© А.Л. Шляхов, 2022

© Издательство АСТ, 2022

Все живые организмы обладают двумя чудесными свойствами – наследственностью и изменчивостью. Чудесными (в переносном, разумеется, смысле) эти свойства называются потому, что благодаря им на нашей планете существует такое невероятное многообразие жизни.

Наследственностью называют способность живых организмов передавать свои признаки следующему поколению. Дети похожи на родителей…

Дети похожи на родителей, но не полностью, потому что наследственность тесно связана с изменчивостью – способностью живых организмов приобретать индивидуальные признаки, отличающие их от других особей. Наследственность и изменчивость – противоположные свойства, которые природа запрягла в одну упряжку. Наследственность поддерживает установленный порядок, а изменчивость его нарушает, и никуда им друг от друга не деться.

Что было бы, если бы не существовало наследственности?

А ничего бы не было! В смысле – ничего живого. Жизнь возможна только при условии непрерывного самоподдерживания посредством размножения, а без возможности передавать свои признаки следующему поколению размножаться нельзя.

Что было бы, если бы не существовало изменчивости?

На суше ничего живого не было бы. А в воде обитали бы потомки первого одноклеточного организма, с которого началась жизнь на нашей планете. Все они были бы полностью схожи друг с другом, каждое поколение являлось бы абсолютно точной копией предыдущего. Жизнь, как известно, зародилась в воде и первоначально развивалась там. При отсутствии изменчивости выход жизни из воды на сушу был бы невозможен. Порядок нужен, с этим никто не спорит, но что-то где-то иногда должно изменяться…

Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости, называется генетикой. В вольном переводе с греческого ее название означает «наука о происхождении». Генетика – относительно молодая наука, с непростой судьбой. Годом ее рождения считается 1865 год, в котором австрийский монах Грегор Мендель обнародовал результаты исследований о передаче признаков по наследству при скрещивании гороха. Революционные, без какого-либо преувеличения, опыты Менделя не удостоились внимания научной общественности, а новорожденная наука на протяжении четырех десятилетий словно бы и не существовала. У нее даже имени своего не было, не говоря о чем-то другом. Лишь в 1906 году британский биолог Уильям Бэтсон образовал от греческого слова «генезис» («рождение») термин «генетика». Получив имя, новая наука начала быстро развиваться. Открытия шли одно за другим, появлялись новые направления, выраставшие в отдельные отрасли. На сегодняшний день генетика является не просто наукой, а совокупностью научных дисциплин, число которых перевалило за три десятка.

Раньше преступники творили свои черные дела в перчатках, чтобы не оставлять отпечатков пальцев на месте преступления, а сейчас самые осторожные из них действуют в наглухо закрытых комбинезонах, чтобы не оставить криминалистам ни волоска, ни кожной чешуйки, ни капельки слюны или крови, из которых можно выделить ДНК[1] и «пробить» ее по генетической базе. Криминалистическая генетика помогает раскрывать преступления.

Генная инженерия широко используется в животноводстве, растениеводстве и медицине. Все, наверное, слышали о генетически модифицированных организмах и векторных вакцинах? А знаете ли вы, что в будущем врачи будут лечить пациентов, «переписывая» их наследственные программы?

А сколько нам открытий чудных готовит археогенетика, которая изучает генетическую историю жизни на нашей планете? Выделенная из археологических останков ДНК «рассказывает» о том, как именно происходило расселение человека по планете; о том, чем болели наши древние предки; о том, чем они питались, и о многом другом…

Эта книга предназначена как для школьников, которым хочется больше знать и лучше понимать, так и для взрослых, которым интересна генетика. Изложенный материал выходит за рамки школьного курса генетики, включенного в программу по биологии, однако не стоит бояться, что вы чего-то не поймете, поскольку информация подается в легкоусвояемом виде. Книга написана по принципу «просто о сложном», как и положено в серии «Наука на пальцах».

Познавательного вам чтения!

В далеком 1869 году швейцарский биолог Иоганн Мишер выделил из клеточных ядер человеческих лейкоцитов[2] вещество, которое назвал «нуклеином» от латинского слова «нуклеус» («ядро»). Мишер установил, что нуклеин состоит из углерода, кислорода, водорода, азота и фосфора, а также то, что нуклеин обладает кислыми свойствами, но ничего большего возможности того времени сделать не позволяли. «Расшифровать» структуру нуклеина удалось лишь в середине ХХ века. По результатам «расшифровки» нуклеин переименовали в дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК).

Пусть вас не смущает столь длинное название. С третьей попытки его можно произнести уже без запинки, да и вообще чаще всего пользуются аббревиатурой ДНК, так проще. Следом за дезоксирибонуклеиновой кислотой была изучена рибонуклеиновая кислота (РНК), содержащаяся как в клеточном ядре, так и за его пределами.

Молекулы ДНК и РНК состоят из повторяющихся блоков, которые называются нуклеотидами. Нуклеотиды, в свою очередь, состоят из азотистого основания и одного из двух сахаров: рибозы или дезоксирибозы[3]. От сахара образуется название нуклеиновой кислоты. В состав ДНК и РНК входят четыре азотистых основания. Аденин (A), гуанин (G) и цитозин (C) – общие для обоих нуклеиновых кислот, тимин (T) встречается только в ДНК, а урацил (U) – только в РНК[4]. Условно азотистые основания можно сравнить с буквами, при помощи которых записывается наследственная информация организма.

Если с химической точки зрения ДНК и РНК довольно схожи между собой как представители одной и той же группы нуклеиновых кислот, то с генетической точки зрения разница между ними огромна. Молекулы ДНК являются хранителями наследственной информации и организаторами ее передачи по назначению. А молекулы РНК играют вспомогательную роль. Однако из этого правила существует исключение. У многих вирусов, не имеющих ДНК, наследственная информация «записана» на молекулах РНК. А еще у вирусов, наряду с двухцепочечной ДНК и одноцепочечной РНК, встречаются и двухцепочечная РНК, и одноцепочечная ДНК, имейте это в виду.

Молекулы ДНК гораздо крупнее молекул РНК, которые тоже не маленькие. Если молекулы РНК можно назвать крупными, то молекулы ДНК – гигантскими. Число нуклеотидов в ДНК может доходить до нескольких сотен миллионов. Молекулы ДНК состоят не из одной, а из двух нуклеотидных цепочек, которые для пущей компактности еще и закручены вокруг своей оси в спираль. Цепочки устроены так, что остатки фосфорной кислоты и дезоксирибозы выполняют роль каркаса, похожего на перила винтовой лестницы, а нуклеотиды-«ступеньки» располагаются внутри и доступны для считывания. А вот молекулы РНК состоят из одной длинной нуклеотидной цепочки, которая также закручивается в спираль, или из множества одинарных спиралей, образующих подобие клубка.

Схематическое изображение фрагментов молекул ДНК и РНК

Наследственную информацию, закодированную в молекулах ДНК, нужно передавать потомкам, верно? Следовательно, нужно копировать молекулы ДНК. Эти молекулы настолько сознательны, что копируют себя сами. Про сознательность была шутка, потому что молекулы разумом не обладают, а про самокопирование – чистая правда. Молекулы ДНК обладают способностью к самовоспроизведению, которая по-научному называется репликацией.

Процесс репликации происходит так. Двойная нуклеотидная цепочка разъединяется, и по каждому из фрагментов начинают «ползти», то есть перемещаться, белковые комплексы, содержащие фермент[5] под названием ДНК-полимераза. ДНК-полимераза считывает информацию с материнской цепочки и на ее основе создает новую цепочку. Таким образом в ходе процесса из одной молекулы ДНК образуются две дочерние, каждая из которых содержит половину (одну цепочку) материнской ДНК. Разъединение двойной спирали для копирования обеспечивает особый фермент, который называется хеликазой. Хеликазу можно сравнить с ножницами, разрезающими связи между цепочками.

Репликация

Репликация – основа наследственности. Дочерние ДНК должны являться копиями материнской ДНК. Обратите внимание на слово «должны», потому что оно имеет важное значение. Да, природа «запрограммировала» молекулы ДНК на точное самокопирование, однако во время репликации вместо нужного нуклеотида в цепочку может быть встроен другой, содержащий иное азотистое основание. Такие ошибки неизбежны. В результате наследственный код может измениться. Вот вам один из примеров изменчивости.

Имеете ли вы представление о скорости размножения бактерий? Если с питанием все в порядке, то есть бактерии находятся в питательной среде, содержащей все необходимое, то примерно раз в 20 минут одна бактерия будет делиться на две дочерние клетки. В идеальных условиях, исключающих гибель бактерий, от одной клетки-праматери за 10 часов может образоваться миллион потомков! А вот амеба, пребывающая в благоприятных условиях, делится надвое раз в сутки, а то и реже. Как, по-вашему, чем можно объяснить столь большую разницу в скорости размножения у двух одноклеточных организмов?

Давайте вспомним, что амебы относятся к эукариотам, то есть организмам, клетки которых имеют ядро[6], а бактерии – к безъядерным прокариотам. У эукариот репликация протекает со скоростью от 500 до 5000 нук– леотидных пар в минуту, а у прокариот скорость репликации гораздо выше и в среднем составляет около 100 000 пар в минуту. Почему? Да потому, что у эукариот молекулы ДНК содержатся в ядрах, а у прокариот находятся в цитоплазме – полужидкой внутренней среде клетки. Проще говоря, в клетках-эукариотах ДНК хранится в «упакованном» виде, а у прокариот в «распакованном», полностью готовом к копированию. Прокариотам, в отличие от эукариот, не приходится тратить время на «распаковку» и «упаковку» молекул ДНК, а также на транспортировку «строительного материала» внутрь ядра из цитоплазмы, потому и репликация у них протекает гораздо быстрее. Кроме того, амебы имеют более сложное строение, чем бактерии, а на воспроизводство большего количества клеточных структур тоже требуется больше времени. Но главное различие – скорость репликации.

Вот вам вопрос на сообразительность (ответ будет дан в конце этой главы).

Первое. Эукариоты произошли от прокариот. Самые первые клетки были безъядерными, ядра появились на определенном этапе эволюции. С одной стороны, мы знаем, что естественный отбор, являющийся основным фактором эволюции, можно сказать – ее движущей силой, оставляет (закрепляет) полезные, благоприятные для существования и размножения признаки и исключает вредные, неблагоприятные. Это происходит само собой, а не по чьему-то велению. Особь, обладающая благоприятным признаком, сможет прожить дольше и оставить больше потомства, чем условно-средняя особь, не имеющая такого признака. И ее потомки, получившие благоприятный признак, тоже смогут прожить дольше и оставить больше потомства. Таким образом, со временем признак распространится по всей популяции[7], а особь с неблагоприятным признаком проживет меньше среднего и оставит мало потомства, а то и вовсе не доживет до половозрелого возраста. Иначе говоря, вредный признак не будет передан потомству или же будет передан малому количеству потомков. В отличие от полезного, вредный признак не сможет распространиться по всей популяции, он со временем сойдет на нет.

Второе. Высокая скорость размножения с эволюционной точки зрения безусловно является благоприятным признаком. Чем быстрее растут наши ряды, тем скорее мы вытесним всех конкурентов и завоюем мир! В конечном итоге все живые организмы к этому и стремятся.

Третье. Эволюция не ошибается, потому что она этого не умеет. Ошибается тот, кто принимает решение, а эволюционный процесс протекает стихийно, без какого-либо контроля.

Вопрос: так почему же появление клеточного ядра было закреплено естественным отбором как полезный признак? Можно спросить иначе: почему довольно канительная «упаковка» молекул ДНК в клеточное ядро была закреплена естественным отбором как полезный признак?

Пойдем дальше.

Молекулы ДНК служат матрицами для молекул РНК. Образование молекулы РНК на ДНК-матрице называется транскрипцией. Транскрипция напоминает репликацию – по молекуле ДНК «ползет» фермент РНК-полимераза и по считываемому коду синтезирует молекулу РНК.

Молекулы РНК, в свою очередь, служат матрицами для синтеза молекул различных белков. Этот процесс называется трансляцией.

Вся наследственная информация реализуется в виде синтеза тех или иных белков, являющихся основой жизни на нашей планете. Все свойства живых организмов, начиная с цвета волос и заканчивая состоянием иммунной системы, определяются белками.

У вдумчивых читателей может возникнуть вопрос: зачем сначала синтезировать РНК-матрицы на ДНК-матрицах, а затем на РНК-матрицах синтезировать белковые молекулы? Зачем нужны посредники, на создание которых приходится тратить время и средства? Опять же, лишние копирования увеличивают процент ошибок…

Так удобнее. Молекула ДНК представляет собой весьма громоздкую матрицу. Маленькие матрицы РНК гораздо удобнее для синтеза белковых молекул, и это удобство оправдывает затраты на их производство. Кроме того, ДНК-матрица в клетке всего одна, а РНК-матриц можно «наштамповать» много и вести синтез белковых молекул на всех одновременно. В живой природе нет ничего избыточного и нерационального, а если что-то и кажется нам таковым, то только лишь по причине непонимания сути. Так, например, мы пока еще не знаем назначение участков молекул ДНК, не хранящих никакой информации. Эти участки не очень-то благозвучно называют «мусорной ДНК», но дело не в названии, а в том, что к «мусору» относится более 90 % молекулы ДНК. Если бы эти участки на самом деле были бы «мусором», то есть чем-то ненужным, то они давным-давно исчезли бы в ходе эволюционного процесса. Однако же они сохранились, следовательно, без них обойтись нельзя.

РНК служат не только матрицами. Они входят в состав ряда ферментов и сами по себе тоже способны проявлять ферментативную активность, которая выражается в способности «разрывать» другие молекулы РНК или, напротив, «склеивать» их фрагменты. РНК, выступающие в роли самостоятельных ферментов, называются рибозимами.

Существует также транспортная РНК, которая переносит аминокислоты к месту синтеза белков. А малютка РНК-праймер, состоящая всего из десятка нуклеотидов, выполняет очень важную функцию – запускает процесс репликации ДНК.

Кстати говоря, вид одной длинной спирали имеют молекулы РНК, служащие матрицей для синтеза белков. Все прочие, «нематричные» разновидности РНК состоят из «клубков», образованных множеством коротких спиралей.

У многих вирусов РНК играет роль ДНК, то есть является хранителем наследственной информации. А знаете ли вы, что представляют собой вирусы? Молекулу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), заключенную в защитную белковую оболочку, называемую капсидом. Капсид выполняет не только защитную функцию. Он также обеспечивает прикрепление вируса к поверхности клеточных мембран благодаря наличию рецепторов, способных связываться с мембранными рецепторами клеток-мишеней. Капсид остается за пределами клетки, а нуклеиновая кислота вируса проникает внутрь и «переключает» клетку на производство вирусов. Паразитируя в клетках, вирусы нарушают их нормальную жизнедеятельность, вызывая болезни. Только в клетке вирус живет «полноценной», активной жизнью. Вне клетки он находится в неактивном состоянии. Вирусы поражают все живое: животных, растения, микроорганизмы.

Размеры вирусов очень малы, поэтому их величину измеряют не в микронах (миллионных долях метра), а в нанометрах (миллиардных долях метра). «Мелкий» вирус полиомиелита имеет размер около 20 нм, а «гигантский» вирус желтухи свеклы – 1500 нм. Одну клетку могут заселять одновременно несколько десятков вирусов.

Одни ученые считают вирусы особой, неклеточной формой жизни, а другие – всего лишь «неживыми» комплексами органических молекул, которые способны взаимодействовать с живыми организмами.

С одной стороны, вирусы могут реализовывать свою наследственную информацию, то есть воспроизводиться, только после внедрения в клетки за счет использования клеточных ресурсов. Своего обмена веществ у вирусов нет, за пределами клетки они неактивны.

С другой стороны, вирусы имеют собственный наследственный материал, они способны к размножению (пусть и внутри клетки-хозяина) и эволюционируют путем естественного отбора, что позволяет отнести их к живым организмам.

Хорошо подходит к вирусам поэтичное определение «организмы на краю жизни». В шутку биологи говорят о вирусах так: «Они живые, но не совсем».

Схематическое изображение различных вирусов

Вирусы служат одним из инструментов генной инженерии, о которой мы поговорим после того, как ознакомимся с основами генетики.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Для выживания биологического вида[8] имеет значение не только скорость размножения, но и качество потомства. Грубо говоря, выгоднее иметь одного полноценного, здорового потомка, чем десять «дефективных». «Упаковку» молекул ДНК в ядро можно сравнить с убиранием вещей в шкаф, где они будут защищены от разных случайных повреждений. Нахождение в ядре способствует лучшему сохранению бесценной наследственной информации. И вообще в отношении потомства работает принцип «лучше меньше, да лучше».

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.

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.

Хромосомный набор человека

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.

Хромосома

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.

Центриоли

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.

Образование веретена деления (оно видно на среднем рисунке) и разделение хромосом

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.

Мейоз

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.

Деление прокариот

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».

Строение митохондрии

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.

Хлоропласт в разрезе

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».

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!

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.

Схематичное и упрощенное изображение кроссинговера

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.

Структура Холлидея. латинскими буквами обозначены аминокислоты – аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T)

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.

Реципрокные и робертсоновские транслокации

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).

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.

Структурная формула глутаминовой кислоты

Структурная формула валина

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°;

Делеция

Дупликация

Инверсия

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

Образование кольцевой хромосомы

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

Образование изохромосомы

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.

Амплификатор

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.

Структурная формула колхицина

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.

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).

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.

Для общего представления – вот как выглядит генетическая карта дрозофилы чернобрюхой

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.

Схема наследования гемофилии в правящих домах Европы

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.

Гибридизация нуклеиновых кислот

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.

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.

Сперматогенез и оогенез

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.

Самец и самка морского червя Bonellia viridis

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.

Схема гомологичных (1) и негомологичных (2 и 3) участков Х– (слева) и Y-хромосом (справа)

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.

Тельце Барра или половой хроматин.

А – клетка женщины (ХХ).

Б – клетка мужчины (ХУ)

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.

Заслуга Грегора Менделя состоит в том, что он первым сорвал покров тайны с передачи признаков по наследству. Проблема Грегора Менделя заключалась в том, что на его революционные эксперименты научное сообщество не обратило внимания. Никому не известный монах занимается на досуге опытами по скрещиванию садового гороха и публикует об этом статьи… Что в этом может быть особенного? Ничего!

Сам Мендель понимал, что что-то особенное в его работах есть, и старался, чтобы итоги его семилетнего труда были замечены. Не удовлетворившись публикацией в сборнике местного Общества естествоиспытателей (дело было в Брюнне, который ныне называется Брно), Мендель напечатал свои «Опыты над растительными гибридами» в виде отдельной брошюры, которую разослал именитым ученым-ботаникам. Ни один из корифеев науки не откликнулся. К сожалению, так бывает, когда кто-то высказывает идеи, до которых общество еще не доросло. Хотя предпосылки к тому, чтобы дорасти, уже имелись. Мендель опубликовал результаты своих экспериментов в 1865 году, спустя шесть лет после выхода дарвиновского труда «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь».

Слава пришла к Менделю посмертно, в начале XX века, когда вдруг выяснилось, что он основал новую науку – генетику.

Если вникнуть в суть работ Менделя, то окажется, что ничего невероятного, в смысле, гениального, в них нет. Довольно простые эксперименты по скрещиванию, наглядные результаты, которые просто невозможно было истолковать как-то иначе… Но гениальность менделевских экспериментов заключалась именно в их простоте (чем проще, тем нагляднее и убедительнее), а также в методе Менделя.

Мендель исследовал только простые, наглядные, хорошо определяемые признаки, такие как цвет семян или их форма. Это раз.

Мендель выбирал только альтернативные признаки, которые имели всего два четко различающихся варианта и не имели промежуточных вариантов (семена гороха могли быть либо гладкими, либо морщинистыми, но не гладко-морщинистыми или же морщинистыми в различной степени). Это два.

Мендель проводил моногибридные (одногибридные) скрещивания, то есть скрещивал растения, отличающиеся друг от друга только по одному признаку. Это три.

Мендель наблюдал передачу признака на протяжении НЕСКОЛЬКИХ поколений. Это четыре.

Мендель фиксировал точное количество особей с определенным признаком и тщательно анализировал полученные данные. Это пять.

Просто, как закон всемирного тяготения, не правда ли?

Просто. И Платон, и Сократ, и Пифагор, и Аристотель, и Демокрит регулярно мылись в ваннах и бассейнах, но закон выталкивающей силы открыл только Архимед.

Закон единообразия гибридов первого поколения, или первый закон Менделя, гласит, что при скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, все первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей.

Давайте вспомним, что гомозиготным называется организм, имеющий идентичные гены (одинаковые аллели) в гомологичных хромосомах, и что аллелями называются различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках гомологичных хромосом. Организм, имеющий в гомологичных хромосомах различные аллели, называется гетерозиготным.

Гомозиготность группы особей по определенному признаку называется «чистой линией», то есть линией, не содержащей примесей, других аллелей.

Аллели принято обозначать одной или несколькими латинскими буквами. Мы, как и Мендель, будем рассматривать гены, имеющие только два аллеля, поэтому для их обозначения будет достаточно одной буквы.

