Рис. 3. Две стадии митоза в бластуле сига. На фотографиях видны «танец» хромосом и структура клетки
Разница между обычной кристаллизацией и самовоспроизведением ДНК состоит в том, что образовавшаяся молекула ДНК, в отличие от завершенного ряда кристаллической решетки, отделяется. Она в одиночестве совершает свой танец. Поэтому здесь не может идти речь об одной голой химии.
Опыты показали, что ДНК и РНК принимают участие в синтезе белков. При этом ДНК управляет, а РНК исполняет. РНК плазмы синтезируется при помощи ДНК. Она является переносчиком РНК, которая ответственна за синтез белков. Правда, было найдено, что в синтезе белков участвует что-то еще кроме четырех нуклеотидов РНК. Это «что-то» присутствует в столь малых количествах, что его трудно выделить и определить, что же оно собой представляет. Но, хотя информация для производства белков считывается с РНК, свойства этих белков определяет ДНК. Собственно, ничего удивительного в этом нет — ведь сама РНК создается при помощи ДНК.
Опытным путем был установлен следующий любопытный факт: синтез белков прекращается, если удалено 85 % нуклеиновых кислот. Этот синтез возобновляется, если ввести вновь РНК.
ДНК в чистом виде можно выделить из бактерий, которые вызывают воспаление легких. Эти бактерии называются пневмококками. Они существуют в нескольких разновидностях, у которых различные характеристики. Так, в одной из разновидностей этих бактерий их группы заключены в общую защитную капсулу. Было установлено, что если эту выделенную ДНК ввести в культуру пневмококков, которые не заключены в капсулы, то подвергшееся «прививке» поколение бактерий само начинает создавать капсулы. Более того, это свойство передается потомству без добавочного введения ДНК из той разновидности бактерий, которые образуют капсулы. При этом постоянным наследственным свойством этих бактерий становится образование ими капсул.
Проследить функции ДНК можно на примере какого-либо вируса, например бактериофага кишечной палочки Т2. Этот вирус состоит из белковой оболочки, которая заключает в себе одну молекулу хромосомной ДНК. Эту молекулу специалисты называют «апериодическим кристаллом» то есть кристаллом, у которого нет четкого периода, повторяемости. По весу ДНК и белок составляют 40 и 60 % соответственно. Кроме белка и ДНК в этом вирусе имеются также следы липоидного вещества. Таким веществом являются кислоты в соединении со спиртами. ДНК вируса имеет необычный состав. Она включает в себя 5-гидроксиме- тилцитозин. Оболочка вируса состоит из головки призматической гексагональной формы, которая заключает в себе ДНК, и трубкообразного хвостика или ножки. Ножка обвита белковыми волокнами, которые образуют на конце ножки своего рода усики. Эти усики весьма уникальные — они способны «узнавать хозяина». Атомные структуры усиков соединяются со стенками одних клеток и не соединяются со стенками других клеток. Поэтому если вирус встретится с нужным типом клетки, то его усики прикрепляются к этой клетке. Благодаря этому мосту ДНК из вируса переходит в канал ножки. Затем она делает дырку в стенке клетки и через нее проникает в цитоплазму бактерии. Пустую оболочку ДНК оставляет снаружи клетки, в которой она поселилась. Ей эта оболочка больше не нужна. Кстати, пустая оболочка во всех отношениях мертва. Она не может размножаться, что свойственно живому веществу. Правда, эта неживая оболочка способна присоединяться к соответствующей бактерии и убивать эту бактерию. Бактерия погибает потому, что в ней подавляется синтез белков. Поэтому наступает ее смерть. Таким образом, вся сущность вируса заключена в его ДНК. Эта ДНК вируса побеждает управляющее действие ДНК бактерии. Кроме того, она перестраивает все доступное ей вещество бактерии по своему образу и подобию. Так создаются отдельные нити вирусной ДНК. Через короткое время они образуют белковые оболочки. При этом внутри разрушенной клетки-хозяина рождается новое поколение вирусов. Подобным образом происходит заражение гусеницы личинкой наездника. Но это только внешнее сходство. Ведь образованный вирус не развивается. Ученые говорят, что у вируса нет метаболизма. Он все время остается неизменным. В сущности, вирус — это кристалл, но паразитический. В некоторых отношениях он отдаленно напоминает мужские половые клетки — гаметы. Правда, мужские половые клетки высших многоклеточных организмов, в том числе и человека, обладают и другими свойствами. Так, мужской сперматозоид состоит из белковой оболочки, в которой находится набор хромосом без цитоплазмы, и жгутика, при помощи которого он движется. Головка и хвостик как и у вируса. Что касается женской яйцеклетки, то она сравнительно велика и в ней много цитоплазмы.
