратьям. Выгода получалась двойной – отпадала необходимость в пастухах и собаках, которым приходилось постоянно сгонять разбежавшихся овец обратно, и не наносился ущерб полям. А ущерб этот был значительным, поскольку овцы не только поедали всходы, но и вытаптывали их. Фермер скрестил коротконогого барана с его матерью и получил ожидаемое коротконогое потомство. Селекция была простой, так как проводилась по одному-единственному признаку, иначе говоря, нужно было закрепить в потомстве всего один ген. Вдобавок у родоначальника новой породы был «готовый» полезный признак, который оставалось только растиражировать. В большинстве же случаев к желаемому признаку приходилось идти длинным путем. В аналогичном случае селекционерам, желавшим вывести коротконогую породу овец, пришлось бы годами скрещивать особей, ноги которых были короче, чем у других. А массачусетскому фермеру природа преподнесла признак «на блюдечке с голубой каемочкой».

Важно понимать, что мутации не накапливаются до какого-то критического порога, чтобы затем проявиться. Мутации происходят внезапно, случайно, скачкообразно. Не было никаких изменений в гене – и вдруг оно произошло! Знакомьтесь: я ваша новая мутация!

Предупреждение: кому-то может показаться, что эта книга структурирована неправильно. Мы с вами уже ознакомились с хромосомной теорией наследственности, сейчас будем знакомиться с мутационной теорией Коржинского – Де Фриза[28], а опыты Грегора Менделя, с которых, собственно, и началась генетика, отложили на потом. Но мы же изучаем генетику, а не историю генетики, верно? А для того, чтобы понимать суть опытов Менделя, нужно обладать определенными знаниями. Иначе вы окажетесь в положении Менделя, который сделал великое открытие и даже пришел к определенным выводам, но многого не понял, потому что просто не мог понять.

Мутации внезапны, они представляют собой дискретные изменения признаков – это первое и главное положение мутационной теории Коржинского – Де Фриза, являющейся одной из основ генетики.

Вот другие положения этой теории (существующие в наше время формулировки могут различаться, но суть их едина):

– мутации устойчивы, то есть передаются по наследству;

– в отличие от ненаследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа, а представляют собой качественные скачки изменений;

– мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными;

– мутации индивидуальны;

– мутации спонтанны, то есть протекают самопроизвольно и носят случайный характер;

– одни и те же мутации могут возникать неоднократно.

Фразы «мутации не образуют непрерывных рядов» и «мутации не группируются вокруг какого-либо среднего типа» для непосвященных могут звучать непонятно, но мы это сейчас быстро исправим.

Непрерывный ряд – понятие не столько генетическое, сколько статистическое, общее. Признак может иметь прерывное (дискретное) или непрерывное изменение.

Признак имеет непрерывное изменение в том случае, если он может принимать любое значение. Разумеется, в определенных границах. Для таких признаков статистики строят интервальные или непрерывные вариационные ряды.

Примером непрерывного признака может служить масса тела, которая является ненаследственным изменением. Унаследовать можно предрасположенность к ожирению, но не конкретную массу тела как признак. В определенных границах масса тела может иметь любое значение и изменяется она постепенно. Непрерывные признаки могут принимать любые значения в определенном интервале.

Дискретные ряды строят для признаков дискретных, с прерывным изменением. Цвет глаз – это дискретный признак. Дискретные признаки могут принимать только отдельные значения из некоторого набора вероятностей.

Средний тип – это тоже статистическое понятие. Вокруг среднего типа или среднего значения группируются непрерывные признаки. Так, например, можно сказать, что средняя масса тела взрослого мужчины составляет семьдесят килограммов, и прочие значения будут группироваться вокруг этой цифры. А у дискретных признаков понятия среднего типа не существует. Выражение «средний цвет глаз» звучит смешно, не так ли?

Можно сказать и проще, не углубляясь в статистическую премудрость: мутации представляют собой скачкообразные изменения.

Генные мутации представляют собой изменение строения одного гена, то есть изменение последовательности нуклеотидов. Нуклеотид может выпасть при репликации (копировании) молекулы ДНК, он может быть заменен на другой, или же может произойти вставка нуклеотида, которого прежде в цепи не было. Вариантов несколько, а итог один – изменение генетического кода и изменение молекулы белка, синтезируемого по этому коду.

Если изменяется код, то изменяется и кодируемый им признак! Иначе быть не может. Но мутация гена может не отразиться на фенотипе, то есть не проявиться в признаке, если действие мутировавшего гена будет подавлено парным геном из гомологичной хромосомы или если изменение в молекуле синтезируемого белка не будет нарушать его функций.

Вы можете сейчас удивиться: каким образом изменение в молекуле синтезируемого белка не будет нарушать его функций? Ведь химия учит, что любое изменение молекулы приводит к превращению одного вещества в другое. «Одна молекула – одно вещество» – на этом краеугольном камне стоит вся химическая наука.

Да, это так. Уберите из молекулы или добавьте в нее один атом, поменяйте местами одинарную и двойную связь – и вы получите новое вещество. Но дело в том, что белковые молекулы огромны и разные их участки (разные аминокислоты) различаются по своей значимости, по своим «полномочиям», точно так же как различаются детали автомобиля. Без фары или бампера автомобиль ехать может, а без двигателя или колеса – нет. Отсутствие одной аминокислоты или замена ее на другую может отразиться на функции белка, а может и не отразиться.

Так, например, замена глутаминовой кислоты на валин в молекуле глобина (белковой части гемоглобина, осуществляющего транспорт кислорода в крови) приводит к катастрофическим, без преувеличения, последствиям.

Гемоглобин начинает хуже связывать (а стало быть, и переносить) кислород. Эритроциты, в которых содержится гемоглобин, становятся непрочными и легко разрушаются. Вследствие замены одной из ста сорока шести аминокислот на другую развивается тяжелое заболевание – серповидноклеточная анемия. Серповидноклеточной ее назвали, потому что эритроциты с измененным гемоглобином имеют форму серпа.

Сравните структурные формулы валина и глутаминовой кислоты. Не такая уж и большая между ними разница, верно? И меняется всего одна аминокислота из ста сорока шести! И такие последствия…

Мутации, которые изменяют структуру хромосом, называются хромосомными перестройками, или хромосомными аберрациями, а то и просто хромосомными мутациями.

Хромосомные аберрации подразделяются на:

– транслокации – обмен сегментами между двумя негомологичными хромосомами;

– делеции – выпадение участка хромосомы;

– дупликации – повторение участка хромосомы, возникающее в результате неравного кроссинговера или самовоспроизведения какого-то фрагмента хромосомы; «самовоспроизведение» – это не опечатка, в молекулах ДНК существуют элементы, которые могут самовоспроизводиться, они называются транспозонами; разновидностью дупликации является амплификация – многократное повторение участка хромосомы, о которой мы поговорим особо, потому что она имеет важное практическое значение;

– инверсии – поворот отдельных участков хромосом на 180°;

– кольцевые хромосомы, возникающие при разрывах в обоих плечах одной хромосомы, концевые фрагменты при этом теряются, а центральная часть хромосомы замыкается в кольцо;

– изохромосомы, образующиеся при поперечном, а не продольном делении центромеры в мейозе; вместо одного из плеч изохромосома обладает удвоенным вторым плечом.

Изменение числа хромосом правильнее считать не хромосомной, а геномной мутацией, поскольку она носит более глобальный характер, чем изменение одной хромосомы. Чаще всего наблюдается увеличение на одну хромосому (трисомия) или уменьшение на одну (моносомия).

Согласно принятой в наше время номенклатуре хромосомы нумеруются от 1 до 23 по мере убывания их длины. 23-я пара – это половые хромосомы. Изменение числа крупных хромосом приводит к гибели организма, а количественные изменения малых хромосом (начиная с 16-й пары) и половых X- и Y-хромосом совместимы с жизнью, но сопровождаются различными дефектами развития.

Разбирая репликацию молекул ДНК, мы с вами не рассмотрели амплификацию – процесс образования дополнительных копий участков хромосомной ДНК. Как правило, амплификация происходит на участках, содержащих гены, а не на «мусорных» участках. Хотя, возможно, на амплификации «мусорных» участков обращается меньше внимания, поскольку они никак себя не проявляют.

Амплификация – явление нежелательное, вредное. Лишние гены наносят вред организму. В лучшем случае ухудшится «обслуживание» хромосом подобно тому, как ухудшается оно при наличии дополнительной хромосомы. В худшем случае амплификация может привести к развитию онкологических заболеваний. В генетике не принято говорить «много – не мало» или «запас карман не тянет». Наследственной информации должно быть ровно столько, сколько ее должно быть.

Однако «в пробирке», то есть вне живого организма, амплификация используется очень широко. Просто невозможно представить, что бы делали генетики без амплификации.

Допустим, что вы криминалист-генетик, которому принесли на экспертизу пиджак с микроскопическим пятнышком крови на рукаве. Пятнышко давнее, да к тому же от него усердно пытались избавиться – замывали, обрабатывали какими-то химикатами. Вам удалось выделить из крови ДНК, но совсем чуть-чуть, буквально считанные молекулы. А вам предстоит масштабный поиск, в ходе которого придется сравнивать полученный образец с множеством образцов ДНК других людей, счет которым может идти на сотни. Кроме того, вам нужно отправить образец выделенной ДНК в центральную структуру, которая также будет вести поиск, и еще отправить образец в архив ДНК.

Или допустим, что вы генный инженер. Вам повезло, удалось получить ценный материал, какую-то уникальную ДНК, которую вы должны «пересадить» в клетки пшеницы, и тогда эта пшеница будет давать невероятное количество урожая. Только вот у вас этой уникальной ДНК буквально кот наплакал, а для пересадки нужно как минимум в тысячу раз больше.

А возможно, что вы крупный ученый, генетик с мировым именем и лауреат всех мыслимых и немыслимых премий, кроме Нобелевской. И для получения этой премии вам необходимо произвести серию экспериментов с ДНК, обнаруженной в гробнице фараона Хеопса. ДНК у вас чуть-чуть (ясное дело, столько тысячелетий прошло), а экспериментов нужно произвести больше, чем камней в пирамиде этого самого Хеопса. Что вы станете делать?

Вы просто возьмете прибор, называемый амплификатором, и с его помощью «наштампуете» себе сколько угодно копий вашей драгоценной ДНК.

Принцип работы амплификатора заключается в обеспечении периодического охлаждения и нагревания пробирок с точностью до 0,1 °C. Изменение температуры нужно для управления полимеразной цепной реакцией – образования копий ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы.