Мендель заметил, что при скрещивании чистых линий гороха с пурпурными цветками и гороха с белыми цветками первое поколение потомства имело только пурпурные цветки.

При скрещивании таких же чистых линий гороха с желтыми и зелеными семенами (горошинами) у всех потомков в первом поколении семена были желтыми.

При скрещивании чистых линий гороха с гладкими и морщинистыми семенами у всех потомков в первом поколении были гладкие семена.

Гибриды первого поколения всегда единообразны по данному признаку и приобретают признак одного из родителей.

Более сильный признак, наследуемый первым поколением, Мендель назвал доминантным, а слабый, подавляемый, – рецессивным. Мы станем обозначать доминантные признаки заглавной буквой, а рецессивные – строчной.

Семь признаков гороха посевного, исследованные Г. Менделем

Итак, гибриды первого поколения всегда приобретают доминантный признак.

Некоторые доминантные и рецессивные признаки человека

На первом потомстве Мендель не остановился. Он продолжал свои скрещивания по каждому признаку дальше и во втором поколении получил растения с признаками обоих родителей – и с пурпурными, и с белыми цветками. Три четверти от общего числа растений имели цветки с доминирующим признаком – пурпурной окраской, а одна четвертая часть растений имела цветки с рецессивным признаком – белой окраской.

Схема опыления и результатов скрещивания гороха с пурпурными цветками и белыми цветками (поколения принято обозначать латинской буквой F и соответствующим номером)

История повторилась и с другими изучаемыми признаками. Во всех вторых поколениях обнаруживался рецессивный признак. И всюду на одну четверть. Исходя из этого, Мендель сделал вывод о том, что рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезал совсем, а всего лишь был подавлен доминантным признаком.

Но каким образом рецессивный признак проявился во втором поколении, если его не было в первом?

Если мы обозначим ген (аллель), отвечающий за доминантный признак, заглавной буквой «А», а ген (аллель), отвечающий за рецессивный признак, строчной буквой «а», то схема первого скрещивания будет выглядеть следующим образом:

АА × аа = Аа + Аа

Гаметы, несущие ген А, соединяются с гаметами, несущими ген «а», и в результате образуются потомки с набором Аа, состоящим из сочетания доминантного и рецессивного гена. Доминантный ген подавляет рецессивный. Потомков с набором аа в первом поколении нет, таким образом, рецессивный ген в первом поколении проявиться не может.

Но во втором поколении при скрещивании особей с генотипами Аа мы получим три вероятных сочетания: АА, Аа и аа. Схематически это можно выразить следующим образом:

Аа × Аа = АА + Аа + аа

Если мы уравняем эту схему-уравнение таким образом, чтобы слева и справа было бы одинаковое количество букв «А» и «а», то получим следующее:

2Аа × 2Аа = АА + 2Аа + аа

Таким образом, в трех четвертях потомства второго поколения проявится доминантный ген (одна часть особей с набором АА и две части с набором Аа), а в одной четверти – рецессивный (одна часть особей с набором аа).

Закономерность, характеризующуюся проявлением признаков обоих родителей во втором поколении гибридов, Мендель назвал расщеплением. Единый доминантный признак расщепляется на доминантный и рецессивный.

Важно понимать, что слово «расщепление» употреблено здесь в переносном смысле. Признак как таковой расщепляться не способен, точно так же как не способен расщепляться кодирующий его ген. На самом деле речь идет о проявлении рецессивного признака во втором поколении. Это скорее разнообразие, нежели расщепление. Но словосочетание «расщепление признаков» прочно вошло в научный обиход, так что мы станем его использовать, ясно представляя, о чем идет речь.

Закон расщепления, или второй закон Менделя, в современной трактовке гласит, что при скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.

По фенотипу в трех четвертях потомства второго поколения проявится доминантный ген, а в одной четверти – рецессивный, поэтому соотношение будет 3:1.

По генотипу мы имеем три разных набора генов: АА, 2Аа и аа. Поэтому соотношение будет 1:2:1.

Проведя серию моногибридных скрещиваний, Мендель решил выяснить, каким образом проявляются при скрещивании парные альтернативные признаки гена. Для этого он провел серию опытов по дигибридному скрещиванию организмов, различающихся по двум парам альтернативных признаков, например, по окраске цветков и форме семян[48].

Для этого эксперимента Мендель взял растения гороха с гладкими желтыми семенами и с зелеными морщинистыми. У первой разновидности гороха оба признака по генотипу являлись доминантными (AB), а у второй – рецессивными (ab).

Определение расщепления признаков по генотипу во втором поколении дигибридного скрещивания (a – морщинистые семена, B – желтые семена, b – зеленые семена). Расщепления по фенотипу в соотношении 9:3:3:1 (гладкие желтые: морщинистые желтые: гладкие зеленые: морщинистые зеленые)

Согласно правилу доминирования, в первом поколении все семена оказались гладкими и желтыми. Во втором поколении произошло расщепление признаков, причем наряду с родительскими гладкими желтыми и морщинистыми зелеными появились и совершенно новые семена – морщинистые желтые и гладкие зеленые.

Таким образом, Мендель установил, что гетерозиготы по двум парам аллельных генов образуют четыре типа гамет в равных количествах: AB, Ab, aB, ab. В двух случаях из четырех гены находятся в том же сочетании, что и у исходных родителей (AB и ab), а в двух других – в новых сочетаниях (Ab и aB, морщинистые желтые и гладкие зеленые). Иначе говоря, расщепление одной пары признаков (желтая и зеленая окраска семян) совершенно не связано с расщеплением другой пары (гладкая и морщинистая форма семян). Расщепление в обеих парах признаков происходит независимо друг от друга, и при этом возможно перераспределение (рекомбинация) признаков с созданием сочетаний, не встречающихся у родительской пары.

Согласно третьему закону Менделя, при скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.

В потомстве все признаки распределяются независимо друг от друга.

Аллели разных генов наследуются независимо.

Независимое распределение генов обуславливается поведением хромосом при мейозе. Давайте вспомним, что при мейозе пары гомологичных хромосом (а следовательно, и парные гены, расходятся в разные гаметы независимо друг от друга).

Мейоз

Давайте подведем итог сказанному и сделаем одно важное уточнение, касающееся взглядов на законы Менделя у нас и за рубежом.

Первый закон – это закон единообразия гибридов первого поколения. Он гласит: при скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, все первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей.

У нас этот закон традиционно считают первым законом Менделя, а за рубежом он стоит особняком, поскольку формально Мендель его не сформулировал. Этот вывод основан на результатах экспериментов Менделя, но сделал его в 1902 году британский биолог Уильям Бэтсон (кстати, он же придумал науке генетике название). Почему сам Мендель не сделал очевидного вывода из своих экспериментов? Да потому что он не использовал понятия гомозиготности, которое было введено Бэтсоном.

Вот три закона Менделя, первый из которых открыт не Грегором Менделем, но носит его имя, поскольку три закона Менделя существуют только в нашей отечественной научной литературе. За рубежом наш второй закон называется первым законом Менделя, а наш третий – вторым. Имейте в виду, если станете читать зарубежную литературу по генетике.

Второй закон Менделя в отечественной трактовке или первый закон Менделя в зарубежной – это закон расщепления признаков, согласно которому при скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1.

Третий закон Менделя, который за рубежом считается вторым, – это закон независимого наследования (или независимого распределения) признаков в потомстве. Согласно этому закону, при скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.

Менделю в каком-то смысле повезло. Отслеживаемые им признаки находились в разных хромосомах и потому наследовались независимо друг от друга. Если бы они оказались в одной хромосоме, расклад был бы иным. Мендель о хромосомах понятия не имел, но мы-то с вами знаем, что во время мейоза дочерние клетки делят материнские хромосомы, а не гены по отдельности. Так что давайте уточним: закон о независимом наследовании признаков при полигибридном скрещивании действует лишь в том случае, КОГДА РАЗНЫЕ ГЕНЫ РАСПОЛАГАЮТСЯ В РАЗНЫХ ПАРАХ ГОМОЛОГИЧНЫХ ХРОМОСОМ. Если изучаемые гены находятся в одной паре гомологичных хромосом, то расщепление в потомстве гибридов будет иным.

Так, например, если при дигибридном скрещивании оба гена входят в одну группу сцепления, то есть находятся в одной хромосоме и наследуются совместно, то вместо ожидаемого расщепления по фенотипу в соотношении 9:3:3:1, характерного для раздельного наследования, будет получено соотношение 3:1, как при моногибридном скрещивании.

В примере с семенами гороха, который мы только что рассматривали, сцепление генов, определяющих цвет и гладкость семян, дало бы во втором поколении только гладкие желтые и морщинистые зеленые семена в соотношении 3:1. Семена были бы такими же, что и у родителей, без образования новых вариантов сочетаний.

Сцепленные гены, сколько бы их ни было в «связке», условно можно рассматривать как один ген и можно применять к ним все законы моногибридного скрещивания.

Закономерности сцепленного наследования были установлены уже известным нам Томасом Морганом. Морган исследовал дрозофилу, у которой гены, отвечающие за окраску тела и длину крыльев, находились в одной паре гомологичных хромосом и наследовались сцепленно.

Для определения фенотипов и генотипов потомства при дигибридном скрещивании английский генетик Реджинальд Пеннет предложил «решетку Пеннета» – удобный, наглядный графический метод. Решетка Пеннета представляет собой таблицу, по вертикальной оси которой размещены гаметы мужского родительского организма, а по горизонтальной – женского. В местах пересечения вертикалей и горизонталей записываются генотипы дочерних организмов. Таблица, изображенная на рисунке, изображающем расщепление при дигибридном скрещивании семян гороха, – это и есть решетка Пеннета, очень удобная система, позволяющая избежать путаницы и ошибок. Если вы захотите исследовать наследование какого-то признака, то непременно ее используйте.

Имейте в виду, что все три закона Менделя универсальны для всех живых организмов, размножающихся половым путем, независимо от их видовой, родовой, классовой и прочей принадлежности. Какой-то альтернативной генетики для избранных не существует. Генетика одна, и законы ее едины для всех.

На этот раз вас ждет очень легкий вопрос. Вы уже знаете, что генетическое разнообразие является весьма выгодным эволюционным признаком. Но при этом гены наследуются не поодиночке, а блоками. Понятно, что блоки-хромосомы удобнее делить при делении клеток, да и ошибки будут возникать реже, чем при дележе генов «россыпью». Но и выгодного разнообразия тоже хотелось бы… Как природа, то есть эволюция, решила эту проблему? Ответ вы сможете найти, как обычно, в конце этой главы.

Мендель также сформулировал гипотезу чистоты гамет, которая впоследствии была доказана и получила статус закона. Согласно этому закону, в каждую гамету попадает только один аллель из пары аллелей данного гена родительской особи. Гаметы всегда остаются «чистыми», они всегда несут только один ген, доминантный или рецессивный. Только один! Каким бы образом ни комбинировались бы аллели в потомстве, при образовании гамет они расходятся. Нормальная гамета всегда чиста от второго гена аллельной пары.

Закон чистоты гамет имеет очень важное значение. Можно без преувеличения сказать, что на нем основано все учение о наследственности. Гаметы всегда чисты!

А теперь, опираясь на полученные знания, мы с вами рассмотрим наследование гена гемофилии, рецессивного аллеля, передающегося только с X-хромосомой и проявляющегося в подавляющем большинстве случаев у мужчин (у женщин происходит подавление рецессивного аллеля доминантным аллелем другой Х-хромосомы).

На схеме показан путь передачи гемофилии, аллель гена которой обозначен буквой H.

Передача гемофилии потомству

У здорового отца и матери – переносчика гемофилии – могут рождаться совершенно здоровые дети обоих полов, больные гемофилией сыновья и дочери-переносчики.

Вот вам задание. Миша и Маша – супружеская пара. Цвет глаз у обоих голубой, но у Машиной матери и у Мишиного деда по отцу глаза карие. Какой цвет глаз и в каком соотношении могут иметь дети Миши и Маши, если известно, что ген карих глаз является доминантным, а ген голубых – рецессивным? (Можете использовать таблицу «Некоторые доминантные и рецессивные признаки человека»).

Если вы всерьез собрались расписывать возможные комбинации, то вам, наверное, стоит еще раз перечитать эту главу с самого начала. Или же, как вариант, нужно лучше вникать в смысл заданий. У родителей с рецессивным признаком, вне зависимости от генотипов предков с обеих сторон, будут рождаться дети, имеющие рецессивный признак. Если генотип карих глаз может быть разным – GG или Gg, то генотип голубых глаз – только gg. Что тут рассуждать-высчитывать, если «gg» скрещивается с «gg»? Ничего, кроме «gg», в результате не получится.

А вот вам другое задание, на сей раз не шуточное. Миша и Маша – супружеская пара. Цвет глаз у обоих карий, но у Машиной матери и у Мишиного деда по отцу глаза голубые. Какой цвет глаз и в каком соотношении могут иметь дети Миши и Маши? Напишите все возможные комбинации для любых вариантов сочетания доминантных и рецессивных генов (учитывайте, что карий цвет глаз может быть обусловлен как сочетанием АА, так и Аа). Тот, кто выполнит это задание, может считать себя продвинутым генетиком.

А теперь давайте ознакомимся с наследованием групп крови у человека. Это весьма интересный процесс, основанный на множественный аллелизме и таком явлении, как кодоминирование.

При кодоминировании аллельные гены, оказавшиеся в одном генотипе, проявляются одновременно, без подавления рецессивного гена доминантным, поскольку оба они обладают одинаковой экспрессией, проще говоря – одинаковой силой. В результате синхронного действия обоих родительских генов создаются не усредненные варианты фенотипических признаков, а некий совершенно новый вариант. Так, например, при кодоминировании генов красной и белой окраски цветков растения наблюдается не розовая окраска цветков, а пятнистая – красно-белая. Как говорится, ни нашим и ни вашим, а наособицу.

Однако существует в генетике и «усреднение», приводящее к созданию промежуточных фенотипов. У родителей с красными и белыми цветками может получиться потомство с розовыми цветками при неполном доминировании более сильного гена. Неполное доминирование следует отличать от полностью «равноправного» кодоминирования. При неполном доминировании «равноправия» нет, просто доминирующий ген ослаблен, не действует «в полную мощь».

«Но ведь новый признак – это новый ген, – можете подумать вы. – Как могут получаться пятнистые или розовые цветки без появления нового гена?»

Давайте вспомним, что ген кодирует синтез определенного белка, участвующего в создании определенного признака. Об изменении гена можно говорить только в том случае, когда речь идет о синтезе нового белка, чем-то отличающегося от синтезируемого ранее.

Что мы имеем при кодоминировании? Поскольку не происходит подавления одного гена другим, с обоих генов считывается информация и синтезируются оба белка – и тот, который обеспечивает красную окраску цветков, и тот, который обеспечивает белую. Причем синтезируются они в равных количествах. В одни участки лепестка попадает «красный» белок, а в другие – «белый», вот вам и новый признак (пятнистая окраска) при неизмененных генах.

При неполном доминировании гена информация с него считывается не так активно, как при полном доминировании. В результате образуется половинное количество белка, придающего цветкам красную окраску. В результате лепестки имеют не красный, а розовый цвет (разбавьте красную краску наполовину водой или иным растворителем, и вы получите розовую краску). Но структура генов остается прежней.

Внимательные читатели могли заметить выше странную фразу «будем рассматривать гены, имеющие только два аллеля» и удивиться: а разве может быть иначе? Может, но речь идет не о присутствии аллелей в генотипе отдельной особи, а о присутствии их в генофонде популяции.

Существование в популяции более двух аллелей данного гена называется множественным аллелизмом. Но в генотипе каждой особи присутствуют только два аллеля, поскольку хромосомы разбиты по парам, а не по тройкам или четверкам!

Множественность аллелей увеличивает количество их комбинаций. Если при двух аллелях может быть всего три комбинации (генотипа): AA, Aa и aa, то при трех аллелях (A, a и a*) комбинаций будет уже шесть – AA, Aa, Aa*, aa, aa*, a*a*.

У гена, определяющего группу крови, существует три аллеля (I^A, I^B, I⁰), причем аллели I^A и I^B являются доминантными, а I⁰ – рецессивным (вообще-то аллелей этих на сегодняшний день известно более десятка, но мы будем рассматривать основные, а то запутаемся).

Гены I^A и I^B кодируют синтез белков-антигенов А или В, а ген I⁰ никакого белка не кодирует. Белки-антигены[49] находятся на поверхности эритроцитов. Эти белки способны связываться с антителами анти-А и анти-В, находящимися в плазме крови человека. Каждый антиген связывается со своим одноименным антигеном, и в таком случае происходит распад эритроцитов. Стало быть, у одного человека не могут одновременно присутствовать антиген А и антитело анти-А, или же антиген В и антитело анти-В. По этой же причине переливать можно только кровь, совпадающую по группе.

У человека с генотипом I^AI^B в крови будут присутствовать два антигена – А и В. Такую кровь называют кровью четвертой группы.

Люди с генотипом I⁰I⁰ не будут иметь в крови антигенов. Такую кровь называют кровью первой группы.

Вторую и третью группы крови определяют две комбинации генов – I^AI⁰ и I^AI^A для второй, а для третьей – I^BI⁰ и I^BI^B.

Соответственно:

– если оба родителя имеют первую группу крови, то у всех детей будет она же;

– если один из родителей имеет первую группу крови, а другой – вторую, то наследование группы крови детьми будет зависеть от генотипа второго родителя. Если он гомозиготный, то есть имеет комбинацию I^AI^A, то все дети будут иметь вторую группу – генотип I^AI⁰. Если же второй родитель гетерозиготен (I^AI⁰), то половина детей будет иметь первую группу крови (I⁰I⁰), а другая половина – вторую (I^AI⁰);

– если один из родителей имеет первую группу крови, а другой – третью, «расклад» у детей будет аналогичным: либо все дети будут с третьей группой (I^ВI⁰), либо половина с третьей (I^ВI⁰), а половина с первой;

– если один из родителей имеет вторую, а другой – третью группы, и при этом оба родителя гетерозиготны, то дети с равной вероятностью могут иметь любую группу крови.

Комбинации, возникающие при наследовании групп крови, и их частоту удобнее и нагляднее изображать в виде таблицы. Генетики вообще очень любят таблицы.

Таблица групп крови

Кстати говоря, мы с вами только что развенчали очень стойкий миф о том, что ребенок, имеющий группу крови, отличную от групп крови родителей, обязательно является неродным. У родителей с первой и четвертой группами крови неродной ребенок будет как раз иметь схожую группу, а не вторую или третью, как положено родному. Примерно половина добровольных[50] обращений для установления отцовства по ДНК начинается со слов «непонятно, почему у ребенка такая группа крови».

А теперь давайте повторим то, о чем мы уже говорили, на более высоком уровне. При близкородственных браках значительно возрастает (по сравнению с неродственными) вероятность появления в потомстве различных отклонений от нормы, потому что родственники, имеющие общее происхождение, могут быть носителями одного и того же рецессивного патологического гена. Следовательно, при близкородственных браках значительно возрастает риск рождения гомозигот по этому гену. Давайте распишем и сравним две комбинации: неродственную (АА × Аа) и родственную (Аа × Аа).

В первом случае расклад будет таким:

АА × Аа = АА + Аа

Пятьдесят процентов здоровых без носительства и пятьдесят процентов здоровых носителей рецессивного патологического гена «а». Короче говоря, ни одного больного ребенка от этой пары родиться не может.

Во втором же случае расклад будет таким:

2Аа × 2Аа = АА + 2Аа + аа

То есть один из четырех детей родится больным.

Существует такой метод генетического анализа, как анализирующее скрещивание. Для того чтобы проверить, является ли данный организм гетеро– или гомозиготным по доминирующему аллелю, его скрещивают с анализатором, гомозиготой, по рецессивным аллелям.

Проще говоря, если вы хотите узнать, с каким набором генов вы имеете дело в данном организме (АА или Аа), то вам надо скрестить этот организм с гомозиготой «аа» и оценить результат. Если рецессивный признак, кодируемый геном «а», не проявится в первом поколении потомства, значит, вы имеете дело с гомозиготой по доминирующим аллелям – генотипом АА. Если же у половины потомства будет наблюдаться проявление рецессивного признака, значит, вы имеете дело с гетерозиготой – генотипом Аа.

Вот «уравнения» для обоих случаев:

АА × аа = 2Аа

Аа × аа = Аа + аа

С аллельными генами мы более-менее разобрались, хоть и в самых общих чертах. Но генетикам известны случаи, когда подавление одного гена другим наблюдается между генами из разных аллелей. Да, представьте себе, из разных. Такое явление называется эпистазом[51], а ген-угнетатель, подавляющий фенотипические проявления другого неаллельного гена, – эпистатичным. Подавленный ген называется гипостатичным геном.

Как может происходить подавление в разных аллелях?

По-разному, прямым или косвенным путем. Белок или РНК, кодируемые эпистатичным геном, могут препятствовать считыванию информации с гипостатичного гена. В результате не будет синтезирована матричная РНК или же будет синтезирована в малых количествах. Это прямой путь.