Гаметы размножаются простым редукционным делением, или мейозом. При этом хромосомы каждой пары разделяются. В результате дочерние клетки имеют половину нормального числа хромосом. У человека их 23. Они являются гаплоидными клетками. Когда происходит слияние мужской и женской гамет, то образуется одна диплоидная клетка с полным набором хромосом и цитоплазмой. Сразу же после этого происходит митоз. В результате каждая пара, которая была образована соответствующими хромосомами сперматозоида и яйцеклетки, воспроизводит себе подобную. Эмбрион начинает расти и развиваться.
Вся информация о свойствах нового организма содержится в ДНК. Сама же наследственность передается неделимыми «партиями» (в физике порции энергии называют квантами). Эти кванты называют генами. Поскольку в клетке имеются два набора хромосом, то и гены там имеются в двух экземплярах. Такие парные гены называются аллелями. Случаи бесполого развития неоплодотворенных яиц высших организмов очень редки. В результате этого процесса получаются гаплоидные особи. Примером таких гаплоидных особей являются трутни. Это по сути гаплоидные пчелы, которые развились из неоплодотворенных яиц. Процесс может развиваться и по-другому: одно яйцо может быть оплодотворено двумя или более сперматозоидами. При этом образуется аномальная особь, у которой вместо двух будет три или больше наборов хромосом. В этих ненормальных условиях эмбрион будет развиваться более или менее нормально. Но избыток хромосом неизбежно приведет к различным отклонениям и неправильностям. Известно, что болезнь Дауна вызывается именно наличием третьего набора хромосом.
Несмотря на все это «супружество» аллелей может быть удачным. Если они одинаковы, то ничего плохого не произойдет. В результате потомство будет характеризоваться тем же геном. Независимо от того, как распределены хромосомы в процессе мейоза, один аллель всегда будет присутствовать. Если же два аллеля различны, то возможны два варианта. Или они будут сотрудничать и оказывать на особь совместное влияние, или же они будут антагонистами. В последнем случае один ген (доминантный) будет господствовать над другим, подавляя его. Этот подавленный ген называют рецессивным. Но этот подавленный ген не сдается. Он ждет благоприятного случая для своего высвобождения. Это вполне возможно при следующем мейозе. В том случае, если гены несовместимы, их союз остается бесплодным.
Ген в хромосоме занимает определенное место. Его можно проследить вплоть до химического состава части молекулы ДНК. Это показано на рисунке 4. Если гаметы мухи дрозофилы подвергнуть радиоактивному облучению, то можно наблюдать, как на ее потомство будет влиять повреждение какой-либо части хромосомы.
Рис. 4. Гигантская хромосома из слюнной железы мухи дрозофилы. Видны темные и светлые полосы, в которых расположены гены
Понимание и объяснение механизма наследственности базируется на факте существования генов в двух экземплярах. Однако было установлено, что не все наследуемые характеристики передаются по наследству через хромосомы, как это представляется законами Менделя. Оказалось, что цитоплазма тоже может принимать участие в передаче наследственных признаков. Но мужская гамета не имеет цитоплазмы.