В пробирку закладываются копируемые молекулы ДНК, свободные нуклеотиды из которых будут собираться в копии, молекулы ДНК-полимеразы и так называемые праймеры – инициаторы синтеза ДНК. Праймер представляет собой короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, состоящий из нескольких нуклеотидов. Он должен быть комплементарным по отношению к «тиражируемому» ДНК, то есть, по сути дела, должен представлять собой концевой обрывок синтезируемой ДНК. Обратите внимание: концевой обрывок синтезируемой ДНК, а не той ДНК, с которой снимается копия!

Как понять слова «должен быть комплементарным»?

Комплементарностью называется взаимное соответствие молекул или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между ними. В частности, в двух цепочках, составляющих молекулу ДНК, напротив азотистого основания тимина (Т) в другой цепочке должен обязательно находиться аденин (А), а напротив гуанина (Г) – цитозин (Ц). При синтезе матричных РНК на матрице цепочки ДНК вместо тимина, которого в молекулах РНК не бывает, аденин будет непременно соседствовать с урацилом (У).

Между членами пар «А – Т» («А – У») и «Г – Ц» образуются водородные связи, которые удерживают две цепочки вместе. Водородные связи могут разрушаться и образовываться вновь, а структура цепочек при этом не изменяется. Так, например, во время репликации двойная спираль молекулы ДНК расплетается на отдельные «нити», которые затем снова сплетаются вместе без какого-либо ущерба для себя и всей молекулы ДНК в целом.

«А – Т» (или «А – У») плюс «Г – Ц» – таков секретный код нуклеиновых кислот! Нарушить его невозможно – это все равно что пытаться открыть замок при помощи «чужого» ключа.

Вернемся к нашему процессу.

Праймеров нужно два – начальный и конечный. Возможно, что вам нужно копировать не всю молекулу ДНК, а какой-то ее фрагмент. Ничего сложного – нужно только подобрать необходимые праймеры, которые прикрепятся к «матричной» молекуле ДНК, ограничивая участок работы ДНК-полимеразы.

Именно к праймеру ДНК-полимераза начинает присоединять аминокислоты, создавая новую молекулу ДНК. Полимеразе нужен фрагмент, который она станет дополнять. Сама по себе, с нуля, она начать синтез молекулы ДНК не может, ей нужно за что-то «зацепиться». Образно говоря, праймеры выполняют роль закваски, запускающей процесс копирования молекул ДНК. Также они и останавливают этот процесс в нужный момент – дойдя до конечного праймера, ДНК-полимераза прекращает работу и начинает искать другой начальный праймер.

А вы думали, что генные инженеры сидят у электронного микроскопа и собирают вручную копии молекул ДНК из нуклеотидов? Все гораздо проще. Нужно собрать в одном месте образец, материал для создания копий, рабочих, которые будут эти копии создавать, и обеспечить им необходимые условия для работы. Только и всего!

Процесс амплификации в пробирке проходит в несколько этапов.

На первом этапе исходную двунитевую молекулу ДНК нагревают для того, чтобы она распалась на две отдельные нити вследствие разрушения водородных связей между нитями.

На втором этапе к разделенным молекулам добавляют праймеры и охлаждают смесь ДНК с праймерами для того, чтобы праймеры осели на комплементарных участках ДНК. Это происходит благодаря все тем же водородным связям, которые возникают при обычных температурах, а разрушаются при высоких.

На третьем этапе к смеси ДНК и праймеров добавляют фермент ДНК-полимеразу и свободные нуклеотиды, после чего устанавливают температуру 37 °C, необходимую для оптимальной работы ДНК-полимеразы. Фермент начинает действовать, и спустя некоторое время количество ДНК в пробирке удваивается. Цикл удвоения можно повторять столько раз, сколько требуется.

Мутации могут происходить в любых клетках – и в соматических, и в половых. Коренное отличие мутации в соматической клетке многоклеточного организма от мутации в половой клетке заключается в том, что соматическая мутация не способна передаваться по наследству. Соматическая мутация может привести к гибели клетки или же запустить неконтролируемое деление, приводящее к появлению опухолей, но потомству она не передастся. Вы с этим согласны?

Вот вам вопрос на сообразительность: в каких случаях мутации, возникшие в соматических клетках, все же передаются по наследству?

Подсказка номер один: «такое в принципе невозможно» будет неправильным вариантом ответа.

Подсказка номер два – начинайте с растений.

Ответ вы, как обычно, найдете в конце этой главы.

По результатам мутации подразделяют на полезные, нейтральные и вредные, которые в свою очередь делятся на стерильные, полулетальные и летальные.

Нейтральными называются мутации, которые никак не влияют на жизнеспособность организма. Например, в результате мутации котенок родился с глазами разных цветов, один глаз зеленый, а другой – голубой. Осложнит такой признак жизнь своему обладателю? Нет, разве что к участию в выставках его могут не допустить как «бракованного», но это уже хозяйские проблемы, а не кошачьи.

Полулетальными называются вредные мутации, значительно снижающие жизнеспособность организма, но, в отличие от летальных, не приводящие к его гибели. Например, детеныш шимпанзе в результате мутации не может усваивать мясо (шимпанзе, если кто не знал, не являются вегетарианцами). Признак, исключающий из рациона животную пищу, понизит жизнеспособность шимпанзе, но не убьет его.

Летальные мутации вызывают такие изменения в развитии, которые несовместимы с жизнедеятельностью. Примером может служить отсутствие перегородки между правым и левым желудочками сердца, в результате чего сердце не может выполнять свою насосную функцию.

Стерильные мутации не влияют на жизнеспособность организма, но резко снижают его способность к размножению. Обратите внимание: не лишают способности, а резко снижают ее. С точки зрения существования биологического вида стерильные мутации равнозначны летальным, поскольку биологической целью существования любого организма является производство потомства.

Одна и та же мутация может оказаться полезной или вредной при разных условиях окружающей среды. Так, например, мутация, вызывающая альбинизм[29], окажется полезной для животного, обитающего там, где круглый год или бо́льшую часть года лежит снежный покров. В таких условиях альбинизм является маскирующим признаком, увеличивающим шансы особи на выживание. А вот в степи заяц-альбинос будет хорошо заметен, здесь этот признак окажется вредным, демаскирующим. Все живое, которому нужно маскироваться, имеет соответствующую окраску тела и набор необходимых привычек благодаря естественному отбору.

А теперь давайте вспомним то, что было сказано выше о «воспитании» пшеницы холодом. Высаживаем пшеницу в северных условиях и дальше работаем с выжившими всходами – продолжаем высаживать их в прежних условиях и делаем так несколько раз. В результате такого вот закаливающего «воспитания» должен получиться новый холодоустойчивый сорт пшеницы. Для далеких от генетики эта ахинея может звучать логично и убедительно: если человек может закаляться, то почему не может закалиться пшеница? Но на самом деле ни высаживанием в холодных условиях, ни высаживанием в жарком климате нового сорта пшеницы получить нельзя.

Новый сорт – это новый генотип!

Новый генотип можно создать с помощью мутаций. «Воспитатели», желавшие создать новый сорт пшеницы, должны были вызывать в зернах пшеницы мутации с помощью факторов, которые их вызывают. Эти факторы называют мутагенными факторами, или мутагенами. Мутагены воздействуют на молекулы ДНК, изменяя их структуру, а также могут повреждать некоторые белки, участвующие в процессе репликации молекул ДНК или в процессе клеточного деления.

Обработали зерна мутагенами, высеяли в холодных условиях и смотрим, как они будут расти. Если всходы быстро погибли, обрабатываем новую порцию зерен и высаживаем ее… Долго? Да, такой процесс может растянуться на годы, ведь он осуществляется буквально вслепую, но с помощью мутагенов можно создавать новые сорта, а посредством «закаливающего воспитания» этого не добиться. В наше время возможности генной инженерии существенно расширились, но в середине прошлого века, когда «воспитание» растений было широко распространено, других вариантов реального получения новых сортов, кроме «слепого» использования мутагенов, не существовало.

Подведем итог сказанному: мутаген – это некий агрессивный фактор, способный вызывать изменения в молекулах ДНК, РНК и белков, а также блокировать белки.

Каким образом мутагены изменяют молекулы? Посредством разрушения связей между атомами. Одни связи удерживают атомы в молекуле, другие – придают молекуле определенную конфигурацию, третьи могут объединять несколько молекул в группу… Мутаген можно сравнить с ножом, разрезающим химическую связь. Но среди мутагенов есть не только «ножи». Встречаются и блокаторы, которые связываются с белками, участвующими в делении клетки, блокируя тем самым их функции. Чуть позже мы познакомимся с одним таким блокатором.

По своей природе мутагены подразделяются на физические, химические и биологические.

Самыми известными физическими мутагенами являются различные виды ионизирующего излучения: ультрафиолетовое, нейтронное, рентгеновское, гамма-излучение и др. Эти излучения называются ионизирующими благодаря своей способности образовывать ионы[30] из нейтральных атомов или молекул в тех веществах, через которые они проходят. Этот процесс называется ионизацией. Чем сильнее ионизация, тем больше разрывов в молекулах ДНК. Чем больше разрывов, тем больше ошибок при их ликвидации, тем больше мутаций.

Важно понимать, что сам по себе мутаген не создает мутацию. Он создает условия для возникновения мутаций – разрывает молекулы ДНК, которые могут быть сшиты с ошибками, а также повреждает молекулы РНК и белков, нарушая тем самым их функционирование.

Кстати говоря, не стоит чрезмерно пугаться ультрафиолетового излучения и передвигаться на открытых пространствах только под зонтом. Значительная часть ультрафиолетового излучения поглощается тканями организма, и потому у многоклеточных организмов, к которым мы с вами относимся, оно способно вызывать мутации только в поверхностно расположенных клетках, которые мы защищаем при помощи одежды и головных уборов. (Ответьте сами на вопрос: полезен ли загар?)

Высокие или низкие температуры также могут вызывать мутации, но, в отличие от ионизирующего излучения, мутагенное действие температур избирательно. Так, например, у ржи или пшеницы температуры никаких мутаций не вызывают, а вот у мушек-дрозофил повышение температуры окружающей среды на 10 °C увеличивает частоту мутаций в три раза. Почему так происходит? Потому что молекулы ДНК дрозофил чувствительны к нагреву. Образование химической связи между двумя атомами всегда сопровождается выделением определенного количества энергии, а разрыв химической связи, напротив, протекает с поглощением энергии. Повышается температура окружающей среды → нагревается организм дрозофилы → связи в молекулах ДНК поглощают тепловую энергию → связи разрываются.

На сегодняшний день нет данных о том, что изменение температуры окружающей среды может вызывать мутации у человека. Так что можете смело париться в бане и купаться в проруби (при условии, что состояние здоровья позволяет вам этим заниматься).