При косвенном пути белок, кодируемый эпистатичным геном, не позволяет другому (подавляемому) белку проявиться в виде признака. Так, например, у лошадей вороная масть определяется доминантным геном Р, а рыжая – рецессивным геном р. Но у них есть еще и ген раннего поседения С, который вызывает серую масть. При наличии в генотипе лошади доминантного аллеля С окраска всегда будет серой, вне зависимости от сочетания аллелей Р и р. Ген С не блокирует считывание информации с генов Р или р, но он вызывает раннее разрушение пигментов, кодируемых этими генами, то есть сводит на нет их проявление в фенотипе.

Интересная деталь: эпистатическое воздействие могут оказывать как доминантные, так и рецессивные эпистатичные гены. Проще говоря, эпистатичный ген не обязательно должен быть доминантным в своей аллели. Бывает и так, что доминантный ген не оказывает эпистатичного действия, а рецессивный оказывает.

Примером доминантного эпистаза является наследование белой окраски у плодов тыквы. Ген В отвечает за желтую окраску плодов, ген b – за зеленую окраску, а доминирующий эпистатичный ген I подавляет гены В и b, вызывая белую окраску. Рецессивный ген i не оказывает влияния на окраску плодов. А вот у мышей белая окраска шерсти определяется по механизму рецессивного эпистаза – рецессивный эпистатичный ген i подавляет гены А и а, отвечающие соответственно за серую и черную окраску шерсти. Доминантный ген I на окраску шерсти не влияет.

Явление эпистаза было открыто на основании множества «ошибок» в селекции лошадей. Селекционеры скрещивали лошадей так, как было нужно по науке, с учетом доминирования генов, для того чтобы получить в потомстве желаемую масть и ряд других признаков, но результат получался непредсказуемым. Одну-две ошибки можно списать на конюха: недоглядел, лентяй этакий, или спутал, короче говоря, подпустил к кобыле не того жеребца. Но если ошибок много[52], да вдобавок они укладываются в некую статистическую закономерность, то надо искать причину. Ученые поискали и нашли.

Неаллельные гены могут не только враждовать, подавляя друг друга, но и сотрудничать, обеспечивая проявление одного признака в результате совместных усилий. Такое позитивное явление (а сотрудничество во имя благих целей может быть только позитивным) называют полимерией. Одним из самых распространенных примеров полимерии является наследование цвета кожи у людей. Ведущую роль в этом процессе играют четыре гена, эффект действия которых суммируется. Слово «ведущую» было употреблено не случайно, поскольку с точным количеством генов, определяющих цвет кожи, ученые пока еще не определились. Содружественные гены принято обозначать одной и той же буквой (одним и тем же кодом), несмотря на их принадлежность к разным аллелям, ведь определяют они один и тот же признак. Для отличия к буквенному коду добавляются цифры.

О том, что цвет кожи определяется целым набором генов, а не одной парой аллелей, ученые догадывались и до открытия явления полимерии. Уж больно много оттенков имеет человеческая кожа (никакого сравнения с цветом семян гороха, который использовал в своих экспериментах Грегор Мендель).

Если ограничиться только четырьмя ведущими генами, то мы получим девять комбинаций, определяющих цвет кожи человека:

1. А1А1А2А2

2. А1а1А2А2

3. А1А1А2а2

4. А1а1А2а2

5. А1А1а2а2

6. а1а1А2А2

7. А1а1а2а2

8. а1а1А2а2

9. а1а1а2а2

Генотип А1А1А2А2 определяет наиболее темный цвет кожи, а генотип а1а1а2а2 – самый светлый.

Вот вам задание, последнее в этой главе. Дайте аргументированный ответ на вопрос, может ли у пары мулатов с одинаковыми генотипами А1а1А2а2 родиться совершенно белокожий ребенок. При условии, что сцепленного наследования в этом случае нет. Ответа в конце главы не ищите, его не будет. Проверьте правильность своего решения самостоятельно, вы уже можете это сделать.

В генетике существует термин «возвратное скрещивание», который непосвященному человеку может показаться абсурдным.

В самом деле, как может скрещивание быть возвратным?

Оно к чему-то возвращается? Но как такое может быть? Ведь любое скрещивание – это движение вперед, к грядущему потомству…

Оно что-то возвращает? Но это тем более странно…

Возвратным скрещиванием, или беккроссом генетики называют скрещивание гетерозиготных гибридов первого поколения (Аа), полученных от гомозиготных родителей (АА или аа), с родительскими особями или же с гомозиготными особями, сходными по генотипу с родительскими.

В чем смысл подобного скрещивания?

В том, чтобы дополнить (генетики употребляют слово «насытить») генотип гибрида генами одного из родителей. Скрещивание возвратное, поскольку генотипы стараются вернуть к исходным вариантам. Условно говоря, сначала получаем от АА и аа генотип Аа, а затем возвращаем его к АА или аа.

Для насыщения генотипа нужно проводить многократные возвратные скрещивания с одной и той же гомозиготой. В принципе, можно было бы назвать возвратное скрещивание «очищающим скрещиванием», поскольку в результате серии таких скрещиваний «грязные» гетерозиготные генотипы (Аа) очищаются от «примесей» – от другого аллельного гена.

Разновидностью возвратного скрещивания можно считать анализирующее скрещивание, о котором было сказано выше.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. При помощи кроссинговера, обмена тождественными участками между гомологичными хромосомами.

В организме взрослого человека насчитывается более двухсот различных типов клеток. И все они такие разные…

Но при этом во всех клетках любого организма, хоть одноклеточного, хоть многоклеточного, содержится один и тот же набор хромосом с одинаковым набором генов. Одна-единственная генетическая программа, созданная при оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом, определяет столь масштабное разнообразие. Одна последовательность букв или одна последовательность нот дает одно литературное или музыкальное произведение, а одни и те же гены кодируют образование разных белков для совершенно разных клеток.

Было время, когда ученые считали, что разные клетки имеют разные геномы. Мол, в процессе развития организма «ненужные» гены из исходного набора, полученного при слиянии сперматозоида и яйцеклетки, утрачиваются клетками, а остаются только непосредственно нужные для жизнедеятельности. Вообще-то, на первый взгляд, такое предположение кажется логичным, поскольку от ненужного в организме положено избавляться. Например, ненужные белки расщепляются на аминокислоты, из которых затем синтезируются нужные белки. А зачем, к примеру, клеткам слизистой оболочки желудка нужны гены, обеспечивающие развитие мышечных волокон?

Но вы уже, наверное, привыкли к тому, что все, кажущееся правильным и логичным на первый взгляд, на второй уже таковым не кажется. Клеткам для нормальной жизнедеятельности необходим полный набор хромосом, присущий данному биологическому виду. Полный набор хромосом со всеми положенными генами. Точка[53]!

На начальных стадиях развития многоклеточного организма перед его клетками открывается множество путей, и дальнейшая судьба каждой клетки зависит от того, какой путь она выбирает. Выбор клеточного пути, то есть генетической программы развития, называется детерминацией.

Код у нас один-единственный. В этом коде содержится информация обо всех-всех-всех клетках нашего организма. Код всеобъемлющ и универсален, а каждая клетка считывает ту часть кода, которая нужна ей. Выражаясь научным языком (а мы с вами уже продвинулись настолько, что научный язык нам понятен), можно регулировать экспрессию генов и фенотип, не изменяя при этом последовательности ДНК, то есть можно управлять считыванием, не меняя кода.

Раздел генетики, изучающий механизмы изменения экспрессии генов или фенотипа клетки без влияния на последовательность ДНК, называется эпигенетикой. У этой науки очень точное название, переводящееся как «над генетикой» (греческое «эпи-» означает расположение над чем-то, поверх чего-то). Термин «эпигенетика» ввел в 1942 году британский биолог Конрад Уоддингтон.

Над генетикой! Как метко выразился британский биолог Питер Медавар: «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает». Природа может создавать какие угодно коды, но на деле все зависит от того, как именно эти коды будут реализованы.

Самое время заподозрить, что клетки обладают каким-то особым клеточным разумом, позволяющим им выбирать на хромосомах участки для считывания информации. Однако никакого клеточного разума не существует, все определяется химией. Впрочем, и наше разумное мышление тоже представляет совокупность химических процессов, но сейчас речь не об этом, а о механизмах эпигенетики.

Вспомните деактивацию ненужной второй Х-хромосомы у женщин, которая «упаковывается» в тельце Барра. Это один из механизмов эпигенетики, который называется ремоделированием[54] хроматина. Чем компактнее упакована молекула ДНК в хроматине, тем меньше информации с нее считывается. Если свернуть молекулу в тугой клубок, каким является тельце Барра, то с молекулы ДНК нельзя будет считать вообще никакой информации.

Другой метод исключения ненужной информации – это метилирование ДНК, суть которого заключается в присоединении метильной группы [-CH₃] к азотистому основанию – цитозину, входящему в состав молекул ДНК. Метильная группа замещает один из атомов водорода в молекуле цитозина, и в результате образуется метилцитозин (точнее – 5-метилцитозин, но нам сейчас химические нюансы ни к чему, нам важно понимать суть процесса). Присоединение метильной группы к цитозину осуществляет фермент ДНК-метилтрансфераза.

Выше мы с вами говорили о промоторах – «стартовых площадках» на молекуле ДНК, откуда начинается считывание генетических кодов. Так вот, метилирование цитозина на промоторном участке препятствует считыванию информации с данного гена. Метильная группа «портит» стартовую площадку и делает ген неактивным до тех пор, пока под действием ферментов-деметилаз не произойдет обратный процесс – деметелирование цитозина (удаление метиловой группы). Проще говоря, когда ген перестает быть нужным, на него вешают метиловый «замок», а как только ген понадобится, «замок» снимают. Все просто и эффективно.

Примерно один процент наших генов постоянно блокирован посредством метилирования цитозина на промоторах. Общее суммарное количество метилированного цитозина в нашей ДНК составляет примерно 5 %.

Все эпигенетические методы в той или иной степени участвуют в процессе старения, ведь регуляция экспрессии генов является важной составной частью этого процесса. Теоретически (пока что теоретически, но от теории до практики, как известно, всего один шаг) можно замедлять старение организма, «включая» деактивированные гены. Точно так же управление метилированием ДНК может предотвращать развитие многих заболеваний или излечивать их. Так, например, деактивация генов KLF14, FHL2 и GNPNAT1 значительно снижает риск развития сахарного диабета второго типа[55]. Метилирование ДНК представляет собой относительно простой процесс, и управлять им несложно, так что перспективы перед лечебным метилированием, как и перед всей медицинской генетикой, открываются широчайшие. В идеале, до которого наука когда-нибудь дойдет, профилактика всех заболеваний будет осуществляться еще во внутриутробном периоде путем подавления или же активации определенных генов.

Третий метод эпигенетического управления – это модификация гистонов. Гистонами называются ядерные белки, участвующие в упаковке молекул ДНК и в эпигенетической регуляции таких процессов, как транскрипция, репликация и репарация.

О транскрипции и репликации мы с вами уже говорили, а вот о репарации нет. Пора исправить это упущение. Репарацией[56] называется процесс ликвидации повреждений в молекулах ДНК, возникающих на протяжении жизни клетки. Если парочка атомов случайно отщепилась, или, скажем, произошел разрыв молекулы, то гистоны сразу же начинают ремонтные работы.

Терминальная, то есть концевая часть гистона представляет собой условный паспорт белка, его индивидуальный код, записанный сочетанием определенных аминокислот. Изменяя этот код, можно влиять на все процессы, происходящие с участием гистонов, начиная от упаковки молекул ДНК в хроматин и заканчивая… А вот где заканчиваются полномочия гистонов, пока еще не ясно. Их детальным изучением ученые занялись примерно два десятка лет назад, а с научной точки зрения это весьма маленький срок, особенно в такой «кропотливой» науке, как генетика. Не исключено, что в итоге гистоны окажутся в ответе за все-все-все, что происходит с ДНК и РНК. Во всяком случае, способность некоторых гистонов повышать вероятность метилирования ДНК уже доказана.

Как можно изменить код гистона?

Например, посредством уже известного вам метилирования одной из аминокислот, образующих код. Или же посредством ацетилирования, при котором один атом водорода в молекуле органического соединения замещается ацетильной группой [-CH3CO]. Или же посредством фосфорилирования, при котором в молекулу включается остаток ортофосфорной (фосфорной) кислоты [-РО4]. Не столь важно, какой именно остаток присоединяется к концевой части гистона. Важно то, к какой именно аминокислоте[57] он присоединяется. Проще говоря, модель замка, который вешается на аминокислоту, не имеет значения, главное, чтобы замок был повешен в нужном месте.

Ассортимент РНК состоит из молекул разных размеров – от гигантов-матриц до крошечных «лилипутов», образованных двумя десятками нуклеотидов. Однако это тот самый случай, когда можно сказать: «мал, да удал». МикроРНК участвуют в эпигенетической регуляции экспрессии генов, влияя на стабильность матричных РНК и, соответственно, на процесс трансляции белков на этих матрицах. У каждой молекулы матричной РНК в конце кода (то есть не на «головном», а на «хвостовом» участке) находится своеобразная «болевая точка» – некодирующий участок. Удар по этой точке, то есть прикрепление микроРНК к некодирующему участку, блокирует матрицу или же вызывает ее разрушение. Ген пребывает в целости и сохранности, а белок, который этот ген кодирует, в клетке не образуется, потому что для него нет матриц! Этот механизм называется РНК-интерференцией[58].

Знаете ли вы, что такое прион?

Если вы не сумели ответить на этот вопрос, то не спешите огорчаться. О существовании прионов, кроме биологов, мало кто знает. А вот о «коровьем бешенстве», пожалуй, слышали все.

Возбудителем «коровьего бешенства», которое по-научному называется губчатой энцефалопатией крупного рогатого скота, а также возбудителем болезни Крейтцфельдта – Якоба, возникающей после употребления зараженной говядины у людей, является прион – инфекционный агент белковой природы.

Прионы представляют собой белки с аномальной структурой. Соединяясь с гомологичным, то есть схожим, нормальным клеточным белком, прион изменяет его структуру, превращая нормальный белок в аномальный, в свое подобие. Размножение прионов отчасти напоминает размножение вирусов, поскольку и те, и другие могут размножаться только внутри клетки-хозяина, используя ее ресурсы. Только вирус содержит генетический материал – нуклеиновую кислоту, а прион не содержит. Прион прост настолько, что проще уже некуда. Это белковая молекула, всего лишь молекула и ничего больше.

«Лакомством» для прионов служат нервные клетки, особенно клетки головного мозга. По каким-то неведомым пока еще причинам прионы предпочитают эти клетки всем прочим. Поэтому у человека и ряда других млекопитающих прионы вызывают энцефалопатию – поражение головного мозга.

С генетической точки зрения, прионы представляют интерес как единственные агенты (живыми организмами их назвать язык не поворачивается), размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот. Информация напрямую передается от белка к белку. Некоторые прионы существуют в нашем организме в норме. Их начали изучать недавно, и потому о нормальных функциях прионов известно очень мало. А если честно, то практически ничего не известно, существуют только гипотезы. Например, ученые предполагают, что «нормальные» прионы могут принимать участие в обеспечении долговременной памяти. Также существует гипотеза о том, что прионы могут являться еще одним эпигенетическим «инструментом». А что? Вполне возможно. Прионы могут связываться с уже синтезированными белками и «уничтожать» их, превращая в свое подобие.

Вместо традиционного вопроса на этот раз вас ждет немного статистики. ДНК разных людей различается в среднем одним нуклеотидом из тысячи, то есть разница составляет всего-навсего 0,1 %. А разница между ДНК человека и шимпанзе составляет 1 %: только один нуклеотид из ста будет другим. Но посмотрите на человека и посмотрите на шимпанзе… Посмотрите внимательно, и вы поймете, как велики возможности эпигенетики.

Дело не в генетических законах, то есть не в наследственном коде, а в структурах, которые следят за их исполнением, – считывают код.

Помимо рассмотренных нами эпигенетических механизмов специфической экспрессии генов («включения» их по необходимости), существует еще и так называемый материнский эффект, суть которого заключается в воздействии материнского генотипа на ребенка.

Определенные гены матери, переданные потомку с яйцеклеткой, в начальной стадии развития зародыша, когда его собственный геном еще не активен, запускают синтез белков цитоплазмы, которые являются пусковыми факторами различных вариантов детерминации. Такие белки называются морфогенами, а кодирующие их гены – генами материнского эффекта. Некоторые из генов материнского эффекта экспрессируются не в самой яйцеклетке, а в окружающих ее клетках. В яйцеклетку поступают только их продукты – матричные РНК для синтеза необходимых морфогенов или сами белки.

Не надо путать материнский эффект с цитоплазматической наследственностью, которую обеспечивают митохондрии и пластиды! При материнском эффекте детерминирующее влияние на ядро оказывают белки, содержащиеся в цитоплазме, но гены, обеспечивающие синтез этих белков, содержатся в ядре. С наследованием, сцепленным с полом, материнский эффект тоже путать нельзя, поскольку он никак не связан с Х-хромосомой.

Вот интересная деталь: наследование признаков, определяемых генами с материнским эффектом, может происходить вопреки общим законам генетики.

Для примера можно рассмотреть наследование признака закручивания раковины у улиток-прудовиков. У одних прудовиков раковина закручена вправо, а у других – влево. Доминантный аллель соответствующего гена (А) обеспечивает закручивание раковины вправо, а рецессивный аллель (а) закручивает раковину влево.

При скрещивании самки АА с самцом аа в первом поколении все будет в порядке – генотип Аа, раковина, закручена вправо.

Но если скрестить самку аа с самцом АА, то обнаружится, что все их потомство в первом поколении при генотипе Аа будет иметь закрученные ВЛЕВО раковины.

Влево, а не вправо – проявляется рецессивный фенотип при доминантном генотипе!

Впору предположить, что генотип Аа в разных случаях обеспечивает разные фенотипы, а такая мысль подрывает основы генетики и превращает ее из науки в не пойми что. Что это за наука о наследовании, в которой результат меняется при перестановке слагаемых?

Но давайте пойдем дальше и получим больше поводов для удивления.

Если скрестить между собой гибридов первого поколения (Аа с Аа), то все их потомство будет иметь раковины, закрученные вправо. Несмотря на то, что по генотипу у потомства будет наблюдаться законно ожидаемое менделевское расщепление – АА: 2Аа: аа.

Это уже вообще ни в какие ворота не лезет, верно?

Но, тем не менее, влезает в ворота молекулярной генетики, которая объясняет происходящее наличием в цитоплазме яйцеклеток белков-морфогенов.

Повторим, что генетика логична и научна. Если какое-то явление опровергает ее постулаты или вообще отрицает ее как науку, то, значит, нам просто не хватает знаний для того, чтобы правильно объяснить это явление. В примере, который мы только что рассмотрели, генотипу помогают реализоваться в фенотип морфогены, которые содержатся только в яйцеклетках. Морфогены активно управляют считыванием информации с генов, подбрасывая исследователям совсем не то, что те ожидали увидеть.

Короче говоря, если вы правильно спланировали эксперимент и правильно его провели, но получили при этом неожиданный результат, то вы явно чего-то не учли.

То, что морфогены находятся не в ядре, а в цитоплазме, было доказано в экспериментах с цитоплазмой дрозофилы. Дело в том, что яйцо дрозофилы, подобно яйцам большинства насекомых, в своем развитии проходит стадию синцития – неполного разграничения клеток, при котором обособленные участки цитоплазмы с ядрами связаны между собой так называемыми цитоплазматическими мостиками, которые правильнее было бы назвать «цитоплазматическими каналами», ведь цитоплазма жидкая, а не твердая.

Несколько тысяч ядер в яйце дрозофилы лежат в единой необособленной цитоплазме, которая при своем физическом единстве все же различается по содержанию. Так, например, цитоплазма в заднем сегменте яйца называется полярной плазмой, поскольку находится у условного полюса. Ядра, расположенные в полярной плазме, дают начало половым клеткам. Но если ввести полярную плазму в другую область яйца, где ее (и половых клеток) в норме быть не должно, то в этой области начнут развиваться половые клетки. Вот вам и доказательство определяющей роли цитоплазмы в выборе пути клеточного развития.

Гены материнского эффекта управляют считыванием генетической информации опосредованно. Они запускают экспрессию мастер-генов (это название можно перевести с английского как «ген-господин»), мастер-гены, в свою очередь, запускают экспрессию регуляторных генов, ну а те уже управляют экспрессией структурных генов, с которых считывается информация, необходимая для синтеза белков. Такая сложная иерархия позволяет осуществлять тонкую и точную регуляцию непростого процесса развития многоклеточного организма. Сложная многоступенчатая система устойчивее, она имеет больше компенсаторных возможностей, нежели простая система. Вот простейший пример. В большом магазине всегда найдется кем заменить заболевшего продавца, а в газетном киоске, где всего один продавец, замена представляет крупную проблему.

Можете ли вы дать определение эволюции? Придумайте свой вариант, а затем сравните его с научным, «официальным», и оцените степень расхождения. Трех минут вам будет достаточно?

Эволюцией[59] называется естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием приспособления организмов к внешним условиям, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом.

