Биология клетки

Биология клетки

До сих пор в этой книге мы рассматривали наши тела на физическом уровне, главным образом, с точки зрения элементарных частиц и атомов. Теперь давайте взглянем на них с точки зрения клеток — тех основных ячеек живых систем, которые можно было бы назвать «атомами жизни».

Клетки очень малы. В булавочной головке уместились бы десять тысяч человеческих клеток![97] В каждом из нас около 75 триллионов клеток! Каждая клетка содержит в себе набор хромосом с наследуемым генетическим материалом, который управляет нашим развитием. Этот материал образует «геном», представляющий собой набор инструкций для нашего физического развития. Ниже приведен простой набросок типичной клетки, на котором выделен геном (более темный внутренний кружок), и показаны ядро клетки и х-образные хромосомы.

(Надписи на рисунке, сверху вниз слева направо: Геном клетки; Ядро клетки; Хромосома)

Эти хромосомы содержат в себе генетический код, который состоит из ДНК — миллионов атомов, связанных друг с другом в виде двух цепей, свернутых в двойную спираль. Если выпрямить ДНК, содержащуюся всего в одной крохотной клетке вашего тела, она бы образовала нить длиной около двух метров!

(Надпись над рисунком: развернутая хромосома)

При развертывании такая хромосома сперва выглядит как скрученная нить.[98]

Наш генетический материал — наш геном — похож на геномы других форм жизни, от блох до горилл, и от бактерий до медведей. Геном мартышки содержит 99 % нашего генома. Нам известно, что когда клетки не находятся в процессе деления или воспроизводства, наша ДНК равномерно распределена в ядре клетки. Однако, во время клеточного деления, ДНК свертывается и складывается в нитеподобные хромосомы, которые несут генетический к следующим поколениям и в будущее. Число хромосом в клетке постоянно для каждого вида. У людей 46 хромосом, объединенных в 23 пары. Каждая пара имеет форму двойной спирали.

Ученые полагают, что человеческая ДНК существует на этой планете уже около трех с половиной миллиардов лет. Аварии генома, происходящие под влиянием внутренних и внешних причин, повреждают ДНК и, следовательно, влияют на воспроизводство клеток в будущем. Согласно современным теориям, естественный отбор использует эти аварии или «мутации» для отсеивания «мутантов» в соответствии с их «пригодностью». Выживают только «благоприятные» ошибки. С этой точки зрения, природа действует подобно автомобильной компании. Она производит много автомобилей, испытывает много моторов. Лучшие моторы являются «наиболее приспособленными» в том, что касается мощности и эффективности; худшие представляют собой «случайности», ведущие к менее положительным или даже опасным результатам.

В конце восемнадцатого столетия Грегор Мендель (не мой родственник) открыл основные законы, управляющие генетикой. Он объяснил, например, почему дети могут быть похожи не на родителей, а на дедушек и бабушек.

Более подробно о генетике Менделя

Генетические исследования вызывают и восхищение, и страх, в зависимости от того, используются ли она для лечения болезней или же для клонирования новых и «лучших» видов. В настоящее время генетика дает своего рода карту человеческого мира, показывающую его общий вид, но не конкретные подробности. Мы, так сказать, видим континенты, но не улицы. По мере развития исследований, ученые надеются получить и отдельные карты улиц.

В 1860 гг. австрийский монах Грегор Мендель в результате своих исследований гороха совершил открытие, которое сделало его основоположником современной генетики. Он заявил, что основной единицей наследственности является фактор, который он назвал «геном». Он пока еще не знал, что представляет собой генетический материал, и где он находится, но понял, что он определяет наследование определенной характеристики или группы характеристик. Его теория обещала разрешить фундаментальную загадку наследственности и эволюции.

Он обнаружил, что гены подчиняются простым статистическим законам. Чтобы объяснить их, сначала вспомним, что наследство происходит от двух животных или растений одной и той же, либо различных рас или пород, разновидностей и т. д.

Закон Менделя утверждает, что клетки потомства можно разделить на две категории. Половина репродуктивных клеток потомства несут в себе единицу одного родителя, а вторая половина — единицу второго родителя. Это разделение альтернативных признаков в репродуктивных клетках теперь известно как первый закон Менделя. Он также носит название «принцип сегрегации», и может использоваться для предсказания того, что происходит в природе (когда одну пару альтернативных признаков наблюдают в нескольких поколениях).

Например, темный цветок (RR) и светлый цветок (rr) дают в первом поколении темно окрашенное потомство (Rr). Это можно записать в виде RR + rr = Rr. Два темно окрашенных представителя этого потомства, Rr и rR, соединяясь, дают в следующем поколении четыре вида потомства. Наиболее вероятными генетическими конфигурациями потомства будут три темно окрашенных цветка и один светло окрашенный — а именно, RR, Rr, rR, и rr. Таким образом Некоторые из потомков могут быть похожи на своих «дедушек» и «бабушек» (то есть, RR и rr), а не на родителей — Rr и rR.

Сегодня мы знаем, что открытая Менделем «единица наследственности» — ген — занимает определенное место, или «локус», в хромосоме. В следствие этого слово локус стало употребляться примерно взаимозаменяемым образом со словом ген. В 1953 г. Уотсон и Крик отрыли физико-химическую структуру ДНК — двойную спираль. Они поняли, что ДНК (или дезоксирибонуклеиновая кислота) представляет собой «становой хребет» хромосомы. ДНК — длинная, тонкая непрерывная молекула — представляет собой цепь из мельчайших субъединиц, которые называются нуклеотидными основаниями. Было обнаружено, что гены — участки ДНК — содержат большое количество оснований (в цепи ДНК существует четыре разных типа оснований — аденин, гуанин, цитозин и тимин). Их последовательность в гене определяет его свойства.

ДНК оказалась похожей на винтовую лестницу, ступенями которой являются гены. На рисунке схематически показаны скрученные нити ДНК и расположение в них нуклеотидных оснований. Ген состоит из многих тысяч пар таких оснований. Чтобы расшифровать генетический код, ученые должны разделить нити ДНК и исследовать, как они копируются.

(Надписи на рисунке, сверху вниз: Гены — это участки двойной цепи ДНК; Ген; Нуклеотидные основания A,G,T и C образуют четырехбуквенное «слово», которое кодирует генетическую информацию).

Более подробно о генетике человека

23 пары хромосом нашего генома определяют очень многое в нашей жизни. Например, если в 21-й паре не две, а три хромосомы, то имеет место синдром Дауна.

Многие из наших физических характеристик определяются генами предков наших родителей. Такие характеристики, как рост, относительно больше зависят от наследственности; другие, вроде веса тела, в сравнительно большей степени определяются окружающей средой. Есть и характеристики, судя по всему, полностью зависящие от генов — к ним относятся группа крови и антигены тканевой совместимости, ответственные за отторжение пересаженных органов. Не известно никаких факторов окружающей среды, способных влиять на такие характеристики.[99]

Геном человека содержит приблизительно 100000 генов, из которых около 4000 могут быть связаны с заболеваниями. От этих генов зависит восприимчивость к различным другим болезням; в их число входят сахарный диабет, болезнь Альцгеймера, рассеянный склероз, шизофрения, болезнь Хантингтона, малярия, несколько видов рака, мигрень, алкоголизм, тучность, гипертония и биполярные психические расстройства.