Химических мутагенов существует великое множество, многие тысячи. У всех них есть одно общее свойство – высокая химическая активность. Химические мутагены охотно вступают в реакцию с другими веществами, не требуя катализаторов[31] или особых условий. Но при этом химические мутагены не должны обладать прямым повреждающим действием на ткани организма, потому что в мертвой ткани мутации возникнуть не могут. Например, соляная кислота или гидроксид калия мутагенами при всей своей высокой химической активности считаться не могут, потому что они убивают клетки.

Давайте рассмотрим действие колхицина, одного из самых известных химических мутагенов.

Колхицин представляет собой азотсодержащее органическое вещество природного происхождения, обладающее свойствами слабого основания.

Мутагенное действие: колхицин способен связываться с белком тубулином, из которого состоят микротрубочки, участвующие в процессе деления клетки (давайте вспомним, что они растаскивают хромосомы к полюсам, обеспечивая честную дележку наследственного материала между дочерними клетками). В больших дозах колхицин полностью блокирует процесс клеточного деления, а в малых – нарушает процесс равномерного распределения хромосом между дочерними клетками, в результате чего образуются клетки с удвоенным количеством хромосом. Селекционеров, работающих с некоторыми видами растений (например, с орхидеями), интересует получение особей с увеличенным в несколько раз количеством хромосом, и они активно используют колхицин в работе.

Химические мутагены подразделяются на мутагены прямого действия, у которых достаточно сил (химики называют силу вещества «реакционной способностью») для повреждения молекул ДНК, РНК и белков, а также на мутагены непрямого действия, которые сами по себе мутагенного действия оказывать не способны, но превращаются в мутагены после поступления в организм.

Каким образом безвредные вещества превращаются в мутагены? Очень просто: вступают в химическую реакцию с каким-нибудь веществом, имеющимся в организме, и в результате образуется мутагенное вещество.

У подавляющего большинства мутагенных факторов мутагенность сочетается с канцерогенностью, способностью вызывать онкологические заболевания, ведь способность к неконтролируемому делению, которая лежит в основе всех онкологических процессов, нормальные соматические клетки приобретают в результате мутаций и, надо сказать, приобретают довольно-таки легко. Поэтому любой здравомыслящий человек, заботящийся о своем здоровье, должен беречься от мутагенов.

Как вы думаете, есть ли разница между мутациями, вызываемыми физическими факторами, и мутациями, вызываемыми химическими факторами?

Никакой разницы нет. Мутация есть мутация, вне зависимости от вызвавшего ее фактора.

К биологическим мутагенам относят некоторые белки и продукты окисления жиров, транспозоны – специфические элементы ДНК, способные к самовоспроизводству, и некоторые вирусы (например, вирусы кори и краснухи). Те ученые, которые считают вирусы неживыми структурами, относят их не к биологическим, а к химическим мутагенам.

Мы уже второй раз упомянули транспозоны. Надо бы познакомиться с ними поближе, чтобы понимать, о чем идет речь.

Транспозонами называются участки молекул ДНК, способные к передвижению и размножению в пределах генома[32]. Транспозоны также известны под названием «прыгающие гены», потому что они словно бы перепрыгивают с одного места в молекуле ДНК на другое или с одной молекулы ДНК на другую. Обратите внимание на слова «в пределах генома». Транспозоны не могут отправляться в «свободное плавание» по цитоплазме. Они могут только лишь менять одно место в молекуле ДНК на другое, не более того. Большинство транспозонов относятся к некодирующей части генома (той самой, которую называют «мусорной ДНК»).

Транспозоны подразделяются на ДНК-транспозоны и ретротранспозоны. ДНК-транспозоны действуют по принципу «вырезать и вставить». С помощью фермента транспозазы ДНК-транспозоны вырезают себя из одного места и вставляют в другое. Ретротранспозоны не покидают своего места. У них другой принцип – «копировать и вставить». С помощью РНК-матрицы создается копия ретротранспозона, которая затем вставляется в другое место. Ретротранспозоны и их производные составляют как минимум 45 % генома человека! А вот ДНК-транспозоны у человека неактивны.

Когда-то транспозоны рассматривали как бесполезный генетический мусор, но со временем было установлено эволюционное значение транспозонов. Расшифровка генома человека показала, что многие гены представляют собой производные транспозонов. Также транспозоны могут влиять на находящиеся рядом гены, включая и выключая считывание информации с них, изменяя их структуру и т. п. Если предельно упростить, то можно сказать, что транспозоны делают генетический материал более разнообразным. Разумеется, транспозоны могут приносить как пользу, так и вред. Так, например, некоторые транспозоны подозреваются в способности вызывать болезни. Но в целом пользы от генетического разнообразия всегда бывает больше, чем вреда.

Кстати говоря, геномы вирусов транспозонов практически не имеют. Вирусы, как вы уже знаете, представляют собой наследственный материал, упакованный в защитную оболочку. Если вирусная ДНК чрезмерно разрастется, могут возникнуть трудности с ее транспортировкой и внедрением в клетку.

Клетки могут убирать ненужные транспозоны при помощи ДНК-сплайсинга. Мы уже ознакомились с альтернативным сплайсингом, очищающим от ненужного балласта РНК-матрицы, но точно так же можно вырезать участки и из молекул ДНК с последующим сшиванием концов.

Мутации происходят не только под действием мутагенных факторов, но и «сами по себе», без какого-либо действия извне. Разумеется, при действии мутагенов частота возникновения мутаций возрастает. Иначе говоря, мутагены значительно увеличивают количество мутаций, но нельзя говорить, что мутагены запускают процесс образования мутаций, поскольку он идет и без их участия.

Не так давно ученым удалось выяснить, что большинство мутагенов взаимодействует со строго определенными фрагментами молекулы ДНК. Более того, в ряде случаев удалось установить конкретное азотистое основание, на которое действует конкретный мутаген – аденин, тимин, гуанин или цитозин. Сегодня с уверенностью можно сказать, что недалек тот день, когда генетики смогут вызывать строго направленные, «прицельные» мутации, которые позволят вносить заранее спланированное изменение в конкретный фрагмент ДНК. Но пока еще до этого дело не дошло.

Важно понимать, что мутации представляют собой материал естественного отбора, но не способ приспособления к условиям окружающей среды.

Материал, но не способ приспособления!

Почему?

Потому что между мутациями и приспособлениями к условиям среды нет прямой и четкой связи. Часть признаков, полученных организмами в результате мутаций, может повышать их приспособительную способность, другая часть может эту способность понижать, а третья вообще никак не будет на нее влиять. К тому же мутации происходят спонтанно, хаотично и без какой-то конкретной цели. Ни у растительных, ни у животных организмов нет механизма, целенаправленно вызывающего полезные мутации. В процессе естественного отбора происходит отбраковка вредных признаков и закрепление полезных. Образно говоря, природа сдает карты не глядя, а в процессе естественного отбора из этих карт выбираются козыри.

То, что мутации не возникают целенаправленно как приспособительная реакция, было доказано еще в сороковых годах прошлого века, в ходе простого, но весьма убедительного эксперимента.

Культуру бактериальных клеток (а именно – кишечной палочки) распределили мелкими порциями по сотне пробирок, выдержали некоторое время в одинаковых благоприятных для размножения условиях, а затем подвергли воздействию одного и того же антибиотика и сразу же пересчитали выживших бактерий в каждой из пробирок.

Создали большое количество популяций-пробирок → обеспечили всем популяциям сходные условия → дали бактериям возможность размножиться → воздействовали на все популяции неблагоприятным фактором → оценили результат.

Количество выживших бактерий повсюду оказалось разным, причем разница эта была существенной, из чего можно было сделать вывод о том, что устойчивость к антибиотику приобретена бактериями в случайном порядке до его применения, а не возникла как реакция на его действие. Если бы устойчивость была бы следствием действия антибиотика и стала бы целенаправленно вырабатываться бактериями после начала воздействия, то количество выживших бактерий было бы примерно одинаковым во всех пробирках, потому что один и тот же фактор в одинаковых дозах оказывает одинаковое действие на одинаковые организмы, находящиеся в одинаковых условиях. Одинаковое одинаково.

Давайте в завершение немного поговорим о цитоплазматических мутациях – изменениях молекул ДНК митохондрий и хлоропластов. Выше уже было сказано, что эти мутации могут передаваться только по материнской линии, поскольку передаются они с цитоплазмой, которую содержит яйцеклетка. В сперматозоиде цитоплазмы очень мало, да вдобавок митохондрии у него находятся в шейке, которая в яйцеклетку не проникает.

Цитоплазматические мутации схожи с генными – они устойчивы и передаются по наследству. Цитоплазматические мутации у человека могут быть причинами некоторых заболеваний. Надо учитывать, что каждая яйцеклетка содержит огромное количество митохондрий. Если мутация произошла только в одной митохондрии, а ДНК всех остальных осталась неизмененной, то мутация никак не проявится в фенотипе.

В клетке есть механизм равномерного распределения хромосом при делении, но нет механизма равномерного распределения органелл. Митохондрии с пластидами распределяются при делении клетки не строго поровну, а как бы «на глазок» и без какого-либо учета мутировавшей и немутировавшей ДНК. Так что при делении вся мутировавшая ДНК может оказаться только в одной из дочерних клеток и пропадет напрасно, потому что оплодотворенной окажется другая яйцеклетка.

Немного статистики. В соматических клетках млекопитающих содержится более тысячи молекул митохондриальной ДНК. Молекулы митохондриальной ДНК человека относительно невелики и содержат «всего-навсего» тридцать семь генов, а общее количество пар нуклеотидов в них составляет около шестнадцати с половиной тысяч. Тринадцать наших митохондриальных генов кодируют белки, служащие ферментами для проходящих в митохондриях реакций окислительного фосфорилирования[33], а остальные гены кодируют различные РНК.

Обратите внимание на то, что заболевания, связанные с цитоплазматическими мутациями, например, митохондриальный сахарный диабет, передаются по женской линии, но проявляются как у женщин, так и у мужчин. Разница лишь в том, что мужчина, страдающий митохондриальным сахарным диабетом или каким-то иным заболеванием митохондриального происхождения, не передаст эту болезнь потомству, а женщина может передать[34].

Наиболее распространенным видом мутации в митохондриальных ДНК является делеция – потеря участка хромосомы. Все мутации в митохондриальных ДНК понижают главную функцию митохондрий – производство энергии для клетки. В результате при этих мутациях в первую очередь страдают наиболее энергозависимые органы: головной мозг, сердце и скелетная мускулатура[35].