Вспомним, что популяцией называется совокупность организмов одного вида, длительное время обитающих на одной территории и частично или полностью изолированных от особей других аналогичных групп того же вида. Популяция обладает общим генетическим фондом. Особи, составляющие одну популяцию, могут свободно скрещиваться между собой, поскольку внутри популяции отсутствуют изоляционные барьеры.

Примером популяции могут служить караси, обитающие в одном пруду.

Экологической системой (сокращенно – экосистемой, или биогеоценозом) называют совокупность организмов разных видов, проживающих на одной территории и связанных между собой и с окружающей их неживой природой обменом веществ и энергии.

Экосистемы складываются из разных популяций!

Примером экосистемы может служить пруд со всеми его обитателями, растениями и животными.

Напрашивается вопрос: почему в определении эволюции упомянуты популяции, а не биологические виды? Ведь именно вид является основной структурной единицей биологической систематики живых организмов. Проще говоря, все живое биологи делят по видам.

Дело в том, что у биологической систематики и эволюционной биологии, которая занимается изучением эволюционного процесса, разные задачи и разные структурные единицы. У биологической систематики – виды, а у эволюционной биологии – популяции. Очень важно понимать, почему именно популяции стали структурными единицами эволюции.

Давайте разбираться.

В процессе эволюции биологические виды изменяются, это бесспорно. Концепция естественного отбора, основного механизма эволюции, изложена в книге Дарвина, которая называется «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Иначе говоря, эволюция – это процесс развития, процесс изменения генотипов. Эволюционной биологии нужна другая структурная единица, в которой будут изменяться генотипы, то есть будет наблюдаться эволюционное развитие.

Биологический вид?

Биологический вид тоже не может быть принят за единицу эволюции, поскольку в большинстве случаев виды делятся на изолированные популяции, в которых эволюционные процессы могут протекать по-разному, в разных направлениях, вплоть до образования других видов и родов. Роды, виды и подвиды, произошедшие от разных популяций одного и того же вида, могут иметь множество отличий. Сравните представителей двух родов – африканского слона и индийского слона – и оцените разницу.

Что движет эволюцию вперед?

Появление потомства с признаками, отличающимися от признаков родителей. А потомство получается в результате скрещивания. Следовательно, особи, образующие структурную единицу эволюции, должны иметь возможность свободного скрещивания между собой.

Внутри популяции нет барьеров, препятствующих скрещиванию.

Популяция представляет собой непрерывный ряд поколений и характеризуется как наследственностью, так и изменчивостью.

Популяция – самая мелкая из групп особей, способная к эволюционному развитию. Так что другой структурной единицы эволюции, кроме популяции, быть не может.

Изоляционные барьеры, препятствующие скрещиванию, отделяют популяции друг от друга. Важно понимать, что для каждого вида существуют свои изоляционные барьеры. Горная цепь или широкая река могут быть барьером для зайцев или, скажем, кабанов, но не для многих птиц. Популяция – видовое понятие! Запомните это и не путайте популяции с экосистемами.

Этот раздел генетики, который изучает распределение частот аллелей в популяции, а также их изменение под влиянием движущих сил эволюции, называется популяционной генетикой.

К движущим силам эволюции мы вернемся чуть позже, а пока ознакомимся с синтетической теорией эволюции.

Сразу же после своего возникновения дарвинская теория естественного отбора начала подвергаться критике со стороны принципиальных ее противников. Принципиальные противники отличаются от обычных критиков отсутствием объективного подхода. Они критикуют не по существу, не по делу, а из принципа – так не может быть, потому что так не может быть никогда!

В 1867 году, спустя восемь лет после публикации «Происхождения видов», по дарвиновской теории был нанесен сокрушительный удар!

Нанес этот удар британский инженер Генри Дженкин. Дженкин был весьма разносторонней личностью с невероятной широтой интересов. Инженер, экономист, филолог, биолог, драматург, актер… И чем бы ни занимался этот талантливый человек, во всем он достигал определенных высот. Но в историю он вошел как изобретатель канатной дороги и один из главных оппонентов Дарвина.

Главным из критических замечаний, высказанных Дженкином в адрес дарвиновской теории, было поглощающее влияние свободного скрещивания в популяции. Давайте посмотрим, в чем это поглощающее влияние заключается.

Суть естественного отбора состоит в закреплении полезных признаков, верно?

Допустим, что в популяции появилась особь с неким полезным признаком.

«Но как может этот признак закрепиться в популяции?» – спрашивает Дженкин. Ведь обладающая им особь будет скрещиваться только с особями, которые этого признака не имеют или же обладают его менее приспособленной, обычной формой. И потомство особи, обладающей полезным признаком, будет скрещиваться только с «обычными» особями, которые этого признака не имеют. В результате через несколько поколений полезный признак будет поглощен «болотом» обычных признаков.

Верно ли такое рассуждение?

Верно!

Вот отрывок из статьи Дженкина: «Представим белого человека, потерпевшего кораблекрушение на острове, населенном чернокожими. Возможно, наш герой станет их королем. В борьбе за выживание он убьет очень много чернокожих, он будет иметь очень много жен и детей, в то время как многие из его подданных будут жить холостяками и умрут, не оставив потомства… Но даже при столь благоприятных условиях никто из потомков нашего героя в каком-либо поколении не станет полностью белым…».

Пример этот расистский и достоин всяческого осуждения, поскольку, во-первых, расизм – дело плохое, во-вторых, цвет кожи не является благоприятным или неблагоприятным признаком, а в-третьих, с какого, простите, перепугу туземцы позволили бы чужаку, совершенно незнакомому с их укладом и условиями их жизни, стать правителем? Скорее бы они съели его с соблюдением всех положенных ритуалов. Но Генри Дженкин был британцем, жившим в ХIХ веке, когда взгляды были иными, не такими, как сейчас, и примеры приводил, соответствовавшие его мировоззрению.

Но суть не в цвете кожи и неуклюжей надуманности примера, а в поглощении признака как таковом. В том, что один в поле не воин. В том, что один-единственный признак не способен изменить ситуацию в популяции.

Дженкин считал, что полезный признак мог сохраниться лишь в том случае, если он возникал одновременно, в короткий промежуток времени, в одном поколении, у большого числа особей. Но в таком случае дарвиновская идея случайной изменчивости теряла смысл.

Критика Дженкина была абсолютно справедливой и выглядела на тот момент (вторая половина ХIХ века) несокрушимо логичной. Биологи XIX века считали, что при зачатии наследственный материал отца количественно смешивается с наследственным материалом матери (так называемая теория слитной наследственности), и наследственность потомка представляет собой «среднее арифметическое» наследственного материала отца и матери. При таком подходе любой единичный признак был просто обязан раствориться в общей массе признаков.

Заметим, к слову, что самое главное в любой научной работе – это оттолкнуться от верного утверждения, начать свой научный поиск или ход своих мыслей с правильного знания.

Дарвин, придерживавшийся теории слитной наследственности, критику Дженкина опровергнуть не смог и назвал ее «кошмаром Дженкина» (имелось в виду, что Дженкин стал для Дарвина кошмаром). Под этим названием нападки Дженкина на Дарвина вошли в историю.

Ни Дарвин, ни Дженкин не приняли во внимание эксперименты Грегора Менделя, в ходе которых была доказана дискретность наследственного кода, то есть передача признаков по наследству в отдельном, дискретном виде. Не исключено, что Дженкин мог вообще не знать ничего о Менделе и его экспериментах. А вот Дарвин читал менделевские ««Опыты над растительными гибридами», но информацию к сведению не принял и никаких выводов не сделал. И напрасно. Если бы сделал, то мог бы превратить «кошмар Дженкина» в «кошмар Дарвина».

В результате массовой и частично обоснованной критики в конце XIX – начале XX веков наступил кризис дарвиновского учения, который английский биолог Джулиан Хаксли метко окрестил «затмением дарвинизма». Сам Дарвин тоже поспособствовал своему же кризису. Он пошел на поводу у критиков и внес в шестое издание «Происхождения видов» ряд изменений, противоречивших его прежним взглядам. Критики стало меньше, но и логики в дарвиновском учении тоже поубавилось. Ученый не должен быть упрямым. Если он видит, что совершил ошибку, то должен признать это. Но менять взгляды следует обоснованно, опираясь на собственные убеждения. Проще говоря, ученый не должен быть упрям, но и не должен менять свои взгляды как перчатки. Дарвину, к сожалению, научной стойкости недоставало.

Кризис дарвинизма не означал полного его отрицания. Подавляющее большинство биологов принимало дарвиновскую концепцию эволюции, но мало кто считал естественный отбор ее главной движущей силой. Да, все живое развивается, но вот как оно развивается, этого никто точно объяснить не может…

Объяснить пытались с различных позиций.

Одни ученые воскресили ламаркизм, признав наследование приобретенных признаков. Все особи в популяции стремятся к одному и тому же одними и теми же путями, поскольку находятся в схожих условиях. Они массово, большинством особей, «упражняют» свои органы, приобретают в течение жизни полезные признаки и так же массово передают их потомству. Никакого «болота», растворяющего признаки, при таком положении дел существовать не может, поскольку полезные признаки появляются не у отдельных особей, а у большинства.

Другие вооружились концепцией ортогенеза, согласно которой развитие всего живого идет по заранее предначертанному природой пути и от внешних условий не зависит. Живые организмы не приспосабливаются к среде обитания, а делают то, что велит им природа. Во всем существует предопределенный порядок.

Кстати говоря, «поправки», внесенные Дарвином в его учение под влиянием критиков, представляли собой смесь ламаркизма с ортогенетизмом.

Третьи были сторонниками не полной предопределенности развития всего живого, а его абсолютной случайности. Мутации происходят случайно, никакого порядка не существует, развитием управляет хаос. То есть никто развитием не управляет и не может управлять.

Синтетическая теория эволюции, устранившая все «необъяснимые» противоречия дарвиновского учения и вернувшая эволюцию на рельсы естественного отбора, образовалась в результате слияния классического дарвинизма с популяционной генетикой, сформировавшейся в начале ХХ века.

Образно говоря, популяционная генетика подвела научный фундамент под эволюционное учение Дарвина и восстановила в правах естественный отбор, вернув ему высокое звание движущего механизма эволюции. Также популяционная генетика внесла в дарвинизм ряд уточнений. Так, например, нейтральная теория молекулярной эволюции (она же теория нейтральной эволюции) утверждает, что подавляющее число мутаций на молекулярном уровне не связано с естественным отбором, носит нейтральный характер по отношению к нему. Вследствие этого значительная часть внутривидовой изменчивости, особенно в небольших популяциях, объясняется не столько действием естественного отбора, сколько случайными «нейтральными» мутациями. Проще говоря, доля мутаций, имеющих приспособительное значение, относительно невелика, это первое. И второе – виды изменяются не только за счет полезных приспособительных мутаций, но и за счет нейтральных.

Обратите внимание на то, что теория нейтральной эволюции не отрицает естественного отбора и даже не оспаривает его решающей роли в развитии жизни на нашей планете. Она дополняет учение об эволюции новыми данными.

Механизмы, определяющие генетическую структуру популяций, то есть соотношение в них различных генов и аллелей, можно разделить на две группы: поддерживающие и нарушающие генетическое равновесие в популяциях.

К поддерживающим механизмам относятся естественный отбор и дрейф генов, а к нарушающим – мутагенез и поток генов. Но при этом естественный отбор и мутагенез оказывают систематическое воздействие, а дрейф и поток генов – случайное.

Что такое естественный отбор и мутагенез, объяснять не нужно. Точно так же не нуждается в объяснении систематичность их воздействия на живые организмы. А вот как дрейфуют гены и куда они текут, непонятно. Но мы это сейчас выясним!

Дрейфом генов называют случайные изменения частот аллелей в популяции.

Не очень-то понятно?

Вспомните, что слово «дрейф» означает медленное постоянное перемещение чего-либо под действием сторонних сил. Ключевое для нас слово – «сторонних». Дрейф происходит под чьим-то сторонним влиянием.

Частота аллелей или частота генов – это соотношение разных аллелей одного и того же гена в популяции. Поскольку аллели определяют проявление одного и того же признака в различных формах, можно сказать, что частота аллеля представляет собой вероятность проявления конкретного признака в популяции.

Частоту аллеля высчитывают делением количества данных аллелей у всех особей данной популяции на общее количество аллелей в популяции и выражают в процентах.

Допустим, что в некой популяции численностью в 100 особей имеется два аллеля, представленных равным количеством копий, – 50. Частоты этих аллелей будут равны 50 %. Если в популяции произойдет какой-то катаклизм, резко и произвольно уменьшающий численность особей, например засуха или землетрясение, то среди выживших особей частота данных аллелей может остаться «пятидесятипроцентной», но может измениться и составить, к примеру, 65 % и 35 %. Тогда можно будет говорить о дрейфе генов.

Дрейфом генов называются случайные изменения частот аллелей и генотипов, происходящие в популяции при смене поколений.

Изменения при дрейфе генов всегда случайны – никто не может предугадать, какие особи погибнут в результате катаклизма, а какие выживут.

В случае, когда частоты аллелей будут значительно отличаться друг от друга, например 97 % и 3 %, в результате катаклизма могут погибнуть все носители «трехпроцентного» варианта. Тогда частота сохранившегося аллеля составит 100 %.

Два примера, которые мы с вами сейчас рассмотрели, относятся к так называемому эффекту бутылочного горлышка, это один из механизмов дрейфа генов. Катаклизм создает условное «бутылочное горлышко»: кто в это «горлышко» проскочил, тот выжил. А кто именно проскочит, неизвестно, никакой закономерности здесь нет. Вполне возможно, что проскочат не самые приспособленные, а те, кто оказался ближе к «горлышку», например, обитал дальше от эпицентра землетрясения или вблизи водоема, который во время засухи не высох полностью.

Естественный отбор отличается от дрейфа генов тем, что он отбирает наиболее приспособленных к условиям внешней среды, а при дрейфе генов отбор идет в случайном порядке. Запомните это!

Другой механизм дрейфа генов называется «эффектом основателя». Представим, что по какой-то причине часть крупной популяции с равномерным распределением аллелей «пятьдесят на пятьдесят» была отделена. Допустим, что в результате землетрясения часть материковой территории превратилась в остров, или же горный обвал отгородил один участок местности так, что многие животные не в состоянии его покинуть. В отделенной части популяции аллели могут быть распределены не так, как в материнской популяции. В нашем примере изначальные частоты составляли по 50 %, а у «отпочковавшейся» популяции это соотношение может быть, к примеру, 70 % и 30 %. Такое соотношение будет наблюдаться в «отпочковавшейся» популяции на протяжении всего ее развития, до появления нового «бутылочного горлышка» или же нового изолирующего барьера. Название «эффект основателя» подразумевает, что как основали популяцию, то есть какое распределение аллелей сложилось при ее образовании, так и будет.

Одним из основных законов популяционной генетики является закон Харди – Вайнберга[60], который гласит, что в условиях идеальной популяции частоты генов и генотипов остаются постоянными от поколения к поколению и при условии наличия только двух аллелей данного гена соответствует уравнению:

p²+ 2pq + q²= 1,

где p² – доля (от единицы) гомозигот по одному из аллелей;

p – частота этого аллеля;

q² – доля (от единицы) гомозигот по другому аллелю;

q – частота второго аллеля.

Что представляет собой идеальная популяция?

Это популяция, в которой:

– скрещивания происходят исключительно в случайном порядке, в том числе и партнеры выбираются случайно;

– не происходит мутаций;

– не происходит миграций извне и наружу;

– нет естественного отбора;

– количество особей и размеры популяции достаточно велики (стремятся к бесконечности) для того, чтобы свести на нет случайные колебания частот генов, то есть дрейф генов.

Возникает закономерный вопрос: зачем нужно придумывать условную, не существующую в реальности популяцию (ведь сразу видно, что такой популяции быть не может), и законы с уравнениями для нее? Мы вообще о чем ведем речь: о популяционной генетике или о генетической фантастике?

Разумеется, о популяционной генетике. Да, закон Харди – Вайнберга и прилагающееся к нему уравнение справедливы для условной идеальной популяции, но зато по этому уравнению можно рассчитывать частоты аллелей в популяции. Для многих математических расчетов требуется «оттолкнуться» от чего-то условного. Кроме того, закон Харди – Вайнберга показывает, что процесс наследования сам по себе не влияет на частоту аллелей в популяции, ее изменения возникают вследствие других причин. В этом утверждении заключен биологический смысл закона.

Селекционерам закон Харди – Вайнберга позволяет определять генетический потенциал исходного материала, то есть частоты нужных для скрещивания аллелей. Экологи с его помощью выявляют факторы, влияющие на популяции. Отклонение от условного идеала, определенного законом, свидетельствует о наличии каких-то факторов влияния. Медицинские генетики с помощью этого закона оценивают риск генетически обусловленных заболеваний в конкретных популяциях.

С дрейфом генов мы разобрались, переходим к потоку генов.

Потоком или переносом генов называют перемещение генов между популяциями, а именно перенос аллелей генов из одной популяции в другую в результате миграции особей. То есть, популяция может приобрести новый аллель не в результате мутации, а в результате иммиграции в нее носителя нового гена из соседней популяции. Да, популяции изолированы друг от друга, но в ряде случаев барьеры между ними не бывают непреодолимыми на все сто процентов. Где-то да найдется какая-нибудь лазейка, при условии, что речь не идет о Кипре или каком-то другом удаленном острове.

Постоянный перенос генов между популяциями стирает генетические различия между ними. Иначе говоря, перенос генов мешает образованию новых видов и подвидов. Поток генов направлен против естественного отбора, способствующего видообразованию. А вот дрейф генов, в отличие от потока, в некоторых случаях может способствовать видообразованию.

Не совсем понятно?

Для образования нового вида в популяции должно накопиться определенное количество признаков. Изолированность популяций этому способствует, поскольку в каждой популяции происходят свои мутации и появляются свои признаки. Если обмена мутациями (признаками) между популяциями не будет, то в конечном итоге разница между популяциями может достигнуть пределов, с которых начнется новый вид. При наличии потока генов между популяциями процесс видообразования в них замедляется. Что же касается дрейфа генов, то он может изменить частоты аллелей таким образом, что популяция станет ближе к образованию нового вида. А может и не изменить, или сделает все наоборот.

Настало время разобраться с генетическим равновесием в популяциях. А то мы было заговорили о нем, но сразу же переключились на дрейф генов. Но, тем не менее, успели сказать, что к механизмам, поддерживающим генетическое равновесие в популяциях, относятся естественный отбор и дрейф генов.

Вам ничего не показалось странным?

Как может естественный отбор, устраняющий из популяции плохо приспособленные организмы (плохо приспособленные генотипы), поддерживать генетическое равновесие? Он, наоборот, его нарушает! И о дрейфе генов можно сказать то же самое.

С естественным отбором дело обстоит сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Далеко не всегда естественный отбор приводит к выработке новых адаптаций. Он может поддерживать уже сложившуюся адаптационную структуру популяции, не позволяя изменчивости разрушать уже существующие приспособления, то есть нарушать сложившееся генетическое равновесие.

Более того, естественный отбор формирует популяции. Он создает их, распределяя организмы вида по более благоприятным ареалам обитания. А еще естественный отбор поддерживает равновесие между разными признаками организма. Зачастую приспособленность одного признака в ходе отбора может понижаться, если это понижение перекрывается повышением приспособленности другого признака и в целом выгодно для организма. Можно сказать, что организм в подобных случаях совершает гамбит[61] – жертвует одним признаком для того, чтобы выиграть партию, то есть выжить.

Примером такого эволюционного «гамбита» может служить яркое оперение у самцов многих птиц, который делает их хорошо заметными не только для самок, но и для хищников. Однако природа сделала в этом случае ставку на повышение вероятности успешного размножения и оказалась права. Длительное существование таких видов доказывает правильность «гамбита», подтверждает, что успешное размножение для этих видов птиц важнее демаскировки самцов. Пусть какая-то часть самцов будет съедена хищниками, но зато оставшиеся в живых, имея больше шансов на скрещивание, смогут оставить больше потомства.

И с дрейфом генов тоже все непросто. Дрейф генов может приводить к увеличению изменчивости, то есть нарушать генетическое равновесие в пределах вида в целом, но он также может уменьшать изменчивость в пределах конкретной популяции, «убирая» из нее новые генотипы, появившиеся в результате мутаций. Здесь все зависит от размеров популяции (обратите внимание на то, что под размером популяции биологи подразумевают число особей в ней, а не размер занимаемой ею территории). Согласно общестатистическим правилам, в которые мы вникать не станем, в больших популяциях дрейф генов будет обеспечивать генетическую стабильность, а в малых станет ее нарушать, вплоть до создания преимуществ для признаков, нетипичных для основной, «материнской» популяции. В результате дрейфа генов в маленьких популяциях новые виды появляются в ускоренном темпе.

С механизмами, нарушающими генетическое равновесие в популяциях, вроде бы все ясно. В процессе мутагенеза гены изменяются, а приток генов из других популяций может приносить в популяцию нетипичные для нее гены. Перенос генов между популяциями стирает генетические различия между ними, но нарушает равновесие в каждой из них.

Интенсивность естественного отбора в популяции пропорциональна разнообразию приспособительных признаков в ней, а это разнообразие, в свою очередь, пропорционально количеству размножающихся особей[62].

И вот вам напоследок сразу два вопроса, потому что в предыдущей главе вопроса не было.

Вопрос первый: могут ли эффекты основателя и бутылочного горлышка действовать одновременно?

Вопрос второй: каким животным приходится ежегодно проходить через «бутылочное горлышко»?

ОТВЕТЫ НА ВОПРОС.

1. Могут. Например, в случае землетрясения, которое не только уничтожит часть особей в популяции, но и превратит полуостров в остров. Те особи, которые выживут, будут считаться проскочившими через «бутылочное горлышко», а те, которые окажутся на острове, вдобавок станут «основателями».

2. Многим видам насекомых, численность популяций которых резко сокращается в осенне-весеннем периоде.

«Методом пересадки генов удалось вывести новый сорт огурцов, обладающих замечательными вкусовыми качествами. С помощью обычной методики (трансдукции через вирус) раннему сорту огурцов был привит комплекс генов, ответственный за молочнокислое брожение. Пересадка гена повлекла за собой также побочный эффект: клеточные мембраны стали значительно более проницаемыми для ионов натрия. Только что поспевшие плоды имеют ярко выраженный вкус и аромат малосольных огурчиков».

Это была первоапрельская шутка из журнала «Химия и жизнь», этакая научная сказочка. Сказка – ложь, да в ней намек. Намек на то, что возможности генной инженерии поистине безграничны и даже побочные эффекты могут быть обращены на пользу.

Знаете ли вы, что генной инженерией человечество пыталось заниматься с древнейших времен? Наши далекие предки не имели никакого понятия о генах, но тем не менее при помощи различных средств пытались манипулировать половыми хромосомами. Например, они верили, что если мужчина и женщина будут спать головой на север, а ногами на юг, то у них родится мальчик. Или же, что если беременная женщина будет есть много фиников, то у нее родится мальчик…

Пошутили – и будет. Пора переходить от шуток к серьезному разговору.

Генной, или генетической, инженерией называются все виды искусственных манипуляций с генами.

Отношение к генной инженерии в обществе неоднозначное.

Одни считают, что генная инженерия – это великое благо. С ее помощью можно получать высокие урожаи и столь же высокие привесы у животных, можно лечить болезни, «исправляя» генотип, можно выращивать пальмы на Южном полюсе…

Насчет пальм – это пока что мечта и только мечта. Но, в принципе, если вывести растение, клетки которого не будут замерзать при полярных температурах, корни будут способны пробиваться вглубь через толстый слой льда и вечную мерзлоту, а обмен веществ и энергии будет обеспечивать выживание во время полярной ночи, то почему бы такому растению не расти-цвести посреди ледяной антарктической пустыни? Невероятно? Всего лишь сто лет назад полеты в космос тоже казались невероятными. А сорок лет назад никто бы не поверил в то, что телефон может быть беспроводным, миниатюрным и, помимо своего основного предназначения, служить для чтения, прослушивания музыки, просмотра фильмов, набора текста, решения математических задач, дистанционных платежей…

Другие считают, что генная инженерия – это великое зло. Вмешательство в такое «святая святых», как генотип, добром не заканчивается. Нельзя самовольно «переписывать» программы, созданные матушкой-природой. От суперурожайной кукурузы польза только тем, кто ее выращивает, но не тем, кто ее ест. И от цыплят размером с гуся тоже.

Можете ли вы сказать, чем генная инженерия отличается от селекции?

Методом! Селекция воздействует на генотип косвенно и опосредованно, через многочисленные скрещивания. А генная инженерия непосредственно изменяет генетический аппарат, «переписывая» генетические коды так, как нужно.

Возможности генной инженерии несравненно шире возможностей селекции. Можно сказать, что генная инженерия всемогуща. Если ее могущество чем-то и ограничивается, так это уровнем развития науки. А теоретически, комбинируя гены, можно творить с живыми организмами буквально все, что вздумается. Звучит пугающе, но практически любое знание можно обратить как во благо, так и во зло.

Начало генной инженерии было положено в семидесятые годы прошлого века, когда ученые открыли рестриктазы – ферменты, «разрезающие» нуклеиновые кислоты. С их помощью стало возможным нарезать молекулы ДНК на фрагменты и собирать из этих фрагментов новые молекулы. Главное для любого мастера (в том числе и инженера) – это хороший, надежный инструмент. Рестриктазы стали таким инструментом.

ДНК представляет собой весьма удобный материал для комбинирования. Одинарные цепи нуклеиновых кислот стремятся к сближению, и соединение одинарных нуклеиновых нитей легко предсказуемо, ведь оно происходит по известному вам принципу комплементарности. Аденин сближается с тимином, гуанин – с цитозином и так далее… Следовательно, цепь с последовательностью Г-Ц-А-Т-Г-Г-А-Г-Ц-Т-А-T-A-T соединится только с цепью Ц-Г-Т-А-Ц-Ц-Т-Ц-Г-А-Т-А-Т-А и ни с какой другой.

Вдобавок, рестриктазы нарезают цепочки нуклеиновых кислот не как придется, а исходя из определенных закономерностей: каждый конкретный фермент из группы рестриктаз дает свой, особый тип «нарезки». Углубляться в правила этих «нарезок» мы не станем, но отметим одно очень важное обстоятельство: одна и та же рестриктаза нарежет две разные молекулы ДНК на тождественные фрагменты, из которых можно будет составлять новые молекулы ДНК. А если точнее, то эти фрагменты сами будут составляться в новые молекулы, нужно только свести их вместе в жидкой среде. Генному инженеру остается только рассмотреть полученные результаты и отобрать нужные.

Если вам кажется, что выделить ДНК из клетки сложно, то вы ошибаетесь. Разрушьте клетку любым доступным путем (да хотя бы погружением в насыщенный раствор хлорида натрия, более известного под названием «поваренная соль»), а затем при помощи этилового спирта выделите из получившейся «горы мусора» ДНК. Та бесцветная жидкость, которую эксперты в фильмах капают из пипетки на соскобленную откуда-нибудь высохшую кровь, есть не что иное, как обычный девяностошестипроцентный этиловый спирт.

Выделили?

Отлично! Разделите двухцепочечную молекулу ДНК на отдельные цепочки посредством нагревания и при помощи рестриктаз нарезайте эти отдельные цепочки на фрагменты. Затем фрагменты нужно будет вставить в так называемые векторы – относительно небольшие молекулы ДНК вирусов или бактерий. Векторы внедряют фрагменты в клетки бактерий. Процедура относительно несложная: если лишить бактерии их собственной ДНК, то они охотно поглотят чужую из внешней среды (вспомните о горизонтальном переносе генов).

Дальше все просто: сохраните колонии бактерий с нужной вам ДНК и используйте ее при необходимости для решения тех или иных задач. Например, для получения холодоустойчивой кукурузы или же такой кукурузы, от которой все насекомые-вредители станут держаться как можно дальше.

Вот, собственно, и вся генная инженерия (в предельно упрощенном виде).

Компьютеризация облегчает жизнь всем, в том числе и генным инженерам. В наше время созданы устройства, синтезирующие заданные нуклеотидные последовательности длиной свыше ста нуклеотидов. «Всего сто? – усмехнутся скептики. – Это же такая мелочь! Ведь количество нуклеотидов в ДНК может доходить до миллиарда и даже больше!» Да, пока что всего сто или сто пятьдесят. Но это же заданная, запрограммированная последовательность, которая синтезируется автоматически! Как говорится, лиха беда начало, со временем и миллиардные последовательности нуклеотидов будут синтезироваться с помощью компьютерных программ.

Ген, добавленный извне в геном, называется трансгеном, а организм, полученный в результате такой манипуляции, – трансгенным организмом. Распространенное название «генетически модифицированные организмы» является не совсем точным определением для организмов, полученных в результате генной инженерии, потому что организмы, полученные в результате обычной селекции, тоже являются генетически модифицированными, содержащими измененный генотип. Слово «модификация» означает преобразование или изменение в широком смысле, а вот приставка «транс-» четко указывает на перенос из одного места в другое.

Если при селекции возможна только лишь комбинация генотипов особей одного и того же вида или же скрещивание с близкородственным видом, то генная инженерия может переносить все что угодно, куда угодно. Ген рыбы в растение? Без проблем! Ген растения – птице? Запросто! Ген млекопитающего – бактерии? Пожалуйста!

Генные инженеры говорят, что их возможности ограничены только лишь их воображением. Это не шутка, а истинная правда. С точки зрения технологии не имеет значения, чей ген куда пересаживать. Да хоть от ископаемого мамонта дождевому червю! Важна только практическая целесообразность.

Но не только возможностью пересадки всего повсюду славится генная инженерия. Другим ее преимуществом, не менее важным, чем неограниченная широта возможностей, является скорость. Селекционеры могут годами, а то и десятилетиями решать поставленную задачу, и не факт еще, что им удастся ее решить… А генные инженеры добиваются своего практически сразу. Сроки исполнения задач в генной инженерии исчисляются днями, а иногда и часами. И результат неизменно соответствует ожиданиям, без поправок на неожиданности, часто встречающиеся у селекционеров.

Искусственно созданный ген может быть не только материалом для работы, но и инструментом. Ген можно не только пересаживать с места на место, но и использовать в качестве зонда. В переводе с голландского слово «зонд» означает «посланец». Зондами в различных отраслях науки называют инструменты или устройства, служащие в качестве датчиков или проводников. Метеорологический зонд запускают в атмосферу для сбора данных, помогающих создать прогноз погоды. Врачи пользуются зондами – тонкими стержнями или полыми трубочками для проведения диагностических или лечебных процедур в различных полостях и каналах тела пациента. В генной инженерии зондирующий ген служит для распознавания фрагментов молекул ДНК.

«Растиражированные» гены-зонды обрабатывают радиоактивными атомами или флуоресцентным (светящимся) химическим веществом, чтобы они были хорошо видны, а затем разделяют молекулы обработанных зондов на одинарные цепочки и смешивают их с растворами различных нуклеиновых кислот, молекулы которых предварительно также разделяют на одинарные цепочки. Хорошо видимые «светящиеся» зонды связываются с комплементарными фрагментами нуклеиновых кислот. Зонд словно бы указывает инженеру – вот он, нужный вам фрагмент, я на нем сижу! Нужный участок вырезается при помощи рекстриктаз, или отмечается на генетической карте, или же просто учитывается. Гены-зонды нередко используют для оценки количества матричной РНК, полученной в результате транскрипции конкретного гена (количество матричной РНК служит показателем экспрессии гена).

Внедрение нужного гена или же нужной молекулы ДНК в клетку должно быть произведено таким образом, чтобы не нарушить жизнедеятельность клетки. Внедряемый ген может быть как «диверсантом», которому нужно функционировать в течение определенного срока, так и «резидентом», засылаемым в клетку навсегда. Экспрессия гена в течение определенного срока часто используется в лечебных целях. Излечили заболевание, ген больше не нужен. Кстати говоря, гены можно вводить в клетку, но не вставлять в клеточные молекулы ДНК. Достаточно снабдить каждый пересаженный ген своим промотором – фрагментом, с которого РНК-полимераза будет начинать транскрипцию матричной РНК, и можно считать, что дело сделано, информация с этого гена будет считываться клеткой.

Для внедрения гена в клетку, как уже было сказано выше, можно использовать вирусы-векторы. При создании определенных условий ДНК может проникать внутрь клетки пассивным образом, без помощи каких-либо переносчиков. Транспорт генов в клетку может осуществляться при помощи электрической стимуляции клеточных мембран. С одной стороны, воздействие слабого электрического тока изменяет проницаемость мембраны, а с другой – под действием внешнего электрического поля возможно направленное перемещение частиц (вспомните из курса физики про электрофорез).

У бактерий, помимо одной-единственной «основной» молекулы ДНК, существуют и маленькие, рассеянные по цитоплазме. Такие мини-ДНК (или мини-хромосомы) называются плазмидами.

Клетка бактерии

Если прикрепить к плазмиде ген, то плазмида может выступать в роли переносчика, поскольку бактериальные клетки охотно поглощают чужие плазмиды. Поскольку молекулы плазмидной ДНК невелики[63], с ними удобно работать. Правда, плазмиды могут выступать в качестве переносчика только при внедрении генов в бактериальные клетки и ни в какие другие.

Существуют устройства, называемые «генными пушками», или «ДНК-пушками». Эти «пушки» обстреливают клетку «снарядами», содержащими трансгены, связанные с частицей металла, например золота или серебра[64]. Разница с обычным снарядом состоит в том, что у обычного снаряда «начинка» находится внутри, под оболочкой, а в генном «снаряде» гены облепляют частицу металла снаружи.

Схема действия ДНК-пушки

Из генных пушек обстреливают культуры клеток, находящиеся в стандартной микробиологической посуде – круглой чашке Петри. Клетки, находящиеся в центре чаши, обычно гибнут вследствие разрушения их мембран и прочих структур частицами металла, но часть клеток на периферии остается цела. Обстрел клеток из пушек «прямой наводкой» – процедура суровая, и не каждая клетка способна ее выдержать. Чаще всего генные пушки используют для обстрела растительных клеток, которые гораздо прочнее животных клеток.

Вирусы-переносчики ценны тем, что их можно использовать очень широко. Если электростимуляция мембраны малоэффективна, из пушки по клеткам стрелять нельзя и условия для пассивного проникновения создать невозможно, остается уповать на вирусы, которые умеют проникать в клетку и умеют заставить ее синтезировать свои собственные нуклеиновые кислоты, но при этом не наносят выраженного повреждения клеточной ДНК и самой клетке. Вирусу нужно жить в клетке и пользоваться ее ресурсами, поэтому до поры до времени он ведет себя как вежливый квартирант. Для переноса генов используются наиболее агрессивные вирусы, способные проникать практически в любые клетки. Разумеется, с вирусами-переносчиками проводят определенную работу – изменяют, то есть ослабляют их таким образом, чтобы они стали безопасными для клетки. Вектор должен доставить гены в клетку и обеспечить их внедрение в молекулу клеточной ДНК, но никакого вреда клетке при этом он наносить не должен.

От генной инженерии следует отличать инженерию клеточную, представляющую собой набор различных методов гибридизации соматических клеток. Гибридизации, обратите внимание! Получение гибридных клеток при скрещивании двух разных генетически различающихся организмов отличается от целенаправленного изменения генотипа, производимого генными инженерами. Проще говоря, разница заключается в том, что клеточные инженеры работают с клетками, а генные с генами, и методы у каждого свои.

Теперь, после знакомства с методами генной инженерии, самое время ответить на вопрос, зачем нужно пересаживать гены.

Во-первых, для получения желаемых качеств у генетически изменяемого организма, в том числе и способности синтезировать лекарственные препараты.

Во-вторых, для предупреждения и лечения заболеваний.

В-третьих, в научных целях. Генетикам для экспериментов нужно много материала, часть которого создается методом генной инженерии.

Генные инженеры не только пересаживают гены, но и «ампутируют» их, удаляя фрагменты из молекул ДНК. Подобные «ампутации» позволяют, к примеру, повысить устойчивость организмов (преимущественно растительных) к вирусам, ведь каждый вирус запрограммирован природой на внедрение в молекулу клеточной ДНК на определенных участках. Вирус не может прикрепляться куда угодно, у него есть свои мишени. Если вырезать эти мишени из молекул ДНК, то вирус не сможет «перепрограммировать» клетку на собственное размножение.

А теперь давайте поговорим о клонировании.

Начнем с самого главного, с определения. Все знают, что такое клонирование, но толком объяснить этого не могут. А ведь именно с понимания сути процесса и начинает выстраиваться правильное представление о нем.

Клонированием называется получение нескольких генетически идентичных организмов путем бесполого размножения.

Как искусственным, так и естественным путем, обратите на это внимание! Не обязательно создавать клон в лаборатории. Природа «штампует» клоны миллионами и миллиардами! У бактерий клонирование является единственным способом размножения. У растений естественное клонирование наблюдается при различных способах вегетативного размножения, когда дочерняя особь образуется из многоклеточной части тела родительской особи. У животных вегетативное размножение осуществляется посредством деления или почкования (дождевой червь, гидра). Также у животных клонирование происходит при партеногенезе, когда яйцеклетки развиваются во взрослый организм без оплодотворения (скальные ящерицы), и при полиэмбрионии, когда из оплодотворенной яйцеклетки развивается несколько организмов. Полиэмбриония наблюдается в норме у броненосцев, а у человека встречается эпизодически, и тогда рождаются однояйцевые близнецы. Так что клоны сами по себе не являются порождением генной инженерии и уж тем более не являются чем-то «противоестественным».

В генной инженерии термин «клонирование» используется в узком смысле. Так называются методы, используемые для искусственного получения генетически идентичных копий организмов и молекул ДНК. Да-да, все эти получения копий генов, о которых мы с вами столько говорили, являются примером молекулярного клонирования.

Разницу между синтезом молекулы и ее клонированием вы представляете? Синтез – это простой или не очень химический процесс, при котором из нескольких исходных веществ в результате их взаимодействия друг с другом образуется конечный продукт. Проще говоря, при синтезе конечный продукт получается в ходе химических реакций. Одно соединяем с другим, чтобы получить третье, затем это третье соединяем с четвертым… Молекула ДНК же или ее фрагмент-ген не синтезируются химическим путем, а копируются с исходной матрицы в процессе репликации с участием комплекса ферментов, образно говоря, собираются из деталей конструктора.

Синтез молекулы – это процесс прямого взаимодействия веществ, а клонирование – это биологическая «сборка» молекулы.

Клонирование многоклеточного организма начинается с подготовки яйцеклетки, из которой удаляется ядро, содержащее гаплоидный (одинарный) набор хромосом. Яйцеклетка, лишенная ядра, представляет собой среду для клонирования. В эту среду пересаживают ядро соматической клетки клонируемого организма.

Напрашивается вопрос: а почему бы не выращивать клоны из соматических клеток?

Помните, выше было сказано о том, что нельзя создать орган для пересадки простым размножением соматических клеток? То же самое и с организмом. Для того чтобы делящиеся клетки образовали организм, а не просто массу клеток, причем одного и того же типа, нужна яйцеклетка, обладающая таким свойством, как полипотентность, способность давать начало клеткам различных типов, которые будут образовывать цельный организм.

Яйцеклетка и соматическая клетка, у которой забирается ядро, не обязательно должны принадлежать одному и тому же организму. Овечка Долли, первое млекопитающее, клонированное из ядра взрослой соматической клетки, получила яйцеклетку от одной «матери», ядро от другой, к тому времени уже умершей (использовалась замороженная клетка вымени), а выносила ее третья «мать», в матку которой пересадили яйцеклетку, «оплодотворенную» соматическим ядром. Правда, это на словах все так просто, а на деле организмы, получаемые в результате подобных манипуляций, массово гибнут как во внутриутробном периоде, так и вскоре после рождения вследствие различных аномалий. Овечка Долли развилась из одной из двухсот семидесяти семи яйцеклеток с пересаженным ядром, остальные не смогли превратиться в нормальный, полностью жизнеспособный организм. Ученые не покладая рук работают над повышением процента удачных клонирований, но до стопроцентной эффективности еще очень далеко. И даже до пятидесятипроцентной. На сегодняшний день если выживает один эмбрион из пяти, то это считается очень хорошим показателем.

В чем практический смысл клонирования? Помните, что было написано у Булгакова в «Собачьем сердце»: «Можно привить гипофиз Спинозы или еще какого-нибудь такого лешего и соорудить из собаки чрезвычайно высоко стоящего. Но на какого дьявола, спрашивается. Объясните мне, пожалуйста, зачем нужно искусственно фабриковать Спиноз, когда любая баба может его родить когда угодно! Ведь родила же в Холмогорах мадам Ломоносова этого своего знаменитого…»

Клонирование – не фантастическая прививка гипофиза, но в целом вопрос поставлен правильно, хоть и в грубоватой форме. Зачем городить огород, если живые организмы могут размножаться сами по себе? Чисто научного интереса ради?

Нет, научный интерес интересом, а практическая польза от клонирования ожидается большая. Со временем, по мере развития и совершенствования метода, клонирование позволит получать животных с конкретными неизмененными признаками. Разумеется, отдельные мутации будут иметь место, но в целом генотипы при искусственном клонировании организмов будут тождественными, а не разными, как при скрещивании. В некоторых случаях важно размножать конкретные организмы, обладающие всей необходимой совокупностью свойств, необходимых для чего-то, то есть обладающих полной пригодностью. Например, клонировать собак, идеально подходящих для работы на таможне. Короче говоря, клонирование полезно в качестве метода полного копирования.

Клонирование может воссоздать вымершие виды животных и растений, если их ДНК сохранилась в неповрежденном виде, хотя бы и мамонта! Архимед говорил: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир!»[65] Перефразируя это ставшее крылатым выражение, генетики говорят: «Дайте мне клетку с полным набором ДНК, и я создам вам целый организм!» Правда, придется немного подождать, поскольку полноразмерную хромосомную ДНК ученые пока еще не научились синтезировать. Но научатся, непременно научатся, и тогда где-нибудь на Чукотке под вечнозелеными морозоустойчивыми пальмами станут разгуливать мамонты.