Поскольку митохондрии и, соответственно, митохондриальную ДНК ребенок получает только от матери, эта ДНК является идеальным объектом для генетической оценки родственных связей по материнской линии. Так, например, исследование митохондриальной ДНК помогло точно идентифицировать останки последнего российского императора Николая Второго и членов его семьи.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. При размножении почкованием, при вегетативном размножении и прочих видах бесполого размножения мутации, возникшие в соматических клетках, могут передаваться дочернему организму. Говоря о том, что мутации, возникшие в соматических клетках, по наследству не передаются, нужно уточнять, что речь идет об организмах, размножающихся половым путем.

Глава 7
Горизонтальный перенос генов

Явление, о котором сейчас пойдет речь, настолько необычно и, можно сказать, провокационно, что заслуживает отдельной главы, пусть и небольшой по объему.

Вы заинтригованы?

Читайте дальше!

Только сначала вспомните то, что вы узнали из прошлой главы о транспозонах, генах, прыгающих с места на место. Они имеют непосредственное отношение к теме нашего разговора.

Так называемый вертикальный перенос генов от родителей к детям ясен и не вызывает никаких вопросов. Кому же еще передавать наследственный материал, как не потомству? Но возможен ли, по-вашему, иной, горизонтальный, путь переноса генов, при котором они передаются не потомкам, а чужакам, целенаправленно или случайно оказавшимся рядом.

Вы удивлены?

Читайте дальше!

Только не думайте, что вам собираются рассказывать сказки. Книга, которую вы сейчас читаете, сугубо научная и не содержит ничего фантастического или сказочного. Помимо вертикального переноса генов существует и горизонтальный перенос, который довольно широко распространен среди прокариот, в частности – среди бактерий. Почему среди прокариот? Да потому что генетический материал эукариот, хранящийся в клеточном ядре, с одной стороны лучше защищен от потерь, а с другой – более труднодоступен, чем плавающие в цитоплазме молекулы ДНК бактерий.

В далеком 1928 году британский врач Фредерик Гриффит поставил эксперимент, доказывающий, что бактерии способны поглощать молекулы ДНК из внешней среды. Этот процесс у генетиков называется трансформацией.

Гриффит заражал мышей двумя разновидностями пневмококков (бактерий, вызывавших пневмонию), одни из которых (тип 1) были способны вызывать заболевание, а другие (тип 2) такой способностью не обладали. В то время такую разницу в воздействии пневмококков на организм объясняли наличием у бактерий первого типа защитной капсулы, которая делала бактерии недоступными для иммунной системы организма-хозяина, в данном случае – мышей. Бактерии второго типа защитной капсулы не имели и потому, как считалось, быстро подавлялись иммунной системой, не имея возможности вызывать заболевание.

Гриффит не собирался доказывать наличие горизонтального переноса генов, о котором он не имел никакого понятия. Его целью было создание эффективной вакцины от пневмонии. Но в науке часто бывает так, что сделать хотят грозу, а получают козу. Смешивая убитые нагреванием пневмококки первого типа с условно-безопасными живыми пневмококками второго типа, Гриффит получил не просто заразную, а прямо-таки убийственную разновидность бактерий, которая вызывала у мышей пневмонию со смертельным исходом.

Как вредные мертвецы могли повлиять на безвредных живых, причем так, что вредность их превзошла все границы? Вывод напрашивался сам собой – живые пневмококки второго типа получили от мертвых пневмококков первого типа какое-то супероружие. Ну мы-то с вами понимаем, что живые бактерии получили от мертвых молекулы ДНК, кодирующие образование защитной оболочки (нагревание убило бактерии, но не уничтожило их ДНК). Сами по себе пневмококки второго типа были гораздо более патогенными, то есть вредоносными. Но они не имели возможности «показать себя во всей красе», то есть вызвать заболевание, поскольку мышиная иммунная система уничтожала их сразу же после попадания в организм мыши. А любому болезнетворному микроорганизму для того, чтобы вызвать заболевание, нужно размножиться в организме-хозяине до определенных пределов. Один в поле не воин – это про микроорганизмы. Защитная капсула позволила пневмококкам второго типа проявить свои болезнетворные свойства в полной мере.

Клеточное ядро имеет оболочку, через которую транспозонам эукариотических клеток проникать довольно затруднительно. А у прокариот нет ни ядра, ни оболочки, поэтому их транспозонам гораздо легче «уйти на сторону», то есть покинуть «родную» бактерию и проникнуть в другую. А еще перенос генов из одной клетки в другую могут осуществлять вирусы. Проникнув в клетку, они могут захватить часть клеточной ДНК и передать ее следующей своей жертве. Обычно пораженные вирусом клетки гибнут от истощения, вызванного «тиражированием» вируса за счет клеточных ресурсов, но некоторые клетки могут выжить, сохранив при этом гены, занесенные вирусом извне (мы сейчас все предельно упрощаем, чтобы не путаться во множестве терминов, понятных лишь генетикам высшего дана, но в целом суть остается той же). Процесс переноса ДНК между клетками при помощи вирусов называется трансдукцией. Трансдукция – один из основных методов генной инженерии. Словосочетание «векторная вакцина» всем знакомо? Вектором в генетике называется вирус, доставляющий в клетку генетический материал или какой-то белок.

Бактерии способны обмениваться молекулами ДНК не только путем трансформации, то есть захвата свободных молекул из внешней среды, но и путем конъюгации – переноса молекул ДНК при непосредственном контакте. Две бактерии сближаются и объединяют свои внутренние среды при помощи белковых трубочек, по которым осуществляется перенос молекул ДНК.

Среди бактерий встречаются внутриклеточные паразиты, которые поселяются в других клетках. Между таким паразитом и хозяином может происходить обмен наследственной информацией, как в случае гибели паразита и разрушения его оболочки, так и при его жизни, ведь небольшие молекулы ДНК и, тем более, их «прыгающие» фрагменты способны проникать через клеточные мембраны.

Существует гипотеза (кстати говоря, выглядящая весьма достоверной), согласно которой способность захватывать молекулы ДНК из внешней среды активизируется у бактерий в неблагоприятных условиях, например, при резком изменении температуры окружающей среды или же при нехватке пищи. Утопающий за соломинку хватается, говорят в народе. Чужая ДНК служит бактериям «соломинкой»: вдруг удастся получить свойство, которое поможет выжить? Если пойти немного дальше, то можно предположить, что конечной целью конкурентной борьбы между бактериями является не только вытеснение соперника из общей экологической ниши, но и получение его ДНК. А что? Вполне возможно. Жаль только, что у бактерий спросить нельзя.

Если горизонтально перенесенный ген приносит новый признак, то в этом случае все ясно и никаких вопросов не возникает. А что бывает в тех случаях, когда горизонтально перенесенный ген гомологичен уже имеющемуся у организма? В этом случае произойдет замещение одного гена другим, или же приобретенный ген останется «про запас», будет присутствовать в геноме в неактивном виде. Мало ли что может случиться с действующим, функционально активным геном? Вдруг его «испортит» какая-то мутация… Хорошо, когда под рукой есть запасной ген.

Вот вам вопрос на сообразительность: может ли горизонтальный перенос генов, полезный для отдельного организма, оказаться вредным (невыгодным) для биологического вида в целом? Ответ вы найдете в конце главы.

Сравнение геномов различных биологических видов выявило много сходства там, где его, казалось, быть не должно, то есть у организмов, находящихся на совершенно разных «дорогах» эволюции[36]. Вывод о том, что горизонтальный перенос генов является одним из главных механизмов видообразования, напрашивается сам собой. А в незапамятные времена, когда еще не существовало многоклеточных эукариот, горизонтальный перенос генов был не одним из главных, а основным механизмом видообразования. Чем не угодили переносу многоклеточные эукариоты? Это перенос им не угодил. По мере усложнения строения организма его генетический аппарат также усложняется и становится все более защищенным от «несанкционированного» внедрения чужих генов.

Горизонтальный перенос генов может происходить не только от «простых» прокариот к «сложным» эукариотам, но и в обратном направлении. Для этого требуется тесный физический контакт, который имеет место при паразитизме или симбиозе, и векторный переносчик какого-нибудь вируса. Доказательством такого переноса служит наличие эукариотических генов в геномах внутриклеточных паразитов риккетсий и хламидий. Вот интересный пример того, как может использоваться чужой генетический материал. В числе прочих «подарков», которых в целом более двух десятков, хламидии получили от эукариот гены белков, осуществляющих транспортировку молекул аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ) – аккумуляторов клеточной энергии. Самим хламидиям для внутреннего, так сказать, употребления такие белки не нужны, но бактерии сумели найти им применение. С помощью транспортных белков они начали забирать молекулы АТФ и АДФ у клетки-хозяина, экономя таким образом собственные энергетические ресурсы. Раньше коварные хламидии крали у своего хозяина только питательные вещества, а затем начали красть и энергию. Как говорится, нашему вору все впору.

Предупреждение: из всего сказанного не следует, что генетический материал съеденных нами продуктов питания способен встраиваться в наш геном. Ешьте вашу пищу спокойно, а мы еще вернемся к этому вопросу позднее, когда станем говорить о том, вредны ли продукты питания, полученные из генетически модифицированных организмов? (Этому актуальному вопросу будет посвящена отдельная глава).

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Может! В результате получения нового гена (или новых генов) может образоваться новая, более приспособленная популяция, которая со временем вытеснит свой прежний биологический вид из его экологической ниши и даст начало новому виду.

Глава 8
Методы генетического анализа

При помощи генетического анализа ученые изучают наследственность.

Прежде чем переходить к теме, необходимо сделать одно уточнение.

На бытовом уровне термином «генетический анализ» обозначают анализ крови, позволяющий определить отцовство или же подтверждающий наличие каких-то генетических отклонений у данного человека. В целом термин используется по назначению, поскольку анализом называется метод исследования, для которого характерно выделение и изучение отдельных частей объектов исследования. Взяли кровь, отделили плазму от форменных элементов, то есть, грубо говоря, отделили жидкость от «сухого остатка», определили наличие конкретных веществ…

Но кроме генетических исследований крови и прочего биологического материала (волос, слюны и т. д.) существует также научный генетический анализ, представляющий собой исследование генотипа отдельных особей, групп особей и генетической структуры популяций.

При чем тут анализ как таковой? А при том, что генетический анализ представляет собой разложение совокупности признаков организма на отдельные признаки и изучение соответствующих им генов.

Главным и древнейшим методом генетического анализа, появившимся за многие тысячи лет до рождения науки генетики, является скрещивание, тайнам которого будет посвящена отдельная глава. Пока что мы с вами ограничимся только представлением о скрещивании как методе анализа.