Одним из перспективных применений клонирования в медицине является терапевтическое клонирование, о котором будет сказано в следующей главе.

Клон человека на сегодняшний день не создан. По множеству соображений, не связанных непосредственно с генетикой, клонирование человека запрещено в ряде стран, в том числе и в Российской Федерации, где 20 мая 2002 года был принят Федеральный закон № 54-ФЗ «О временном запрете на клонирование человека». Пока еще этот временный запрет не отменен.

Декларация ООН о клонировании человека, принятая в марте 2005 года, содержит призыв к государствам – членам этой организации запретить все формы клонирования людей в такой мере, в какой они несовместимы с человеческим достоинством и защитой человеческой жизни.

Вот вам вопрос: являются ли однояйцевые близнецы абсолютными, то есть стопроцентными копиями друг друга?

Предупреждение: не торопитесь с ответом, подумайте хорошенько.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Нет, не являются! Генотипы у однояйцевых близнецов одинаковые, но при развитии в их соматических клетках накапливаются разные, индивидуальные мутации, так что об абсолютном сходстве говорить не приходится.

Долгое время ученые считали клетку «последней медицинской инстанцией», думая, что все болезни возникают и проявляются на клеточном уровне. Собственно, так оно и есть: все отклонения от нормы начинаются с нарушений в клетках, но вот выявить причины этих нарушений никак не удавалось. Лишь после открытия генов стало ясно, что все дело в измененной наследственной информации. Все начинается с генов, следовательно, наиболее эффективное лечение болезней возможно только на генном уровне.

Установлением связей между конкретным геном и конкретным заболеванием и поиском способов воздействия на гены задачи медицинской генетики не ограничиваются.

Медицинская генетика изучает зависимость заболеваний не только от генетической предрасположенности, но и условий окружающей среды, потому что очень важно понимать, как именно распределяется влияние наследственности и среды в каждом конкретном случае. Для лечения заболеваний нельзя концентрироваться на одних лишь генах, ведь любой организм неотделим от среды, в которой он существует.

Также медицинская генетика изучает явления наследственности и изменчивости в различных человеческих популяциях, для того чтобы выявить особенности проявления и развития нормальных и патологических признаков.

Большинство медицинских наук состоит из двух основных разделов: общего, который изучает общие законы с закономерностями, и клинического, изучающего отдельные заболевания. На сегодняшний день клиническая медицинская генетика занимается в основном наследственными заболеваниями, но полномочия ее постоянно расширяются, и когда-нибудь клиническая медицинская генетика «распространит свою власть» на большинство направлений медицины.

Обратите внимание вот на что. Наследственные заболевания часто путают с заболеваниями врожденными, хотя это совершенно разные понятия. Врожденные заболевания вызываются внутриутробными повреждениями плода, обусловленными различными причинами, например инфекцией, радиоактивным облучением или механическим воздействием. Врожденные заболевания не предопределены изначально, они не заложены в программе развития организма, а зависят от внешних факторов. Грубо говоря, если мать во время беременности не будет принимать препарат, вызывающий отклонения в развитии плода, то ребенок не родится с уродством. А вот наследственные заболевания проявляются вне зависимости от влияния среды, поскольку они обусловлены нарушениями в генетическом аппарате клеток, а не внешними факторами. В ряде случаев условия среды могут влиять на выраженность наследственного заболевания, но они не могут обуславливать его возникновение.

Почему наследственные болезни на бытовом уровне отождествляют, то есть путают, с врожденными? Потому что наследственные заболевания нередко диагностируются во внутриутробном периоде или при рождении.

В настоящее время в медицинской генетике развитие диагностических методов сильно опережает возможности лечения. Причин тому несколько.

Во-первых, геном человека расшифрован, но пока еще не изучен настолько, чтобы можно было точно сказать, на какие именно участки нужно воздействовать при том или ином заболевании. Природа запутала наследственные программы так сильно, что очень трудно разложить все по полочкам. Допустим, что генетики удалили из клеток эмбриона ген, вызывающий развитие сахарного диабета, а затем выяснилось, что этот ген опосредованно обеспечивал выработку одного из пищеварительных ферментов. Да так хитро обеспечивал, через такое количество посредников, что заподозрить его причастность к этому процессу было просто невозможно. Все выяснилось после рождения ребенка, спасенного от диабета, но получившего взамен другое заболевание, вызванное нарушением пищеварения. Пример, конечно, грубый, но суть отражает верно. Планируя вмешательство в генетический аппарат, нужно семь раз отмерить, то есть полностью изучить изменяемые гены, а потом уже действовать.

Во-вторых, коррекцию генома нужно производить в самом-самом начале эмбрионального периода, пока генетическая программа остается всего лишь программой, пока она еще не реализована. А такой возможности у врачей пока что нет.

В-третьих, надо научиться получать нужные фрагменты нуклеиновых кислот большой длины, в идеале целые молекулы ДНК, поскольку проще заменить хромосому с геном болезни на искусственно созданную нормальную, нежели заменять отдельные гены в хромосоме.

Что же могут делать современные медицинские генетики?

Современные медицинские генетики могут распознавать все возможные мутации ДНК и оценивать их последствия.

Разработаны маркеры, позволяющие диагностировать около ста наследственных заболеваний человека.

Бурными темпами развивается генотерапия – совокупность методов, направленных на внесение лечебных изменений в генетический аппарат соматических клеток человека. Речь пока еще не идет об общей коррекции генетической программы, но пересадка генетически модифицированных клеток уже используется в лечении онкологических, наследственных, а также вирусных инфекционных заболеваний. При генной терапии генетический материал может вводиться непосредственно в организм, это так называемый прямой путь. Но есть и косвенный, при котором у пациента берутся клетки для внесения в них генетического материала в лабораторных условиях, то есть вне тела, а затем эти клетки возвращаются в организм пациента.

В ноябре 2017 года в США был впервые опробован метод изменения генома непосредственно в организме пациента с болезнью Хантера[66]. При помощи ферментов-нуклеаз, играющих роль своеобразных «молекулярных ножниц», были сделаны разрезы двуцепочечной молекулы ДНК на определенном участке для того, чтобы заменить ген, вызвавший заболевание, искусственно созданным фрагментом.

Но можно не вырезать фрагмент, а просто «выключить» его посредством метилирования ДНК, о котором было упомянуто выше. Модификация молекулы ДНК без изменения ее нуклеотидной последовательности технически удобнее, чем нарезка фрагментов при помощи эндонуклеаз. А также безопаснее, потому что в любом мутационном процессе все же присутствует фактор случайности, который обязательно приходится принимать во внимание и как-то подстраховываться, усложняя процедуру. А метилирование ДНК можно сравнить с нажатием на кнопку выключателя. Никакого случайного фактора здесь быть не может, главное – не перепутать «выключатели», нажать на нужную кнопку.

Перспективы перед лечебным метилированием открываются широчайшие, но наиболее перспективным и развивающимся быстрее других методом медицинской генетики является метод терапевтического клонирования клеток пациента.

При терапевтическом клонировании ядра соматических клеток пациента пересаживаются в лишенные собственных ядер «чужие» яйцеклетки, которым позволяют делиться до так называемой бластоцисты, ранней стадии развития эмбриона. Бластоциста состоит примерно из сотни клеток.

Целью описанной процедуры является получение стволовых клеток, генетически совместимых с организмом пациента.

Что такое стволовые клетки?

Стволовыми называются незрелые или, как говорят ученые, недифференцированные клетки, способные к делению и к превращению в клетки различных типов. Оплодотворенная яйцеклетка – это тоже стволовая клетка, клетка-праматерь. А вот нейрон – клетка нервной системы, стволовой считаться не может, поскольку он относится к определенному типу клеток и переродиться в клетку другого типа не способен.

Образно говоря, стволовые клетки – это маленькие волшебники, обладающие способностью к превращениям.

У пациента тяжелое поражение нервной системы, вызванное разрушением или перерождением нейронов? Из стволовых клеток пациента вырастут новые нейроны, причем полностью совместимые с его организмом, не какие-нибудь чужие, донорские, а свои собственные. Пациенту не придется всю оставшуюся жизнь принимать препараты, подавляющие иммунитет, для того чтобы предотвратить отторжение пересаженного органа.

У пациента тяжелое заболевание крови? Из стволовых клеток пациента вырастут новые клетки крови… Ну, продолжать, наверное, нет смысла, поскольку и так все ясно.

Стволовые клетки есть у каждого из нас. Они сохраняются и функционируют во взрослом организме. Их достаточно для обеспечения нормальной жизнедеятельности, а вот с тяжелыми болезнями они без посторонней помощи, без добавочных стволовых клеток, справиться не в состоянии. К тому же, по мере старения организма, количество стволовых клеток в нем уменьшается, а риск развития различных заболеваний, наоборот, увеличивается.

Стволовые клетки обладают двумя свойствами, которые, на первый взгляд, противоречат друг другу. С одной стороны, стволовые клетки способны сохранять после деления свой фенотип в неизменном виде, а с другой – способны давать потомство в виде каких-то специализированных клеток (нейронов, мышечных клеток и т. д.). Вне организма полученные из бластоцисты стволовые клетки можно размножать сколько угодно, и они при этом будут оставаться стволовыми. Но после пересадки в определенное место организма стволовые клетки сразу же начнут «специализироваться» под воздействием особых факторов, которые на сегодняшний день изучены далеко не полностью. В медицине нередко случается так, метод отработан и с успехом применяется, но суть происходящего досконально еще не изучена. Например, пенициллин был открыт и внедрен в производство в первой половине ХХ века, а его действие на клетки бактерий было досконально изучено несколькими десятилетиями позже.

По методу генотерапию разделяют на фетальную[67], при которой генетический материал вводят в оплодотворенную яйцеклетку или в эмбрион на ранней стадии развития, и соматическую, при которой генетический материал вводят в определенные соматические клетки организма.

Фетальную генотерапию можно назвать общей, поскольку в этом случае введенный генетический материал попадает (или способен попасть) во все клетки организма-реципиента[68], в том числе и в половые клетки, с возможностью передачи следующему поколению. Соматическая генотерапия – это частная, местная генотерапия, при которой генетический материал вводится в отдельную группу клеток, в конкретный орган, и половым клеткам не передается.

Развитие генотерапии происходит по направлению от соматической к фетальной. Фетальная генотерапия более перспективная. Во-первых, начинать бороться с болезнью нужно как можно раньше. Во-вторых, фетальная генотерапия излечивает не только пациента, но и его будущее потомство, поскольку ген болезни устраняется также и из половых клеток и больше не может передаваться по наследству.

У любой медали, как известно, есть две стороны – хорошая и плохая. Методы, применяемые медицинскими генетиками, кроме показаний имеют противопоказания, а кроме терапевтического эффекта могут оказывать нежелательные побочные действия. Так, например, если терапевтическая рекомбинация генов проводится на участках, содержащих гены, способные вызвать развитие онкологических заболеваний, то попутно с получением направленной лечебной мутации существует риск запуска процесса неконтролируемого деления клеток. Как шутят медики: «Даже такое простое и безопасное “лекарство”, как вода, может вызывать опасное для жизни побочное действие – в ней можно утонуть».

Кстати говоря, если бы чужеродные гены могли бы усваиваться из желудочно-кишечного тракта и сами собой «вставляться» в нашу ДНК (а ведь именно об этом твердят борцы с продуктами, содержащими генетически модифицированные организмы), то жизнь медицинских генетиков была бы сплошным праздником. Дай пациенту пилюлю с определенным геном и жди результата! Согласитесь, что изготовить пилюлю с фрагментами ДНК гораздо проще метилирования ДНК в клетке или вызова направленной мутации при помощи «молекулярных ножниц».

В следующей главе мы поговорим о том, как нужно относиться к продуктам питания, полученным из генетически модифицированных организмов. А пока что попробуйте ответить вот на такой вопрос, который относится к теме одной из предыдущих глав (надо же проверить, насколько хорошо вы запоминаете прочитанное).

Какие группы крови возможны у детей, если у матери 1 группа, а у отца – 3 группа крови? Выберите правильные варианты из предложенных:

А. 1 и 2 группы.

Б. 2 и 3 группы.

В. 1 и 3 группы.

Г. 2 и 4 группы.

Слова «генетически модифицированные организмы» (сокращенно – ГМО) и «генетически модифицированные продукты» прочно вошли в нашу жизнь. Многим эти слова кажутся страшными. О наличии в составе того или иного продукта чего-то генетически модифицированного принято писать на наклеенной позади этикетке, причем мелкими буковками. Об отсутствии пишут на самом видном месте, большими, яркими, бросающимися в глаза буквами, нередко с восклицательным знаком: «Не содержит ГМО!».

Что такое генетически модифицированные организмы и чем именно опасен их прием в пищу, большинство людей не знает. Но незнание не мешает быть уверенными в том, что генетическая модификация – великое зло и от подобных продуктов здоровью один только вред. Якобы употребление в пищу генетически модифицированных продуктов приводит к возникновению различных заболеваний, от псориаза до диабета.

Логика у противников генетически модифицированных продуктов примерно такая: с генами шутки плохи, ведь изменения в генах вызывают различные отклонения от нормы, следовательно, если кукурузе для лучшего роста пересадили ген лосося, то этот чужеродный ген непременно нанесет вред здоровью того, кто эту кукурузу съест.

Ген условного лосося является для нас настолько же чужеродным, что и ген кукурузы. Да и вообще во всех продуктах питания содержатся исключительно чужеродные гены. Вся наша пища состоит из клеток, растительных или животных. Все клетки содержат молекулы ДНК. Вам не нравится сочетание генов кукурузы и лосося? А бутерброд из кукурузного хлеба, копченого лосося и рукколы вас не пугает? Один бутерброд – и три набора чужеродных генов! Про борщ, рассольник, салат-оливье или, скажем, плов лучше вообще не вспоминать: там этих чужеродных генов видимо-невидимо! Или вас пугает не чужеродность как таковая, а то, что геном продукта был направленно изменен? А мутации, которые происходят постоянно, вас не пугают? Это же то же самое изменение генома.

Если задаться целью исключить попадание в организм с пищей чужеродных генов, то можно докатиться до каннибализма, потому что придется питаться только себе подобными (как вы понимаете, это не рекомендация и не призыв к действию, а просто шутка и ничего кроме шутки).

Вы только представьте, что было бы, если бы гены продуктов питания встраивались бы в наш геном! Съел человек бутерброд с семгой – и вот уже у него волосы в колосья превратились, на шее прорезались жабры, а на спине – плавники. Ужас!

Но на самом деле принятые с пищей гены никуда не встраиваются. Во-первых, природа не предусмотрела такого механизма, а, во-вторых, молекулы ДНК перевариваются в желудочно-кишечном тракте вместе с белками, жирами и углеводами. Процесс пищеварения начинается уже во рту (слюна, если кто не знает, содержит пищеварительные ферменты) и последовательно проходит в желудке и тонкой кишке под действием различных пищеварительных ферментов. Сначала длинные молекулы ДНК разрываются на более короткие фрагменты, затем эти фрагменты «дробятся» на отдельные нуклеотиды…

«Вот-вот! – могут подумать сейчас некоторые читатели. – Эти нуклеотиды всасываются в кровь и могут послужить материалом для воссоздания чужеродного гена в наших собственных клетках!»

Не волнуйтесь, даже если бы в кровь из желудочно-кишечного тракта всасывались бы отдельные нуклеотиды, то из них в наших клетках не могло бы собраться ничего, кроме нашей собственной ДНК! В нашем организме нет другой «программы сборки», кроме своей природной. Вот если в наши клетки внедрятся какие-то вирусы, то тогда клетки нашего организма начнут синтезировать чужие нуклеиновые кислоты… Но у нас сейчас речь не об этом.

Кроме того, нуклеотиды целиком в кровь не всасываются. Они, в свою очередь, распадаются на азотистые основания, углеводный остаток (сахар – дезоксирибозу или рибозу) и фосфатный остаток. Но и на этом процесс переваривания не заканчивается. В конечном итоге из ДНК образуются вода, углекислый газ, соли фосфора, аммиак и мочевая кислота. Вне зависимости от строения конкретной молекулы ДНК конечные продукты будут одними и теми же. Так что даже в том случае, если вы не верите в безопасность модифицированных генов для здоровья и считаете, что истинные знания о них скрываются в результате мирового заговора производителей, то поверьте хотя бы в то, что любая молекула ДНК или РНК в процессе пищеварения распадается до простых веществ: воды, углекислого газа, солей фосфора, аммиака и мочевой кислоты. Часть воды и фосфора используется нашим организмом в процессе обмена веществ, а то, что использовать невозможно (углекислый газ, аммиак, мочевая кислота), выводится из организма.

«Ведь, если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно? – спрашивал Владимир Маяковский. – Значит, кто-то хочет, чтобы они были?[69]».

Разумеется, нужно. Дыма, как известно, без огня не бывает, особенно такого густого. С момента появления на рынке первых генетически модифицированных продуктов питания против них была начата активная очернительская кампания, основанная на заведомо ложных представлениях. Дело в том, что генная инженерия – удовольствие не из дешевых. Наукоемкие технологии всегда стоят дорого и доступны они лишь крупным компаниям, мелкие хозяйства себе такой роскоши позволить не могут. Разумеется, все затраты окупаются. Генетически модифицированные продукты более конкурентоспособны на рынке за счет низкой цены и хорошего качества. Да-да, и качества тоже, потому что очень часто генетическое модифицирование повышает не только урожайность, но и потребительские свойства продукта.

Мелкие хозяйства не могут конкурировать с крупными структурами напрямую, снижая цены и повышая качество продукции. У мелких хозяйств нет возможности использовать достижения генной инженерии. Но зато они могут постоянно говорить о мнимом вреде продуктов, содержащих ГМО, и противопоставлять недорогой генетически модифицированной продукции свою, более дорогую, но зато якобы очень полезную. «Полезная продукция от мелкого фермерского хозяйства» – это модно и производит впечатление. При этом какой-нибудь «суперполезный» (и дорогой) хлеб запросто может выпекаться из генетически модифицированной пшеницы или ржи. Рынок есть рынок, и выгода – его главный закон.

Не бойтесь генетически модифицированных продуктов. Нечего их бояться, поскольку с точки зрения едока они ничем не отличаются от немодифицированных продуктов.

Одним из наиболее полных исследований, посвященных воздействию генетически модифицированных кормовых растений на организм животных, стал мета-анализ[70] 2014 года «Распространенность и влияние генетически модифицированных кормов на популяции домашнего скота[71]», проведенный исследователями из Калифорнийского университета в Дейвисе. Были использованы данные, полученные с 1983 года, когда генетическое модифицирование сельскохозяйственных культур еще не производилось, до 2011 года. В общей сложности было охвачено более 100 миллиардов животных, от цыплят и рыб до коров, питавшихся как немодифицированными, так и модифицированными растениями. Никакой разницы в состоянии здоровья животных из двух групп обнаружено не было. Также не было выявлено следов генетически модифицированных компонентов в мясе, молоке и яйцах.

Вот вам вопрос, точнее даже – задача. В наше время легко можно встретить генетически модифицированные сорта пшеницы, кукурузы или сои, а вот генетически модифицированные яблоки или груши вы вряд ли найдете. Дайте, пожалуйста, объяснение этому феномену. Возможно, вам придется вспомнить курс ботаники.

Словом «дактилоскопия», переводящимся как «осмотр пальцев», называют способ опознания (идентификации) человека по следам пальцев рук, по отпечаткам, которые кончики пальцев оставляют на твердых предметах. Термин «генетическая дактилоскопия» в этом свете звучит немного странно, потому что методы биологической идентификации организмов, основанные на основе уникальности ДНК-кода (последовательности нуклеотидов ДНК) каждого живого существа, с пальцами ничего общего не имеют. Правильнее говорить «генетическая идентификация» или «геномная идентификация», а не «генетическая дактилоскопия», но, тем не менее, этот термин прочно вошел в обиход и широко используется.

Если вы сейчас вспомнили, что ДНК разных людей различается в среднем одним нуклеотидом из тысячи, то можете удивиться – неужели разницы в 0,1 % достаточно для достоверной идентификации? Представьте – вполне достаточно. И работать с ДНК удобнее, чем с отпечатками пальцев. И ошибок никогда не бывает, потому что генетический код человека строго индивидуален! А с отпечатками пальцев не все так просто. Несмотря на широкое практическое использование дактилоскопии, ее достоверность не подвергалась серьезной научной оценке. Иначе говоря, предположение о неповторимости отпечатков пальцев не имеет веского научного обоснования. По умолчанию достоверность дактилоскопии принимается за стопроцентную, однако есть заслуживающие внимания научные данные, согласно которым на самом деле она составляет около 98 %.

Самым распространенным в быту методом генетической дактилоскопии является установление отцовства по ДНК. Поскольку о ДНК-тестировании для установления отцовства говорят часто, а об установлении материнства вспоминают редко, у людей, незнакомых с основами генетики, может сложиться неверное мнение о том, что генетики могут устанавливать только отцовство. Нет, они точно так же могут устанавливать материнство, просто потребность в этом возникает реже, например, при подозрении на то, что ребенка могли спутать с другим в роддоме.