Прежде всего определяется признак, который нужно изучить в ходе скрещивания, и выясняется, наследуется ли этот признак вообще. Затем проводится одно или несколько скрещиваний с целью получения данного признака в потомстве, то есть для подтверждения его наследуемости. Если серия скрещиваний не проявила признак в потомстве, то это означает, что он по наследству не передается, и на этом его изучение с генетической точки зрения надо заканчивать.

На втором этапе нужно выяснить число генов, контролирующих проявление данного признака, и установить, как эти гены взаимодействуют между собой. Проще говоря, узнать, какой из парных генов подавляет своего аллельного собрата, и уточнить еще несколько нюансов.

На третьем этапе нужно определить группу сцепления для изучаемого гена. Группа сцепления – это группа генов, находящихся в одной хромосоме и наследующихся совместно, сцепленной группой. Соответственно, так же сцепленно наследуются и признаки, контролируемые данными генами.

Вот вам очередной вопрос на сообразительность: сколько групп сцепления у человека? Ответ вы найдете в конце главы.

Предупреждение: этот вопрос только кажется сложным, а на самом деле он простой, нужно только направить мышление в правильном направлении.

На четвертом этапе изучения производится так называемое картирование гена, о котором будет рассказано в девятнадцатой главе: создается генетическая карта, на которой отображается взаимное расположение генов в хромосоме. Первым организмом, для которого была получена генетическая карта, стала плодовая муха, чернобрюхая дрозофила, которая наиболее часто используется в генетических экспериментах. Такую «привилегию» дрозофила получила из-за быстрых темпов своего размножения: от откладки самкой яйца до выхода взрослой мухи из куколки в среднем проходит всего десять дней.

В 2003 году была получена целостная картина человеческого генома. Со временем наука дойдет до создания генетических карт каждого человека еще на стадии его внутриутробного развития. Такая индивидуальная генетическая карта будет очень полезной с медицинской точки зрения, ведь корни всех заболеваний кроются в генах. И не только с медицинской, поскольку гены определяют все развитие организма в целом.

Скрещивание – дело долгое. Скрестили – ждите потомства. Оценили результат – скрестили снова, и снова ждите потомства… Генеалогический метод генетического анализа дает результат гораздо быстрее. В сравнении со скрещиванием можно сказать, что практически мгновенно. Но этот замечательный метод может применяться лишь в том случае, когда известны прямые родственники обладателя наследственного признака. Как предки, так и потомки по материнской и отцовской линиям, причем в нескольких поколениях. Проще говоря, суть генеалогического метода заключается в составлении родословной и ее анализе. Этот метод используется для изучения генов медленно размножающихся организмов, а также для изучения генов человека, у которого аналитическое скрещивание использовать невозможно по этическим соображениям.

Именно при помощи генеалогического метода было доказано, что при родственных браках значительно возрастает вероятность появления в потомстве различных уродств и болезней. Причины этого явления мы рассмотрим ниже, а пока что в качестве примера неблагоприятности родственных браков для потомства можно ознакомиться со схемой наследования гемофилии в правящих домах Европы. Источником гена, вызывающего развитие этого заболевания у мужчин, стала британская королева Виктория.

Наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний (сахарному диабету, шизофрении, эпилепсии и др.) была выявлена благодаря близнецовому методу генетического анализа, суть которого заключается в сопоставлении особенностей членов близнецовой пары, позволяющем определить степень влияния наследственных факторов и среды на формирование признаков организма.

Не очень понятно?

Тогда скажем проще: наблюдая за однояйцевыми близнецами, имеющими одинаковые генотипы, ученые делали выводы о том, что в большей степени влияет на развитие данного конкретного признака – наследственный фактор или факторы внешней среды.

Например, один близнец всю жизнь прожил в Лондоне, работая страховым агентом, то есть был типичным горожанином-клерком, живущим в умеренном климате. Другой близнец в шестнадцатилетнем возрасте поступил матросом на торговое судно, а после осел в Южной Африке, в Йоханнесбурге, где зарабатывал на жизнь переноской грузов, то есть человек физического труда, живущий в субтропическом климате.

Помимо климата между средой Лондона и средой Йоханнесбурга существует еще множество различий. А еще добавьте к этому разные профессии и, как следствие, разные образы жизни, разные привычки и т. д. Сами посудите, много ли будет общего между лондонским клерком и йоханнесбургским грузчиком? Но, несмотря на это, у обоих братьев в зрелом возрасте (примерно в одном и том же) был диагностирован сахарный диабет. Собрав и проанализировав определенное количество подобных случаев, ученые пришли к выводу о том, что предрасположенность к сахарному диабету имеет наследственный характер.

Цитогенетический[37] метод представляет собой изучение хромосом при помощи микроскопа.

Биохимический метод генетического анализа позволяет выявить наследственно обусловленные нарушения обмена веществ. Если вдуматься, то любой «сбой» в генах в той или иной степени нарушает обмен веществ в организме, поскольку вместо нормальных белков начинают синтезироваться какие-то другие, с измененными свойствами. Поэтому перспективы у биохимического метода просто невероятные и безграничные.

Весьма интересен не так давно внедренный метод гибридизации нуклеиновых кислот, суть которого заключается в сборке молекул ДНК из двух отдельных цепочек или соединение одной цепочки ДНК с молекулой РНК вне живого организма, то есть «в пробирке». Для того, чтобы две состоящие из нуклеотидов цепочки соединились в одну молекулу ДНК, или же для соединения одной цепочки ДНК с молекулой РНК необходима комплементарность соединяемых элементов. Давайте вспомним, что в двух цепочках, составляющих молекулу ДНК, напротив азотистого основания тимина (Т) в другой цепочке должен обязательно находиться аденин (А), а напротив гуанина (Г) – цитозин (Ц). При синтезе матричных РНК на матрице цепочки ДНК вместо тимина, которого в молекулах РНК не бывает, аденин будет соседствовать с урацилом (У).

Допустим, у вас есть эталонная ДНК, с которой вы хотите сравнить другую ДНК для того, чтобы оценить степень сходства между ними (степень комплементарности), или же вам нужно сравнить с эталонной ДНК какую-то РНК-матрицу. Для того чтобы получить ответ на интересующий вас вопрос, вы должны действовать следующим образом (мы станем рассматривать сравнение двух молекул ДНК).

Этап первый. Исследуемую и эталонную ДНК по отдельности подвергают нагреванию в специальном растворе. При нагревании водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями разрушаются, двойные цепочки распадаются на одинарные. Такая «распавшаяся» молекула ДНК, утратившая свою природную конфигурацию, называется денатурированной[38].

Препараты двух денатурированных ДНК смешивают друг с другом и медленно охлаждают до исходной температуры. При этом одинарные цепочки ДНК соединяются друг с другом благодаря образованию водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. Процесс соединения двух одинарных цепочек по-научному называется гибридизацией. По скорости соединения цепочек исследуемой и эталонной ДНК, а также по степени их соединения, можно судить об их сходстве. То же самое можно сказать и о соединении эталонной ДНК с исследуемой РНК. Суть едина, а разница заключается лишь в том, что исследуемые молекулы РНК не требуется предварительно денатурировать, поскольку они изначально являются одинарными.

Посмотрите на рисунок. Гибрид ДНК – ДНК далек от совершенства. Наряду со «спирализованными», то есть полностью совпавшими участками, в нем присутствуют большие «неспирализованные» (несовпадающие) участки. Следовательно, ДНК номер один и ДНК номер два мало схожи между собой. А вот гибрид ДНК – РНК представляет собой полное и абсолютное совершенство, что свидетельствует об идентичности обеих нуклеиновых кислот.

Гибридизация нуклеиновых кислот – безошибочный метод. Молекулы ДНК разных организмов никогда не могут совпасть полностью.

Теперь вы знаете, что именно делают криминалисты в кино (и в жизни тоже), когда им вручают фрагмент ковролина с пятнами крови и просят дать заключение, кто из трех подозреваемых оставил свою кровь на полу. Нужно взять у подозреваемых по капле слюны (по волосу, по капле крови), выделить из полученных образцов ДНК и провести три исследования.

Помимо гибридизации нуклеиновых кислот у генетиков-аналитиков существует еще один «гибридный» метод – метод гибридизации соматических клеток.

Поскольку соматические (неполовые) клетки содержат весь объем генетической информации, с их участием можно проводить различные эксперименты, которые невозможно, или же очень сложно, или же этически неприемлемо проводить на целом организме.

После внедрения в генетику методов исследований с участием соматических клеток человек стал одним из главных экспериментальных объектов, с его клетками (а не с ним самим) можно делать все, что захочется. Если для эксперимента нужно большое количество клеток, например, много-много лимфоцитов крови, то их выращивают искусственным образом, вне организма из тех, которые содержатся в одной капле взятой крови. Каплю крови для эксперимента получить несложно, это же не три литра. А выращивать клетки вне организма ученые давно научились.

«Стоп! – воскликнут сейчас наиболее вдумчивые и хорошо разбирающиеся в медицинских проблемах читатели. – Тут или ошибка автора, или же автор только что случайно выдал нам одну из главных тайн современности! Если ученые давно научились выращивать клетки вне организма, то почему существуют такие большие проблемы с поиском донорских органов для трансплантации? Некоторые люди годами (без какого-либо преувеличения!) могут ждать подходящий им орган. Да еще и не факт, что вообще дождутся его… А после пересадки возникает проблема отторжения, организм отвергает пересаженный орган как чужеродный, и пациенту до конца дней своих приходится принимать препараты, подавляющие иммунную систему, ведь именно она борется со всем чужеродным. Так почему бы не избавить людей от лишних страданий? Почему бы не выращивать печень, почку или сердце из клеток пациента и ему же пересаживать? Так же проще, лучше и быстрее… В чем дело? Методика выращивания клеток засекречена? Или же существует мировой заговор трансплантологов?»

Нет, ни засекреченности, ни заговора трансплантологов не существует.

Дело в том, что культуры клеток растут вне организма без образования тканей. Если кто не знает, то тканями называют группы клеток (вместе с межклеточным веществом), имеющие схожее строение и выполняющие схожие функции. Органы образованы сочетанием различных тканей. В организмах животных выделяют следующие виды тканей:

– эпителиальная или покровная ткань (также называемая эпителием), которая покрывает организм снаружи (верхний слой кожи), выстилает поверхность внутренних органов и внутренние полости, а также входит в состав желез внутренней и внешней секреции (эпителий подразделяется на два вида: покровный и железистый);

– соединительная ткань, играющая вспомогательную роль во всех без исключения органах, где она выполняет опорную, защитную и питательную (трофическую) функции; соединительная ткань отличается большим разнообразием клеток, к ней относятся кровь и крове-творная ткань, лимфатическая ткань, жировая ткань, костная ткань, хрящевая ткань и др.;

– мышечная ткань, которая может различаться по строению, но все ее виды обладают одной особенностью – способностью к выраженным сокращениям;

– нервная ткань, которая обеспечивает взаимодействие тканей, органов и систем организма и осуществляет их регуляцию; нервные клетки, называемые «нейронами», способны воспринимать раздражение и передавать регулирующие (возбуждающие или тормозящие) импульсы.

Можно вырастить вне организма культуру жировых клеток, но они не объединятся в единое целое – жировую соединительную ткань. И клетки печени, выращенные вне организма, не объединятся в ткань, а тем более в целый орган. Они так и останутся разрозненными клетками, непригодными для пересадки. А вот для генетических исследований на клеточном уровне разрозненные клетки подходят превосходно.

Гибридизация соматических клеток проводится с целью определения местонахождения конкретного гена на хромосоме. Берутся соматические клетки двух организмов, принадлежащих к разным биологическим видам, и соединяются вместе в единую клетку-гибрид. Такое слияние достигается с помощью специальных вирусов, способных разрушать клеточные мембраны не полностью, а фрагментарно. Полное разрушение мембраны приводит к гибели клетки, а вот создание «окошка» в мембране клетку не убьет.

В ядрах гибридов будет содержаться двойной набор хромосом. В процессе размножения происходит утрата хромосом преимущественно одного из биологических видов, участвовавших в гибридизации. Так, например, для гибридов, полученных из соматических клеток человека и млекопитающих, характерна утрата человеческих хромосом, хромосомы млекопитающих теряются редко. Иначе говоря, если вам нужно исследовать генетический материал человека, то вы должны скрещивать человеческие соматические клетки с клетками млекопитающих.

При каждом делении клетки будут теряться «лишние» хромосомы. Во время деления хромосомы хорошо видны в обычный микроскоп и так же хорошо видны клеточные признаки. Признак, который кодируется нужным вам геном, исчез после очередного деления? Посмотрите, какие хромосомы исчезли вместе с ним, и вы узнаете, на какой из хромосом находится исследуемый вами ген. Или же вы узнаете, что он может находиться на одной из двух или трех исчезнувших хромосом, что существенно сузит область вашего поиска.

Разумеется, выделение хромосом происходит в случайном порядке, но тем не менее метод гибридизации соматических клеток пригоден для использования. Кстати говоря, соматические клетки обладают настолько высокой совместимостью, что гибриды могут быть получены не только между клетками разных биологических видов, родов или семейств, но даже между клетками разных классов! Например, можно создать гибрид из клеток человека и комара. Но обычно для гибридизации с клетками человека используют соматические клетки грызунов, чаще всего – мышей, наиболее распространенных лабораторных животных.

Самым масштабным методом генетического анализа является популяционный или популяционно-генетический метод исследования, изучающий распространенность генов и генотипов в пределах популяций, выявляющий генетические различия между разными популяциями. В медицинской генетике существует специальный раздел, изучающий распространенность наследственных заболеваний в популяциях. Этот раздел называется популяционной генетикой, или же, если сложнее и точнее, то популяционной геногеографией[39] наследственных болезней.

С популяционной генетикой мы в дальнейшем познакомимся поближе, а сейчас, в завершение этой главы, давайте рассмотрим еще один метод генетического анализа, назвать который сможет, пожалуй, любой из читателей этой книги.

Этот метод присутствует практически во всех науках.

Он является наиболее универсальным из всех универсальных методов исследования и самым древним.

Его применяли еще первобытные люди. Увидит группа охотников дикую козу, вскинет копья наизготовку, а вожак их остановит: «Однако козы этой на всех не хватит, надо стадо поискать, оно где-то рядом».

Вы уже, конечно же, догадались, что это статистико-математический метод, который широко применяется в генетике в сочетании с математическим моделированием для анализа наследования признаков. Очень трудно, практически невозможно изучать проявления признаков без знания количественных характеристик их наследования в ряду поколений. Знание цифр облегчает и ускоряет процесс генетического анализа. Статистика и математика – царицы всех наук[40].

ОТВЕТ НА ВОПРОС. У человека двадцать три группы сцепления. Правильный ход вашего мышления должен был быть следующим: у человека сорок шесть хромосом, разбитых по принципу схожести на двадцать три пары, следовательно, двадцать три группы сцепления. Так, например, наследование какого-либо гена, находящегося в половых хромосомах (например, генов гемофилии или дальтонизма)[41], называют наследованием, сцепленным с полом.

Глава 9
Способы размножения живых организмов и генетика пола

Все живое на нашей планете размножается двумя способами: бесполым и половым.

Суть бесполого размножения заключается в том, что следующее поколение развивается из соматических клеток.

Существует несколько видов бесполого размножения. Самый простой из них называется простым делением. Такой вид размножения характерен для одноклеточных организмов. Клетки просто делятся на две или же на большее количество дочерних клеток.

Сразу же напрашивается вопрос, является ли каждая дочерняя клетка, образовавшаяся путем простого деления, точной копией материнской?

Вроде бы да, является, поскольку получает тот же самый набор генов. И чаще всего так оно и происходит, но… Но если в генах материнской клетки за период ее жизни, то есть в интерфазе, произошли какие-то изменения, то дочерние клетки уже не будут точной копией материнской. Они получат несколько измененный набор генов. Изменчивость присутствует как при половом, так и при бесполом размножении. Иначе говоря, любой вид размножения создает материал для естественного отбора и его матери-эволюции. Все, что размножается, развивается!

Почему бактерии размножаются так быстро? Еще утром человек был полностью здоров, а вечером у него уже ангина? Или пневмония… Потому что они размножаются простым делением и, подобно всем одноклеточным организмам, имеют довольно простое строение. В результате, при благоприятных условиях, количество бактерий может удваиваться каждые полчаса-час. Вот такие у них темпы!

Некоторые грибы и растения пошли более сложным путем. Они образуют так называемые споры – одноклеточные структуры, предназначенные для размножения. Спору можно сравнить с простейшим семенем. Простейшим, поскольку спора имеет очень простое строение, состоит из одной клетки, которая иногда может иметь двигатель-жгутик. Запаса питательных веществ, обязательного для семян, спора не содержит. Это клетка с генетическим материалом, просто клетка и ничего кроме клетки.

При бесполом размножении посредством спорообразования дочерние организмы будут полностью схожи с родительскими, если только за период жизни родителей в их генах не произошло никаких мутационных изменений.

Бесполое размножение может осуществляться не делением, а посредством отделения от организма его части, состоящей из некоторого количества клеток. Такая форма бесполого размножения называется вегетативным размножением. Примером его является размножение растений побегами, черенками, клубнями или луковицами. В основе вегетативного размножения лежит регенерация – способность живых организмов со временем восстанавливать поврежденные ткани и утраченные органы вплоть до восстановления целого организма из искусственно отделенного от него фрагмента. По сути, выращивание растения из клубня и образование полноценной особи из фрагмента тела дождевого червя[42] представляют собой однотипные процессы.

Все вы хотя бы слышали о том, что садовники размножают растения черенками, а некоторые даже лично высаживали черенки. Черенки предпочтительнее семян, поскольку они более устойчивы к действию факторов внешней среды. Черенок можно вырастить в благоприятных тепличных условиях, а затем, окрепший и устойчивый, высадить в почву по месту постоянного проживания, то есть прорастания. Но задумывались ли вы когда-нибудь над тем, почему черенки и прочие побеги, а также клубни-луковицы так любят селекционеры, выводящие новые сорта растений? В чем состоит практико-генетический смысл размножения побегами и клубнями? Чем побег предпочтительнее семени с точки зрения селекционера?

У нас получилось целых три вопроса вместо одного, но на все три можно дать один ответ.

При бесполом вегетативном размножении потомство будет точной копией родителя, а при половом размножении семенами – не будет. Поэтому если селекционер добился того, к чему стремился, то он предпочтет «тиражировать» полученный результат путем черенкования, а не семенами, чтобы достигнутый результат не был «испорчен» какими-нибудь мутациями.

Некоторые одноклеточные организмы, например, дрожжевые грибы, и даже многоклеточные (пресноводная гидра) размножаются почкованием. При почковании на материнской клетке или материнском организме появляется локальное выпячивание, которое растет и впоследствии отпочковывается от своей матери. Отпочковавшийся фрагмент может быть клеткой или же многоклеточным организмом, но дело не в количестве клеток, а в том, что они образуются посредством митотического, бесполого деления соматических клеток.

Обратите внимание на то, что бесполое размножение следует отличать от партеногенеза – однополого размножения. На первый взгляд может показаться, что бесполое размножение и однополое размножение – это одно и то же. Но на самом деле далеко не одно.

Партеногенез, также называемый «девственным размножением», является разновидностью ПОЛОВОГО размножения! Потому что при партеногенезе взрослый организм развивается из Неоплодотворенной Яйцеклетки, то есть из ЖЕНСКОЙ ПОЛОВОЙ КЛЕТКИ. Партеногенез мало распространен в природе. Так размножаются некоторые муравьи и тараканы, тля, рачки-дафнии, скальные ящерицы и комодские вараны.

У человека, знакомого с основами генетики, при упоминании о партеногенезе сразу же возникает вопрос, как при этом способе размножения яйцеклетка получает полный набор хромосом, необходимый для нормальной жизнедеятельности развивающегося из нее организма?

Различными путями.

Например, у дафний яйцеклетки образуются без мейоза, то есть сохраняют полный набор хромосом. Такой партеногенез называется амейотическим[43].

При мейотическом партеногенезе яйцеклетки проходят мейоз, теряя при этом половину своих хромосом, но затем восполняют эту утрату удвоением числа хромосом в ядрах без деления ядер (и самих клеток). Такое «удвоение без деления» называется эндомитозом (внутренним митозом).

Существует и второй путь восполнения утраченных хромосом, но для понимания его нужно ознакомиться с нюансами образования яйцеклеток. Этот процесс называется оогенезом, а процесс образования сперматозоидов – сперматогенезом.

Посмотрите на рисунок и сравните конечный результат. Из клетки-родителя, имеющей полный диплоидный набор хромосом, в результате двух мейотических делений образуется четыре гаплоидных сперматозоида и всего одна гаплоидная яйцеклетка.

Вот почему яйцеклетка одна, а сперматозоидов четыре? И почему в результате оогенеза образуются какие-то непонятные полярные тельца?