Единичное совпадение ДНК не является подтверждением биологического родства. По данным разных статистических исследований, для достоверного подтверждения родства требуется выявление не менее девяти-четырнадцати совпадений ДНК. Поскольку значительная часть нашей ДНК практически одинакова, генетики не анализируют молекулы ДНК полностью, поскольку это очень долго и очень дорого. Обычно внимание исследователей сосредотачивается на небольших участках, которые различаются у разных людей. Эти «изменчивые» участки ДНК называются короткими тандемными повторами и обозначаются аббревиатурой STR, образованной от их английского названия «short tandem repeat». Тандемные повторы называются короткими, поскольку состоят из малого количества нуклеотидов… Сколько их там, по-вашему? Тысяча? Пятьсот? Нет, не более шестнадцати нуклеотидов, составляющих восемь пар (не забываем, что молекулы ДНК двухцепочечные).

Короткие тандемные повторы можно использовать в качестве генетических маркеров, позволяющих различать ДНК разных людей. У родственников они могут совпадать, но только частично и никогда полностью. Обычно используется 16 таких маркеров и один маркер, связанный с половой принадлежностью. Для удобства их записывают с помощью цифр. Таким образом, генетический профиль, или генетический паспорт человека, представляет собой набор определенных цифровых сочетаний. Преимущество генетического паспорта как идентификатора личности заключается в том, что в течение жизни человека его ДНК не меняется, в отличие от внешнего вида. Поэтому такой паспорт получается один раз на всю жизнь. Рано или поздно человечество пе-рейдет от обычных паспортов к генетическим.

По желанию свой генетический паспорт можно заказать уже сейчас. Генетический паспорт позволяет решать множество задач, а не только идентифицировать личность. Например, в наследственных делах часто приходится собирать много документов и искать свидетелей для того, чтобы подтвердить факт своего родства с наследодателем. При наличии генетических паспортов наследодателя и претендента на наследство установление родства производится путем простого сравнения данных. Документы можно подделать, свидетелей можно подкупить, а с ДНК такие фокусы не проходят. Также генетический паспорт позволяет делать выводы о состоянии здоровья его обладателя, о предрасположенности к определенным болезням и о носительстве генов, способных вызывать наследственные заболевания. Короче говоря, генетический паспорт – это очень полезный документ, защищенный от подделок самой природой.

Для исследования ДНК годится любой биологический материал (слюна, кровь, волосы, ногти и т. д.), ведь ДНК содержится в каждой клетке организма. Но чаще всего (вы, наверное, видели это в кино) в качестве образца выступают эпителиальные клетки ротовой полости, а именно – внутренней поверхности щек. Провел ватным тампоном – и можешь начинать исследование. Получение образца технически просто, занимает пару секунд и не причиняет никаких болезненных ощущений.

Как именно определяется идентичность двух молекул ДНК? При помощи метода гибридизации нуклеиновых кислот, о котором мы говорили выше. Метод не столько сложный, сколько длительный, поэтому идентификация ДНК обычно растягивается на несколько дней.

Можно установить родство не только с живым человеком, но и с умершим, при условии, что его тело не было кремировано. Но очень часто для установления родства с умершим человеком эксгумации его останков не требуется. Если достоверно известен хотя бы один живой кровный родственник умершего, то материал для генетического исследования можно взять у него. С исследованием придется повозиться чуть дольше, но результат все равно будет точным от 99,9999 до 100 %. С «девяностодевятипроцентной» уверенностью обычно подтверждается наличие родства, а со стопроцентной уверенностью оно отрицается. Если в результате исследования говорится «вероятность отцовства составляет 99,9999995 %», то можно не сомневаться – ответ положительный. Четыре и больше девяток после запятой в переводе со статистического на обычный язык означают «однозначно да!».

Из любых сохранившихся останков, вне зависимости от их давности, можно выделить пригодные для исследований молекулы ДНК или их фрагменты. Главное, чтобы сохранилось в нераспавшемся виде хотя бы несколько клеток (семи или восьми будет достаточно), неважно какого типа. Изначально генетики могли извлекать ДНК только из свежих образцов биологического материала, причем материала должно было быть много (например, не менее миллилитра слюны или крови), но сейчас ДНК можно извлечь и из любого структурированного, то есть сохранившего свою структуру, биологического материала возрастом не старше полутора миллионов лет!

Нет, вы только подумайте – возрастом до полутора миллионов лет! В качестве материала годится все: и мумия фараона, и осколок кости неандертальца, и шерсть мамонта. Разумеется, за столь долгий период молекулы ДНК могут распасться на отдельные фрагменты и смешаться с ДНК микроорганизмов. Может произойти химическая модификация каких-то фрагментов молекулы… Время делает свое дело, и с этим ничего поделать невозможно. Но можно восстановить молекулу или фрагмент, очистить от примесей, «растиражировать» и исследовать.

К слову – об отпечатках пальцев. Эти отпечатки представляют собой следы кожного сала и пота, выделяемых железами, находящимися в коже. Из этих следов тоже можно выделить ДНК, так что термин «генетическая дактилоскопия» не такой уж и неправильный. А какую информацию нам в первую очередь дает ДНК? Информацию о поле ее обладателя! А более детальное исследование ДНК может дать определенное представление о внешности (цвет волос, цвет глаз, цвет кожи и др.). Некоторые маркеры могут указать на биогеографическое происхождение человека, правда, довольно расплывчато – на уровне расы и «родного» континента. Но генетика идет вперед семимильными шагами, скорее даже не идет, а бежит, так что возможности ее расширяются с каждым днем. А по липидному[72] составу потожировых веществ (правда, это уже не генетическое, а сугубо биохимическое исследование) можно с высокой точностью определить возраст лица, оставившего след. Прикоснулся пальцем к какой-то твердой поверхности – считай, что оставил на ней свою фотографию!

Образец генетического паспорта человека

Кстати говоря, в нашей стране с 2009 года действует закон «О государственной геномной регистрации в Российской Федерации», согласно которому процедуру регистрации в обязательном порядке проходят лица, осужденные за тяжкие и особо тяжкие преступления. Их генотипы хранятся в базе данных МВД. Туда же помещаются данные ДНК неустановленных лиц, полученные следствием с места преступления. А первая отечественная криминологическая молекулярно-генетическая экспертиза была выполнена в 1988 году в Институте молекулярной биологии имени В. А. Энгельгардта Академии наук СССР. Благодаря этому исследованию удалось разоблачить серийного убийцу, действовавшего в Ивановской области.

Генетическая дактилоскопия применяется и у растений. Как вы думаете, с какой целью это делается? Ответ на этот вопрос будет дан в конце главы.

Анализом древней ДНК занимается палеонтологическая генетика, или, сокращенно, палеогенетика. Информация при этом добывается бесценная, такая, которую никаким другим путем получить невозможно. Так, например, анализ ДНК позволил с большой точностью определить миграционные пути древних людей при освоении ими различных континентов или дал ответ на вопрос о том, как именно развивалась человеческая цивилизация – путем обмена информацией (а заодно и генами) между популяциями или сменой одних популяций другими[73].

Вы хотите чего-то большего? Получайте!

Выявление гена, ответственного за развитие речи у неандертальцев[74], неопровержимо свидетельствует о том, что они могли членораздельно разговаривать. Может, и не так бойко, как мы с вами, но членораздельно. А ведь когда-то считалось, что членораздельная речь появилась только у наших прямых предков, причем уже после того, как исчезли неандертальцы.

Сопоставляя древние геномы, палеогенетики восстанавливают ход эволюции, определяя время появления тех или иных признаков у наших предков, а заодно делают выводы о том, чем болели древние люди. По следам пищи на зубах, которые, благодаря своему строению, сохраняются лучше костей скелета, можно судить о том, чем питались древние люди.

Вот вам вопрос на сообразительность: а можно ли по «пищевой» ДНК сделать вывод о том, когда именно люди начали использовать огонь для приготовления пищи?

Нет, нельзя. Высокие температуры могут «разрушить» молекулу ДНК, но они не способны изменить ее структуру, не способны изменить последовательность нуклеотидов в молекуле. А отталкиваться от «разрушенных» молекул ДНК тоже нельзя, поскольку нельзя с точностью судить о том, что послужило причиной этого – нагревание до высоких температур или время.

Сейчас ученые работают над реконструкцией профиля экспрессии генов наших далеких предков.

Ничего не понятно? Сейчас исправим это!

Профилем экспрессии гена называют содержание транскриптов данного гена[75] в различных (разнотипных) клетках организма или в одних и тех же клетках при разных условиях. Профиль экспрессии гена выражает степень его проявления, его востребованность, то есть интенсивность считывания информации. Все логично: чем больше образуется РНК-матриц, тем активнее использовался ген, тем выше была его экспрессия.

Оценка профилей экспрессии различных генов позволяет сделать выводы о функции тех или иных клеток, точнее, о том, насколько активно они функционировали. Нет, вы только представьте: по останкам, возраст которых перешагнул за миллион лет, можно будет делать обоснованные выводы относительно того, как именно функционировали отдельные органы и системы наших далеких предков. В частности, и о том, как функционировал мозг и насколько была развита высшая нервная деятельность.

Вот один «живой» пример из палеогенетики, наглядно демонстрирующий могущество этой юной науки.

В генотипе большинства представителей европеоидной расы присутствует ген, на протяжении всей жизни кодирующий синтез лактазы – фермента, расщепляющего молочный сахар – лактозу. Этот ген представляет собой мутацию изначального гена, обеспечивающего синтез лактозы только в первые три года жизни, когда ребенок питается материнским молоком. Мутантный ген позволяет тем, кто им обладает, без помех усваивать молоко и молочные продукты в течение всей жизни. К слову будет сказано, что у китайцев, традиционно полностью игнорирующих все молочные продукты, такого гена нет. Именно по этой причине китайские туристы за пределами своей родины стараются избегать местных заведений общепита и упорно ищут китайские рестораны. Не национального снобизма ради (наше, мол, самое вкусное), а вынужденно. В китайском заведении вам никогда жареное мясо тертым сыром не посыплют и пельмени-баоцзы сметаной не польют.

Так вот, исследуя ДНК наших предков, ученые установили, что мутантный лактозосинтезирующий ген появился около четырех тысяч лет назад, иначе говоря, человек начал пить молоко далеко не сразу же после того, как обзавелся домашним скотом. Для справки: считается, что туры, муфлоны и дикие козы были одомашнены около десяти тысяч лет назад. Выходит, что шесть тысяч лет, долгих шесть тысяч лет наши далекие предки не знали вкуса молока и творога, не делали пармезанов и камамберов, не лакомились мороженым, не жарили ничего на сливочном масле и не пили кефира! Домашний скот служил поставщиком только мяса, шерсти и шкур.

А теперь давайте вернемся к генетической дактилоскопии и посмотрим, как она может применяться в «исторических» целях.

В двадцатые годы прошлого века в Европе обнаружилась девушка, называвшая себя великой княжной Анастасией Романовой, чудом выжившая после расстрела семьи последнего русского императора в Екатеринбурге в ночь с 16 на 17 июля 1918 года. Почти все представители династии Романовых, а также люди, знакомые с императорской семьей, утверждали, что Анастасия – самозванка, но великая княгиня Ксения Георгиевна, внучка Николая Первого, заявила, что Анастасия – не самозванка, а настоящая великая княжна. Также признали Анастасию сын и дочь последнего лейб-медика императорского двора Евгения Боткина, расстрелянного вместе с царской семьей. Их свидетельство в пользу Анастасии заслуживало внимания, поскольку они выросли в Царском Селе и хорошо знали дочерей императора Николая Второго. Общественность, далекая от российских императорских реалий, в большинстве своем верила Анастасии, ведь спасшаяся от гибели юная девушка – это так трогательно… Анастасия Романова стала одной из великих загадок ХХ века. История спасшейся Анастасии легла в основу нескольких фильмов, в том числе одного мультипликационного, и множества романов.

«Анастасия» (кавычки неслучайны, потому что она все же была самозванкой) умерла в 1984 году. В 1991 году были обнаружены и эксгумированы останки императорской семьи, после чего было проведено сравнение митохондриальной ДНК останков с образцами, взятыми у принца Филиппа, герцога Эдинбургского, чья бабушка по матери, принцесса Виктория Гессен-Дармштадтская, являлась родной сестрой императрицы Александры Федоровны.

Митохондриальной ДНК, а не ядерной, обратите внимание! Если для исследования невозможно получить достаточное количество ядерной ДНК, что бывает при выраженной деградации образцов, то можно сравнить митохондриальную ДНК, молекул которой в клетках всегда больше, чем молекул ядерной ДНК[76]. Молекулы митохондриальной ДНК меньше молекул ядерной ДНК, но столь же индивидуальны и пригодны для исследования в тех случаях, когда…

Попробуйте закончить эту фразу самостоятельно.

Разумеется, в тех случаях, когда речь идет о родстве по материнской линии, ведь митохондриальную ДНК все мы получаем только от матерей!

Вы можете удивиться тому, что ученые могут выделять ядерную ДНК из фрагмента кости, которому более миллиона лет, а из останков, которым еще и ста лет нет, они вдруг не смогли ее выделить. Ничего удивительного. Все дело в условиях хранения. В одних условиях, например, в вечной мерзлоте, образец и два миллиона лет будет сохранять ядерную ДНК, а в других (например, в сырости) за десять-пятнадцать лет ничегошеньки не останется. Такие вот дела.

Исследование митохондриальной ДНК помогло опознать императрицу Александру Федоровну и троих ее дочерей, но не Анастасию. Версия о чудесном спасении великой княжны «воскресла» в очередной раз. Для того чтобы поставить точку, «романовскую», а если точнее, то «гессен-дармштадтскую», митохондриальную ДНК сравнили с той, что была получена из препарата крови «Анастасии», сохранившегося в госпитале, где она лечилась в последние годы жизни.

И что же?

Никакого совпадения между образцами обнаружено не было. Чудом спасшаяся великая княжна на самом деле оказалась самозванкой. Без исследования ДНК вопрос о ее происхождении решить бы не удалось.

Когда генетики в шутку говорят, что ДНК содержит ответ на все возможные вопросы, они почти не шутят. Так оно и есть.

ОТВЕТ НА ВОПРОС. Генетическая идентификация различных линий и сортов культурных растений используется с целью защиты авторских прав селекционеров и предотвращения нелегального (пиратского) распространения запатентованного селекционного материала.

Раздел биологии, изучающий наследование врожденных форм поведения человека, называется генетикой поведения, или психогенетикой. Можно сказать иначе: психогенетикой, или генетикой поведения, называют раздел генетики, изучающий наследственность и изменчивость психологических свойств. А психологи скажут, что психогенетикой называют раздел психологии, изучающий наследственность и изменчивость психологических свойств. Психогенетика – это «пограничная» наука, которой занимаются и генетики, и психологи. Аналогичная наука, предметом изучения которой являются животные, называется зоопсихологией (это к сведению, чтобы не путаться), но, в отличие от этологии, предметом генетики поведения являются не столько эволюционные аспекты, сколько вариации наследуемого поведения в пределах конкретных видов и собственно явление наследования поведения.

В быту часто можно услышать нечто вроде: «он такой же вспыльчивый, как и его отец» или же «он такой флегматичный, весь в родителей». На самом деле черты характера не наследуются напрямую, так, во всяком случае, принято считать сегодня. Наследуются физиологические и морфологические, то есть структурные характеристики нервной системы, такие как возбудимость или, скажем, лабильность[77]. Грубо говоря, по наследству передается предрасположенность к формированию тех или иных черт характера, а то, что характеры детей часто схожи с характерами родителей, объясняется уже не с генетической, а с психологической точки зрения. Если дети воспитываются в семье, то они, пусть даже и неосознанно, будут брать пример с родителей.

В чем разница между психологами и генетиками, занимающимися генетикой поведения?

Спросите, что в большей степени влияет на психическое развитие – наследственность или среда? И по ответу вы сразу же поймете, кто перед вами, генетик или психолог. Генетик ответит: «Конечно же наследственность!», а психолог: «Однозначно среда!»

Собственно, для ответа на этот вопрос и была создана психогенетика.

Возможности психогенетики, с одной стороны, широки, поскольку эта наука объединяет возможности психологии и генетики, а с другой стороны, ограничены, поскольку достоверно изучать можно только те психические, точнее – психофизические свойства человека, которые могут быть четко оценены по ряду критериев.

Хорошими или плохими характерами, а также балансом добра и зла в человеке могут заниматься только писатели. «Преступление и наказание» или «Странная история доктора Джекила и мистера Хайда» читаются с интересом и располагают к размышлениям. Но ученым нужны четко определенные критерии.

Вопрос передачи личностных качеств заботит человечество с древнейших времен. Почему вдруг от отца, обладающего высокими моральными качествами и глубоким умом, рождается недалекий сын с явными преступными наклонностями? Или наоборот?

Сходство внешних черт у отцов и детей в какой-то мере всегда присутствует, а вот характеры могут диаметрально разниться. Можно, конечно, списать все на влияние окружающей среды, как это делалось, к примеру, в Советском Союзе, где все человеческие качества объяснялись общественными факторами: в буржуазном обществе, где распространено угнетение человека человеком, преступность неуклонно растет, а в социалистическом раю она столь же неуклонно уменьшается… И так далее. Но при всем значении окружающей среды в формировании личности человека списывать все-все-все на среду нельзя. Наследственность тоже имеет значение. Лучше даже сказать так: наследственность всегда имеет значение.

В наше время психогенетики занимаются изучением наследования и изменчивости девиантных форм поведения, психических болезней и типов темперамента. Также они занимаются изучением мозговой активности, но это не столько психология, сколько физиология. Оговорка «в наше время» не случайна. Генетика бурно развивается, психология тоже не стоит на месте, и потому никто не может предугадать сферу действия психогенетики хотя бы во второй половине ХХI века.

Девиантным, или отклоняющимся, поведением называется устойчивое поведение личности, отклоняющееся от общепринятых, наиболее распространенных и устоявшихся общественных норм. Обратите внимание на слово «устойчивое». Однократный хулиганский поступок нельзя считать проявлением девиантного поведения.

Девиантное поведение может проявляться не только в плохих антиобщественных поступках, то есть может быть не только негативным, но и позитивным, положительным. Наиболее ярким примером позитивного девиантного поведения является героизм. Героем может быть далеко не каждый, и вообще общественные установки не требуют (и не могут требовать) обязательного героизма от всех членов общества. С психологической, да и с социальной точек зрения героизм является отклонением от нормы, положительным отклонением.

Темперамент, представьте, тоже можно изучать как совокупность индивидуальных особенностей человека, определяющих динамику его поведения и динамику его психических процессов. То, что свойства темперамента в значительной мере зависят от генотипа, было доказано еще в середине ХХ века.

С девиантным поведением и психическими болезнями все более-менее ясно: есть определенные критерии и симптомы, по которым можно судить о наличии отклонения в поведении или о наличии заболевания, а также о степени выраженности этих процессов. Но как обстоят дела с интеллектом? Существует ли ген таланта и в какой он хромосоме находится? И прав ли был тот, кто первым сказал, что на детях гениев природа отдыхает? А что происходит с внуками гениев?

С интеллектом все очень сложно. А с талантом еще сложнее. С одной стороны, определенные наследственные предпосылки для развития личности существуют, и это давно уже никто не оспаривает. В определенной мере умственные способности наследуются, точно так же как наследуется физическое строение. Но сама по себе способность головного мозга к быстрой обработке полученных сигналов еще не делает человека ни гением, ни даже обладателем развитого интеллекта. Образно наследственную предрасположенность к высокому интеллекту можно сравнить с куском глины, из которого окружающая среда вылепляет скульптуру. И какой эта скульптура выйдет, неизвестно.

Вопрос о соотношении наследственных и средовых факторов в формировании интеллекта – это условное «болото» современной психогенетики. Стоит только ступить в него – и увязнешь навсегда. Одни ученые утверждают, что семьдесят процентов интеллекта обеспечивает наследственность, а окружающая среда – только тридцать процентов. Другие отдают генам двадцать процентов, а остальное списывают на среду. А ведь еще надо учитывать такой крайне расплывчатый, практически не поддающийся четкой оценке фактор, как наличие мотивации и степень ее выраженности. Короче говоря, с интеллектом, талантом и мотивацией психогенетикам еще предстоит работать и работать.

Давайте посмотрим, как работают психогенетики, какие методы они используют.

Непосвященным воображение рисует фантастические аппараты, чем-то похожие на полиграф, в быту именуемый «детектором лжи», и множество хитрых тестов…

Нет, все совсем не так! Это же все-таки раздел генетики, хотя и на стыке с психологией.

Самым любимым и одним из самых информативных методов психогенетики является метод близнецов.

Близнецы, как однояйцевые монозиготные, так и двуяйцевые дизиготные, представляют собой идеальную систему для изучения взаимодействия наследственности и окружающей среды. Однояйцевые близнецы имеют одинаковый генотип, и потому все психофизиологические различия между ними можно расценивать как проявление влияния окружающей среды. Особенно информативно исследование однояйцевых близнецов, воспитывающихся в разных условиях (в разных семьях). Двуяйцевые близнецы имеют во многом схожие, но в чем-то и различающиеся генотипы. Если такие близнецы воспитываются в одной и той же среде, то психофизиологические различия между ними можно объяснить разной наследственностью. Также очень интересно наблюдать за развитием однояйцевых и двуяйцевых близнецов, имеющих схожую среду воспитания. Можно сказать, что близнецовая пара – это подарок для психогенетиков.