Дело в том, что яйцеклетке, в отличие от сперматозоида, функция которого состоит только в доставке генетического материала, после оплодотворения нужно делиться, причем весьма активно. Для осуществления любого процесса требуются энергетические ресурсы, которые находятся в цитоплазме. Поэтому было бы нерационально делить цитоплазму со всем ее содержимым поровну между всеми четырьмя яйцеклетками, образующимися в процессе мейоза. В результате такого равноценного деления получились бы четыре «недояйцеклетки», не обладающие достаточным количеством ресурсов для активного размножения. Но в то же время в процессе оогенеза дважды надо как-то избавляться от половины имеющихся хромосом, избыток которых ни к чему хорошему привести не может. Для удаления ненужных хромосом образуются полярные тельца, не очень-то жизнеспособные клетки, смысл существования которых заключается в устранении лишней половины диплоидного набора хромосом, который образуется при мейотическом делении в яйцеклетке. Образно полярные тельца можно сравнить с мусорным ведром, в которое выбрасываются ненужные хромосомы.

Вскоре после образования полярные тельца погибают, но если до того момента с одним из них соединится яйцеклетка, то в ней восстановится полный набор хромосом. Вот вам и второй путь восполнения утраченных хромосом.

Но бывает и так, что новый организм развивается из гаплоидной яйцеклетки, живет с половинным набором хромосом и прекрасно себя чувствует. Такое происходит только с самцами у некоторых видов перепончатокрылых насекомых (например, муравьев) и у коловраток, микроскопических многоклеточных животных, похожих на червей.

Генетическая сущность партеногенеза та же, что и у всех видов бесполого размножения: дочерний организм является копией материнского.

Первые клетки, от которых пошло все живое на нашей планете, размножались бесполым способом. Так, во всяком случае, принято считать сейчас.

Бесполое размножение имеет ряд преимуществ.

Во-первых, бесполое размножение экономичнее. При нем не надо тратить время и энергию на поиски партнера и терять впустую большое число половых клеток. Во время полового акта у человека к яйцеклетке одновременно устремляется не менее сорока миллионов сперматозоидов. Сорок миллионов! А в оплодотворении участвует всего один. Оцените потери. Комментарии здесь излишни.

Во-вторых, бесполое размножение происходит быстрее. Быстрота выгодна. «Кто успел, тот и съел», – гласит народная мудрость. Нужно успеть размножиться и захватить новый ареал обитания… Нужно успеть размножиться, пока не съели враги… И так далее.

В-третьих, при бесполом размножении все дочерние особи практически полностью идентичны материнской особи. Изменения в генотипе происходят редко, следовательно, вероятность генетических отклонений от нормы мала. А ведь отклонения бывают не только полезными, но и вредными. Стоит ли рисковать? Как говорится, от добра добра не ищут.

Так почему же природа в ходе эволюции перевела подавляющее большинство животных и высших растений на половое размножение?

Этот вопрос можно сформулировать иначе: почему особи, размножающиеся половым путем, оказались более жизнеспособными и широко распространились по нашей планете?

В чем состоит выгода полового размножения?

В постоянных, а если точнее, то в регулярных изменениях генотипа. Всякий раз, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, образуется особь с уникальным набором генов, а соответственно, и признаков!

Регулярные изменения генотипа дают множество вариантов.

Риск оправдан, поскольку среди этих вариантов, то есть среди особей, родившихся в результате оплодо-творения сперматозоидом яйцеклетки, всегда найдутся те, кто лучше других приспособлен к условиям окружающей среды. Разумеется, будут и такие, которые приспособлены хуже, ведь у любой медали есть две стороны. Но в целом генетическое разнообразие, как вы уже знаете, в эволюционном смысле выгоднее однообразия. В конечном итоге виды, размножающиеся половым путем, быстрее адаптируются к постоянно изменяющимся условиям внешней среды и обладают лучшей выживаемостью.

«К постоянно изменяющимся» – в этом-то вся соль. Условия внешней среды изменяются постоянно и неустанно. Если бы они не изменялись, то бесполое размножение было бы выгоднее полового. Приспособился один раз к постоянным условиям – и живи, наслаждайся.

Призыв не прогибаться под изменчивый мир хорош для песни, но для реальной жизни он не годится. Никогда эта изменчивая окружающая среда не «прогнется» под нужды и чаяния отдельного организма или даже целой группы организмов. У организмов нет выбора. Формально он есть – приспосабливайся или погибай, – но что это за выбор?

«Изменяйся вместе со средой, старайся приспособиться к ней как можно лучше!» – вот единственный лозунг матери-эволюции, и половое размножение соответствует ему как нельзя лучше.

В животном мире, к которому мы с вами имеем честь принадлежать, преобладает раздельнополость особей. Существуют самцы и самки, два типа организмов, четко различающихся в половом отношении. Причем эти различия касаются не только половых органов, а всего организма в целом. Самцы и самки различаются по конституции (внешнему виду), по обмену веществ, по поведению и по многим другим признакам.

В растительном мире, напротив, преобладает герма-фродитизм – одновременное или последовательное наличие у организма мужских и женских половых признаков и репродуктивных органов. Среди животных гермафродитизм распространен прежде всего среди беспозвоночных (плоские черви, некоторые виды кольчатых и круглых червей, а также моллюски), ракообразных и некоторых насекомых. Среди позвоночных гермафродитов преобладают рыбы.

У гермафродитизма есть два больших преимущества.

Во-первых, возможность самооплодотворения. Это весьма важно для организмов, ведущих одиночное существование, например, для кишечного паразита солитера. Но, с другой стороны, у большинства герма-фродитных видов в оплодотворении участвуют половые клетки, происходящие от разных особей, а самооплодотворение блокируется естественными механизмами.

Сразу же возникает вопрос: зачем нужно блокировать такой полезный признак? Дело в том, что самооплодо-творение – это палка о двух концах. У этого преимущества есть большой недостаток. Самооплодотворение означает, что потомок получает отцовский и материнский набор генов от одного и того же родителя. Если у родителя возникнет какая-то нежелательная мутация, вызывающая заболевание или приводящая к отклонениям в развитии, то она не будет подавлена гомологичным «здоровым» геном и проявится в потомстве. А при скрещивании между разными особями (пусть и гермафродитическими) вероятность появления заболевания у потомков резко снижается, потому что ген болезни может быть подавлен геном, полученным от другого родителя. Разумеется, ген болезни сам может оказаться сильнее здорового гена и подавить его, но все же ради получения качественного здорового потомства самооплодотворения желательно избегать. Те организмы, у которых в ходе эволюции возникли механизмы блокировки самооплодотворения, оказались более конкурентоспособными.

Второе преимущество заключается в том, что герма-фродиты быстро размножаются (и здесь никакого подвоха нет – это преимущество без недостатков). Даже если возникает необходимость поиска партнера, этот поиск занимает меньше времени и отнимает меньше сил, чем поиск партнера у двуполых организмов, ведь гермафродит может спариваться с любой другой (первой попавшейся) особью своего вида.

Можно подтянуть к двум названным преимуществам третье: условия окружающей среды относительно слабо влияют на процесс размножения гермафродитов, а вот для размножения двуполых организмов они имеют весьма большое значение. Некоторые виды млекопитающих не размножаются или же плохо размножаются в неволе, несмотря на создаваемые для них благоприятные условия проживания.

Напрашивается вопрос: почему при таких преимуществах гермафродитизм слабо распространен в живой природе и встречается у организмов с относительно примитивной организацией, то есть его можно считать архаизмом, «пережитком прошлого»?

Ответ тоже напрашивается сам собой: у гермафродитизма есть недостаток, перевешивающий все его выгоды, вместе взятые.

Да, есть! Энергетическое обеспечение половой системы обходится организму довольно дорого. Не так дорого, как обеспечение суперпрожорливого головного мозга, но все же дорого. А живые организмы, если кто не в курсе, крайне рачительны, если не сказать – прижимисты. Энергию они берегут как зеницу ока. А как же иначе? Ведь на поиски пищи, дающей энергию, тратится очень много времени и сил. Любой организм «запрограммирован» эволюцией на максимальное энергосбережение. Наличие двух половых систем с энергетической точки зрения крайне невыгодно. Предпочтительнее обойтись одной и снизить энергозатраты вдвое. А «освободившуюся» энергию можно потратить на развитие иммунной системы, щита, защищающего нас от чужеродных агентов-вредителей.

Определение половой принадлежности у разных организмов может происходить на разных стадиях жизненного цикла. У человека, а также у млекопитающих, птиц, рыб и вообще у большинства животных определение пола происходит в момент слияния женских и мужских половых клеток и бывает обусловлено комбинацией половых хромосом. Если в человеческую яйцеклетку проник сперматозоид с Y-хромосомой, то родится мальчик, если с Х-хромосомой – девочка. Отец всегда передает свою Х-хромосому дочери, а Y-хромосому – сыну. Мать передает сыну или дочери одну и ту же Х-хромосому. В процессе внутриутробного развития и на протяжении последующей жизни пол человека и большинства животных естественным путем измениться не может.

Но бывают случаи, когда пол определяется, точнее, предопределяется еще в процессе созревания яйцеклеток (только яйцеклеток, а не сперматозоидов!). Такое определение пола можно наблюдать у коловраток, а также у некоторых представителей биологического типа кольчатых червей. Механизм предопределения интересен и до конца пока еще не изучен. В процессе оогенеза цитоплазма в яйцеклетках распределяется неравномерно. Обратите внимание на то, что речь идет не об образовании нефункциональных полярных телец, являющихся «мусорными ведрами» для излишних хромосом, а о полностью функциональных яйцеклетках, существенно отличающихся друг от друга по размерам. Из крупных яйцеклеток после оплодотворения развиваются исключительно самки, а из мелких только самцы.

У морских беспозвоночных рода бонеллии (класс Многощетинковые черви) наблюдается уникальный тип определения пола, которое происходит на ранней стадии индивидуального развития особи. Самцы бонеллий весьма малы, длина их тела составляет от 1 до 3 миллиметров. Они ведут паразитарный образ жизни, причем паразитируют на самках, которые вырастают до 15 сантиметров в длину (вы только оцените эту разницу!). В строении тела самцов и самок тоже есть определенные различия. Можно сказать, что самцы бонеллий в своем развитии недалеко ушли от личинок. Таким образом, получается, что если в своем развитии особь «застывает» близко к личинке, она становится самцом. Если же растет дальше – вырастает в самку.

Сравните визуально буквы X и Y. Они различаются по форме – у Х есть лишнее плечо. X- и Y-хромосомы различаются не только по форме, но и по величине. А следовательно, и по генному составу. У человека Х-хромосома относится к разряду средних хромосом, а Y-хромосома – к малым. Человеческая Y-хромосома содержит всего-навсего около трех десятков генов! А в Х-хромосоме их примерно с тысячу! Впечатляющая разница, не так ли?

Наследование признаков, определяемых генами, находящимися в Х- и Y-хромосомах, называют сцепленным с полом наследованием. У человека сцепленно с полом наследуются такие наследственные аномалии, как гемофилия и дальтонизм, которые проявляются в фенотипе только у мужчин. Женщина в подавляющем большинстве случаев не может страдать гемофилией или дальтонизмом, она может быть только носительницей соответствующего гена. Почему так происходит, будет объяснено ниже.

Сцепленное с полом наследование имеет большое значение для животноводства, в частности для птицеводства. Пол «суточных», то есть только что вылупившихся из яйца цыплят, визуально определить невозможно. Однако производственные интересы требуют сделать это как можно раньше, поскольку от пола зависит рацион цыплят. Петушков интенсивно откармливают на убой, чтобы они быстрее набирали вес, а курочек, которым предстоит нести яйца, кормят более скромно, сугубо в рамках физиологических потребностей.

Пол цыплят определяют по окраске пера, зная генетические «расклады» родителей. Окраска пера у кур является сцепленным с полом признаком.

Схожим образом, по окраске, определяют пол при разведении тутового шелкопряда, мужские коконы которого дают на 30 % больше шелковой нити, чем женские.

Половые признаки подразделяются на первичные и вторичные. Первичные признаки или различия в строении внешних и внутренних половых органов непосредственно зависят от комбинации половых хромосом. Первичные половые признаки имеются уже при рождении, и именно они определяют пол человека.

К первичным мужским половым признакам относятся:

– яички с придатками;

– семенные пузырьки;

– предстательная железа;

– половой член с мошонкой.

Первичные женские половые признаки:

– наружные женские половые органы (вульва);

– влагалище;

– матка;

– фаллопиевы трубы;

– яичники.

Вторичные признаки называются так, потому что они являются результатом функционирования первичных половых признаков – половых желез.

Ко вторичным мужским половым признакам относятся:

– понижение и огрубление голоса;

– рост волос на лице и теле по мужскому типу;

– увеличение размеров полового члена и яичек до генетически заданного максимума;

– пигментация мошонки и сосков;

– формирование мужского типа лица и скелета.

Вторичные женские половые признаки:

– развитые молочные железы;

– рост волос на теле по женскому типу;

– менструация;

– пигментация половых губ и сосков;

– формирование женского типа лица и скелета, более высокий процент содержания жира в организме.

Х- и Y-хромосомы различаются по форме и размерам, но, тем не менее, они имеют общие, то есть схожие, или, как выражаются по-научному, гомологичные участки.

Посмотрите на рисунок и оцените, какая часть в каждой из хромосом является гомологичной, а какая нет.

В гомологичных участках половых хромосом находятся гены, определяющие признаки, которые одинаково наследуются и у мужчин, и у женщин.

Признаки, развитие которых определяется генами, расположенными в негомологичных участках Y-хромосомы (например, волосатость ушей), всегда встречаются у мужчин и никогда не встречаются у женщин. В женском наборе половых хромосом ХХ гена с негомологичного участка Y-хромосомы быть не может.

Почему гемофилия и дальтонизм обычно проявляются только у мужчин?

Потому что гены, вызывающие развитие этих заболеваний, тоже находятся в негомологичном участке Y-хромосомы? Но вроде как считается, что женщина может быть носительницей этих генов…

Да, может! Гены, вызывающие развитие гемофилии и дальтонизма, находятся в негомологичном участке Х-хромосомы. Обратите внимание: Х, а не Y! У женщин ген гемофилии или дальтонизма подавляет парный ген, находящийся в другой Х-хромосоме, и потому эти заболевания у женщин не развиваются. «Хороший» парный ген не позволяет своему «плохому» собрату творить злые дела. А у мужчин Х-хромосома всего одна, и «плохой» ген в ее негомологичном участке некому подавлять, в результате развивается заболевание.

Кстати говоря, мы только что рассмотрели пример того, как по проявлению признака можно сделать вывод о локализации определяющего его гена. Заболевание проявляется у мужчин, но никогда не проявляется у женщин? Ищите «преступный» ген в негомологичном участке Х-хромосомы и обязательно его там найдете!

Число половых хромосом может быть аномальным. Такое происходит вследствие нерасхождения половых хромосом во время мейоза по разным клеткам. В результате образуются половые клетки, имеющие две (или более)[44] половые хромосомы.

Наличие лишней Х-хромосомы у мальчиков (при наборе хромосом ХХY пол определяет наличие Y-хромосомы, а не двух Х-хромосом!) называется синдромом Клайнфельтера. Для этого синдрома характерны следующие симптомы: высокий рост, развитие молочных желез по женскому типу, недоразвитие яичек и умственная отсталость разной степени выраженности. Наличие лишней Х-хромосомы не участвует в определении пола, но в определенной степени подавляет развитие мужских признаков.

У девочек с одной Х-хромосомой (это происходит в тех случаях, когда нормальную яйцеклетку оплодотворил «пустой» сперматозоид, не имеющий ни одной хромосомы) наблюдается отсутствие яичников, низкий рост, недоразвитие вторичных половых признаков. Нехватка Х-хромосомы не позволяет полностью развиться женским признакам. Этот синдром называется синдромом Тернера.

Обратите внимание: женщины с синдромом Тернера могут болеть гемофилией или дальтонизмом, поскольку у них нет парной Х-хромосомы, а следовательно, нет «хорошего» гена, могущего подавлять «плохой» ген.

Женщины могут иметь и три Х-хромосомы. Пожалуй, это наиболее благоприятный вариант хромосомной аномалии, который не имеет никаких проявлений, кроме небольшого отставания в умственном развитии. Нередко о наличии у них лишней Х-хромосомы женщины узнают случайно, во время обследования по какой-то иной причине, не связанной с этой аномалией.

В середине прошлого века набор с одной лишней Y-хромосомой (XYY) получил печальную и совершенно незаслуженную славу. Падкие до сенсаций журналисты назвали лишнюю Y-хромосому «хромосомой преступности». Доходило до крайностей. Некоторые ученые предлагали ввести обязательное прерывание беременности при диагностике генотипа XYY у плода. А преступники в разных странах пытались избежать наказания за содеянное на основании своего генотипа XYY: не мы, мол, виноваты, а лишняя хромосома, которая сделала нас агрессивными, склонными к насилию. И представьте себе, кое-кому это удавалось.

Давайте рассмотрим, как возникла сенсация с «хромосомой преступности». Пример очень показательный и поучительный.

Некие генетики, изучавшие генотипы умственно отсталых заключенных в одном из тюремных госпиталей Великобритании, обнаружили у семерых из них одну лишнюю Y-хромосому. Всего в эксперименте участвовали сто девяносто шесть человек, так что цифра семь на этом фоне выглядела довольно внушительно – 3,6 %.

Для сравнения в исследование включили три с половиной тысячи новорожденных мужского пола. У пяти из них обнаружили лишнюю Y-хромосому. Пять от трех с половиной тысяч составляло 0,14 %.

0,14 % на воле и 3,6 % – в тюрьме. Разница почти в 26 раз! Причем все семеро заключенных с лишней хромосомой были осуждены за тяжкие преступления – убийства, нанесение увечий, изнасилования. На основании полученных данных исследователи сделали вывод о том, что лишняя Y-хромосома делает мужчину агрессивным, и назвали ее «геном агрессивности».

Вообще-то, по принятым в науке правилам, столь решительные выводы нельзя было основывать на таком хлипком «фундаменте», как обследование двухсот (округленно) заключенных в одной отдельно взятой тюрьме. Это нерепрезентативно[45]. Следовало обследовать как минимум втрое больше заключенных, причем в разных тюрьмах, значительно удаленных друг от друга, чтобы иметь основания для каких-либо предположений. Только предположений, а не окончательных выводов! До выводов нужно было еще работать и работать. Но поспешный вывод был сделан и опубликован в научном журнале, где его увидели журналисты, далекие от генетики и вообще от науки. Они не стали задаваться вопросами «как да почему?» и «на каком основании?», а назвали Y-хромосому «хромосомой преступности» и подняли в прессе шум. Едва ли не каждому жестокому убийце «приписывали» лишнюю Y-хромосому… Обыватели верили и ужасались.

Здравомыслящие генетики, когда к ним обращались за комментариями по поводу «хромосомы преступности», обращали внимание журналистов на то, что среди заключенных практически повсюду мужчины составляют большинство, и задавали встречный вопрос: можно ли на этом основании называть мужской генотип XY «генотипом преступности»? Шутка – ложь, да в ней намек: с выводами надо быть поосторожнее!

Лишняя Х- или Y-хромосома создает проблемы. Отсутствие Х-хромосомы у женщин тоже создает проблемы. Зародыши с одной Y-хромосомой очень быстро гибнут. Все так?

Да, все так.

А теперь давайте сравним распределение половых хромосом у женщин и мужчин.

ХХ и XY: вам ничего странного в глаза не бросается?

Вы не видите, что у женщин есть одна «лишняя» Х-хромосома?

Давайте даже уберем кавычки, потому что они здесь не нужны. У женщин есть одна лишняя Х-хромосома, и они как-то живут с ней, причем живут нормально, то есть нормально развиваются и функционируют.

Как им это удается?

Это не философский и не шуточный вопрос. Мужчины развиваются нормально с одной Х-хромосомой, следовательно, вторая Х-хромосома у женщин, по логике вещей, должна нарушать это нормальное развитие.

Пытливые умы долгое время ломали головы над этой проблемой и наконец предположили, что вторая Х-хромосома у женщин каким-то образом деактивируется, «выводится из игры» для того, чтобы не мешать нормальному развитию организма.

В середине прошлого века способ деактивации был открыт. Оказалось, что одна из Х-хромосом в женских соматических клетках находится в свернутом виде. Такие хромосомные комочки называют половым хроматином[46], или тельцами Барра. В мужских клетках телец Барра нет.

В завершение давайте запомним два термина, которые могут встречаться не только в сугубо научной, но и в научно-популярной литературе. У человека, а также у большинства других биологических видов женские особи вырабатывают однотипные половые клетки (гаметы), содержащие только Х-хромосомы, и потому называются гомогаметными организмами. Мужские особи, производящие два типа половых клеток (с Х- или с Y-хромосомой), называются гетерогаметными[47]. У некоторых организмов (птиц, бабочек, рыб и растений) гомогаметными являются мужские особи, а гетерогаметными – женские.

И вот вам традиционный вопрос: может ли женщина, не имеющая синдрома Тернера, болеть гемофилией или дальтонизмом?

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Представьте, может! Если отец болен гемофилией или дальтонизмом, а мать является здоровой носительницей этого признака, то их дочь может получить две Х-хромосомы с геном болезни – одну от матери и одну от отца. При таком раскладе у женщины не будет аллельного «здорового» гена, который сможет подавить ген болезни.