«Обратным» близнецовому является метод приемных детей, позволяющий одним выстрелом убить двух зайцев: оценить сходство и различие по ряду психологических признаков между ребенком и его биологическими родителями с одной стороны и между ребенком и его приемными родителями с другой. Разумеется, для этого нужен полный спектр информации о биологических и приемных родителях. В этом обстоятельстве заключается относительная труднодоступность данного метода, поскольку в большинстве стран существует такое понятие, как законодательно охраняемая тайна усыновления.

Еще одним методом психогенетики является генеалогический метод, исследующий психологические сходства и различия между разными поколениями родственников. Метод хороший, информативный, но сложность его применения заключается в подборе материала – семьи, подходящей по двум основополагающим критериям. Чтобы генеалогический метод работал, круг кровных родственников должен быть достаточно широким, количество поколений большим, а сведения об анализируемых признаках точными. Идеально для этих целей подходят королевские семьи с их далеко прослеживаемой родословной и множеством биографов из числа современников, норовящих описать буквально каждый чих царственной особы.

Великая проблема психогенетики (можно сказать, даже не проблема, а просто беда) заключается в том, что объектом исследований в ней может выступать только человек. Горошек, дрозофила, мышь и кролик психогенетику не помощники. А с людьми дело обстоит очень непросто. Взять хотя бы только что рассмотренный генеалогический метод. У него есть такой «подводный камень», как социальная преемственность, то есть передача социального опыта из поколения в поколение в рамках одной семьи или одной социальной группы. Социальная преемственность – это фактор-«невидимка». Она есть, она имеет значение, но очень трудно точно оценить ее выраженность и степень влияния на конкретного человека.

Без популяционного метода не обходится ни один раздел генетики. Психогенетика широко использует этот метод, пытаясь выжать из него все, что он может дать. Психогенетикам приходится трудно, ведь они имеют дело с человеческими популяциями, в работе с которыми следует учитывать множество социальных факторов: национальность, вероисповедование, уровень образованности и др. И все эти факторы имеют значение. Вот вам простой пример. Люди, живущие на обособленном острове и практически не контактирующие с внешним миром, представляют одну отдельную человеческую популяцию, верно? Но одну ли? А что, если на острове живут два враждующих племени, строгие законы которых допускают только один способ общения с иноплеменниками – убить и съесть? При полном отсутствии скрещивания между представителями двух островных племен остров нельзя считать одной популяцией! Точно так же, как и в том случае, если на острове проживают представители двух религиозных конфессий, категорически запрещающих половые контакты с иноверцами. Две популяции получаются, а не одна! И это был очень простой пример. С зайцами или медведями все гораздо проще.

У психогенетики есть свои условные «парадоксы». Самый главный из них гласит, что внутригрупповые различия всегда будут выражены сильнее, нежели межгрупповые. Казалось бы, все должно быть наоборот, но не все, что кажется, является реальным. Вот вам вопрос. Можете привести самый простой и наглядный пример, подтверждающий, что внутригрупповые различия сильнее межгрупповых? Ответ вы найдете в конце этой главы, до которого осталось совсем немного.

Кто-то из читателей сейчас может подумать: «А зачем вообще нужна психогенетика? Какой от нее прок?»

На этот вопрос можно ответить другим вопросом: «Знаете ли вы, в чем заключается Великая цель генетики?» Она заключается в том, чтобы еще в периоде внутриутробного развития человека получить исчерпывающую информацию о его наследственности и принять меры для устранения (предотвратить развитие) нежелательных признаков и всячески способствовать развитию желательных. Очень важно при этом иметь полное представление о психологическом профиле личности. И вообще знайте, что бесполезных наук не существует, бесполезными бывают только лженауки.

Обычно изучение наук организуется по принципу «от простого к сложному». Но мы с вами сейчас продвинулись от сложного, которое мы уже изучили, к невероятному – к генетике вирусов, этих «организмов» на краю жизни.

Вы уже знаете, что у вирусов все не так, как у нормальных живых организмов, начиная с предельно простейшего строения и заканчивая одноцепочечными молекулами ДНК и двухцепочечными молекулами РНК. Но вы пока еще не представляете, насколько у них все «не так».

С точки зрения биологии вирусы представляют собой неклеточную форму жизни. Можно уточнить, что все вирусы являются внутриклеточными паразитами.

С точки зрения биохимии вирусы представляют собой комплексы нуклеиновых кислот с белками (вирусные ДНК или РНК упакованы в белковые оболочки).

С точки зрения медицины, вирусы рассматриваются как инфекционные агенты, способные вызывать инфекционные заболевания.

А как, по-вашему, рассматривает вирусы генетика?

Как мобильные генетические элементы. Как наследственную информацию, способную перемещаться в пространстве. А инфекционные заболевания генетика рассматривает как конфликт генетических программ вируса и его хозяина, как войну генов. Вирусы-интервенты стремятся переключить все доступные им клетки на воспроизводство вирусных нуклеиновых кислот и белков, а организм этому активно сопротивляется, отстаивая свой законный суверенитет.

В отличие от клеток, вирионы[78] вирусов содержат только один вид нуклеиновой кислоты – ДНК или РНК. Эта нуклеиновая кислота представляет собой геном вируса, хранящий его наследственную информацию. Обратите внимание на слово «вирионы». В клетке вирус существует в виде РНК-матриц, созданных на базе его геномной нуклеиновой кислоты, которые используются клеткой (клеткой!) для воспроизводства вируса.

Сложно?

Давайте упростим.

Вирус достиг клетки и прикрепился к наружной части ее мембраны при помощи своих рецепторов, которые соединились с рецепторами мембраны. Образно говоря, вирус протягивает клетке руку-рецептор, а клетка ее «пожимает» своим рецептором. В момент этого условного рукопожатия коварный вирус ударяет клетку ножом под ребро – внедряет в клетку свою нуклеиновую кислоту. Та сразу же направляется в Центр управления клетки (в клеточное ядро, если оно у клетки есть или просто находится в цитоплазме) и начинает отдавать распоряжения клеточным структурам: «Эй, вы! Бросайте ваши дела! Сейчас я скажу вам, что вы должны делать! Вот вам новые матрицы!»

Интересная деталь: одни вирусы используют свою геномную РНК для синтеза матричных РНК, а другие сначала синтезируют ДНК на матрице геномной РНК с помощью фермента, называемого обратной транскриптазой, а уже затем на матрице молекулы ДНК синтезируется матричная РНК. Процесс образования ДНК на основании информации, содержащейся в РНК, называется обратной транскрипцией. Обратной, поскольку передача генетической информации в этом случае происходит в условно-обратном направлении, не от ДНК к РНК, а от РНК к ДНК.

Мы совсем чуть-чуть углубились в мир вирусов, а уже встретили столько явлений, противоречащих классическим основам генетики! Одноцепочечная ДНК и двухцепочечная РНК! РНК как носитель наследственной информации! И это еще не все.

Представители семейства гепаднавирусов, вызывающих заболевания печени у человека и животных, копируют свою ДНК не обычным образом, а «шиворот-навыворот», с образованием промежуточной РНК-матрицы.

Когда двухцепочечная вирусная ДНК проникает в клеточное ядро, на ее матрице образуются три РНК-матрицы для синтеза белков и одна прегеномная РНК, которая служит матрицей для синтеза одной из цепей вирусной ДНК. Зачем гепаднавирусам нужно копировать свою ДНК столь сложным образом, науке пока еще неизвестно. Известно лишь, что ни у какого другого семейства ДНК-вирусов, кроме паразитирующих в клетках растений колимовирусов[79], такого причудливого механизма копирования генетического досье нет. В этом отношении гепаднавирусы и колимовирусы – настоящие уникумы.

Явление обратной транскрипции послужило толчком к созданию гипотезы о существовании примерно 4 миллиарда лет назад так называемого «мира РНК», обитатели которого хранили свою наследственную информацию в молекулах РНК. Впоследствии была создана ДНК, сначала служившая промежуточным средством передачи генетической информации, а затем ставшая альтернативным средством ее хранения. Иначе говоря, наследственность на нашей планете началась с РНК! А что? Вполне возможно.

Напрашивается вопрос: зачем понадобилось заменять РНК на ДНК? Какой в этом эволюционный смысл?

Наиболее распространенная версия объясняет замену большей химической устойчивостью молекул ДНК и ее способностью к более точной репарации. Этому есть научное подтверждение, но мы с вами в дебри биохимии углубляться не станем, потому что без необходимой подготовки сразу же там увязнем.

Где появилась ДНК – в вирусах или в клетках? До конца неясно, но большинство ученых склоняются к тому, что ДНК появилась в вирусах и затем была передана клеткам. Клетки могли захватить и присвоить вирусную ДНК, или же в клетку мог внедриться ДНК-содержащий вирус или вирусоподобный агент, который не убил клетку, а только «перестроил» ее геном с РНК на ДНК.

А как и от кого произошли сами вирусы?

На этот вопрос есть три ответа, которые являются гипотезами, то есть носят предположительный характер.

Согласно первой гипотезе, вирусы являются потомками неких древнейших доклеточных форм жизни, перешедших к паразитическому способу существования. Что это за древнейшие формы жизни, никто не знает и даже предположить не берется.

Вторая гипотеза рассматривает вирусы как клеточные структуры, которые обособились от клетки, но при этом полной самостоятельности достичь не смогли и способны размножаться только внутри клетки. На сегодняшний день эта гипотеза имеет наибольшее число сторонников.

А вот у третьей гипотезы, согласно которой вирусы являются следствием деградации одноклеточных организмов, сейчас сторонников практически нет. Да, эволюция может быть не только прогрессивной, но и регрессивной, приводящей к упрощению строения живых организмов. Подобное наблюдается у ряда паразитов, например у кишечных червей, которые предельно «упростились» после того, как перешли к паразитизму. Но проводить аналогию между вирусами и кишечными червями на основании их паразитического образа существования не совсем правильно. Эволюционная логика объясняет, почему деградировали черви, но не помогает понять, почему это могло случиться с бактериями или другими одноклеточными организмами.

По своей химической природе геном вируса полностью идентичен геномам клеток, иначе бы вирус не смог бы «переключать» клеточные структуры на копирование своей нуклеиновой кислоты. Геном вируса отличается от клеточного только размерами. В сравнении с клеточным вирусный геном не просто мал, а ничтожно мал, он меньше примерно в десять тысяч раз. Вирусы не могут позволить себе такой «роскоши», как повторяющиеся некодирующие фрагменты в геноме, потому что «разросшаяся» молекула нуклеиновой кислоты не сможет поместиться в «стандартный» капсид. Поэтому вирусы регулярно очищают свои геномы от условного мусора при помощи ферментов-рестриктаз, вырезающих ненужные фрагменты молекул нуклеиновых кислот.

РНК-содержащие вирусы отличаются от ДНК-содержащих тем, что размножение первых, за небольшим исключением, происходит в цитоплазме, а размножение вторых – в клеточном ядре. Обратите внимание на то, что в цитоплазме происходит репликация вирусной РНК, то есть ее самокопирование, подобное репликации молекул ДНК. А вирусная ДНК в ядре клетки подвергается транскрипции, то есть на ее матрице образуются вирусные РНК-матрицы, которые затем выходят в цитоплазму. Репликация геномной РНК вируса, которая, по сути, представляет собой универсальную матрицу, кодирующую все необходимое вирусу, проще транскрипции геномной ДНК вируса в ядре с последующим использованием РНК-матриц в цитоплазме, но такое «неудобство» компенсируется большей защищенностью наследственной информации, хранящейся в ДНК. В чем-то теряем, в чем-то выигрываем.

Кстати говоря, геном коронавирусов представлен однонитевой молекулой РНК, несущей информацию о десяти вирусных белках. На сегодняшний день геном коронавирусов считается самым большим среди геномов известных науке РНК-вирусов. Десять белков – это очень много для вирусов. Для сравнения в геноме вируса гепатита D записана информация только об одном вирусном белке, который является внутренним белком капсида. Наружным белком вирусу служит белок вируса гепатита В. Никакой опечатки здесь нет. В образовании капсида вируса гепатита D участвует белок вируса гепатита В. Сам по себе вирус гепатита D в клетках организма-хозяина размножаться не способен. Для размножения ему нужно присутствие «донора» – вируса гепатита В, который снабжает его своими белками. Заражение организма вирусом гепатита D происходит либо одновременно с заражением вирусом гепатита B (такое явление называется коинфекцией), либо после заражения вирусом гепатита В (такое явление называется суперинфекцией).

Компактные геномы вирусов располагают к широкому использованию альтернативного сплайсинга, при котором количество синтезируемых белков превышает количество генов. Так, например, геном вируса иммунодефицита человека состоит из девяти генов, кодирующих синтез пятнадцати вирусных белков (девяти структурных и шести регуляторных).

Собственных трансляционных систем, осуществляющих синтез белка на РНК-матрицах, вирусы не имеют. Они используют трансляционный аппарат клетки-хозяина. Тропность вируса, то есть его способность к паразитированию в определенных клетках, образно говоря – его «привязанность» к этим клеткам, в первую очередь определяется двумя факторами: возможностью взаимодействия рецепторов вируса и клеточной мембраны и соответствием трансляционного аппарата клетки-хозяина потребностям вируса. Если клетка не обменяется с вирусом рукопожатием, то есть не произойдет контакта между рецепторами, вирус не сможет внедрить свой геном в клетку. Для того чтобы приступить к внедрению, вирус предварительно должен зафиксироваться на клетке. Если же клетка не способна синтезировать все нужные вирусу белки, то вирус просто не сможет в ней размножаться.

Можно не утруждаться синтезом белков, а воспользоваться «готовыми» клеточными структурами. Так, например, многие вирусы, например вирус гриппа или вирус иммунодефицита человека, покидая хозяйскую клетку, уносят «на своих плечах» часть клеточной мембраны, служащей вирусам дополнительной оболочкой, называемой суперкапсидом[80]. Единственное, что нужно сделать вирусу для получения суперкапсида, так это вставить в клеточную мембрану свои рецепторы – молекулы белков, служащие для распознавания нужных клеток и прикрепления к ним. Надо сказать, что эти рецепторы приносят вирусам не только пользу, но и вред, ведь именно по ним иммунная система организма-хозяина опознает вирусы.

Двойная оболочка дает вирусам тройную выгоду.

Во-первых, дополнительная оболочка повышает устойчивость вирионов, существенно увеличивает время их жизни вне организмов-хозяев. Вирусы с одной оболочкой обычно передаются непосредственно от хозяина к хозяину, а вирусы с двойной оболочкой могут некоторое время сохранять свою вирулентность во внешней среде, на каких-либо поверхностях или предметах.

Во-вторых, дополнительная оболочка, во многом схожая с клеточной мембраной, позволяет вирусам обманывать иммунную систему организма, выдавая себя за обычные клетки. Это не всегда получается, поскольку дополнительная оболочка содержит и специфические вирусные белки, по которым иммунная система распознает чужаков, но шансов выжить в хозяйском организме вне клетки у обладателей дополнительной оболочки больше.

В-третьих, дополнительная оболочка облегчает проникновение вируса в клетку-мишень. Она сливается с клеточной мембраной, создавая нечто вроде «туннеля», по которому вирус проникает внутрь.

Обратите внимание на то, что вирусы, обладающие дополнительной оболочкой, называются оболочечными вирусами. Такое название может ввести несведущего человека в заблуждение. Впору решить, что у других вирусов вообще нет оболочки. Разумеется, это не так. Капсиды разной степени сложности есть у всех вирусов, поскольку без капсида вирус вне клетки-хозяина существовать не может. Но сложилось так, что капсид называют «капсидом», а дополнительную оболочку-суперкапсид называют просто «оболочкой». Имейте это в виду, читая литературу по вирусам.

С одной стороны, защитные оболочки вируса должны быть как можно крепче, чтобы надежно защищать вирусный геном, а с другой стороны, в нужный момент эти оболочки должны быстро разрушаться, давая возможность вирусной нуклеиновой кислоте внедриться в клетку. Необходимость быстрого внедрения ограничивает эволюционное увеличение прочности вирусных оболочек.

Большинство вирусов подавляет естественный синтез клетки-хозяина для того, чтобы иметь возможность беспрепятственного синтеза собственных белков и нуклеиновых кислот. Большинство, но не все. В ряде случаев размножение вируса не причиняет клетке-хозяину никакого вреда. Но отсутствие вреда от вируса не означает отсутствия вреда вообще. При вирусных гепатитах повреждение печеночных клеток вызывает не сам вирус, а клетки иммунной системы, которые с этим вирусом борются.

А теперь давайте подумаем о том, выгодна ли вирусу гибель клетки-хозяина, в которой он размножается?

Однозначно нет. Гибель клетки побуждает вирус выходить в «открытый космос» и искать себе нового хозяина. На старом, насиженном месте, оставаться удобнее. К тому же вне клетки вирус более уязвим, в «открытом космосе» его поджидают клетки иммунной системы и антивирусные белки-антигены. Было бы логично, если бы в ходе эволюции подавляющее большинство вирусов стало бы относительно безвредным для клеток-хозяев, подобно вирусам гепатитов. Однако этого не произошло. Многие вирусы продолжают губить клетки, в которых они паразитируют, истощая клеточные ресурсы до фатального предела. Глупое поведение? Не совсем, потому что «добровольная», то есть осуществляемая собственными механизмами гибель клеток является одним из способов борьбы с вирусами. Клетка совершает что-то вроде акта самопожертвования – добровольно гибнет для того, чтобы прекратить размножение вируса. Напрашивается аналогия с библейским Самсоном, обрушившим опоры филистимлянского храма: «И воззвал Самсон к Господу и сказал: Господи Боже! вспомни меня и укрепи меня только теперь, о Боже! чтобы мне в один раз отмстить Филистимлянам за два глаза мои. И сдвинул Самсон с места два средних столба, на которых утвержден был дом, упершись в них, в один правою рукою своею, а в другой левою. И сказал Самсон: умри, душа моя, с Филистимлянами! И уперся всею силою, и обрушился дом на владельцев и на весь народ, бывший в нем. И было умерших, которых умертвил [Самсон] при смерти своей, более, нежели сколько умертвил он в жизни своей[81]».

Так что вирусам, с одной стороны, выгодно беречь клетку-хозяина, а с другой – не очень, потому что клетка может покончить жизнь самоубийством. С учетом этого выгоднее использовать все клеточные ресурсы как можно скорее, пока клетка не покончила с собой. К тому же, помимо самопроизвольной гибели, пораженные вирусом клетки могут быть уничтожены клетками иммунной системы организма, как, например, происходит при гепатитах.

Некоторые вирусы в процессе эволюции научились предотвращать гибель клетки-хозяина. Такой способностью обладают аденовирусы – ДНК-содержащие вирусы, преимущественно поражающие верхние дыхательные пути человека. Аденовирусы сохраняют жизнь клетке-хозяину тремя путями.

Во-первых, они запускают выработку белков, которые связываются с белками клеточных рецепторов, не позволяя им закрепиться в мембране, и тем самым делают клетку неузнаваемой для клеток-убийц иммунной системы. У клеток нет глаз, они узнают друг друга «на ощупь», с помощью рецепторов. Если рецепторы клетки-хозяина блокированы или отсутствуют, то для клеток иммунной системы ее словно бы и не существует.

Во-вторых, аденовирусы с помощью других белков блокируют программу самопроизвольной гибели клетки-хозяина.

В-третьих, они блокируют ферменты, расщепляющие клеточные белки.

Вся эта деятельность определяется вирусной ДНК. В результате принятых мер клетка-хозяин в течение длительного времени «штампует» вирусы. Аденовирусы делают ставку не на быстроту использования ресурсов клетки-хозяина, а на ее долгую жизнь.

Напрашивается вопрос, как размножившиеся вирусы могут выходить из клетки, не нанося ей вреда, не разрушая клеточной мембраны? Такой «щадящий» выход вирусов из клетки совершается посредством отпочкования. Вирус подходит к клеточной мембране и давит на нее изнутри, формируя выпячивание. В конечном итоге от мембраны отделяется пузырек, внутри которого находится вирус. Оболочка пузырька может стать вирусным суперкапсидом, а может и не стать.

Аббревиатура ПЦР в наше коронавирусное время знакома всем, и все знают, что это исследование проводят для того, чтобы определить наличие у человека коронавирусной инфекции. Но мало кто, за исключением врачей и биологов, может расшифровать аббревиатуру ПЦР и объяснить, в чем заключается суть этого исследования.

ПЦР – это полимеразная цепная реакция. Суть ее заключается не в определении ДНК или РНК инфекционного агента в биологическом материале, а в значительном увеличении концентрации определенных фрагментов нуклеиновых кислот в биологическом материале. Суть в том, что с помощью этой реакции ничтожно малые количества нужных фрагментов ДНК или РНК увеличиваются до количеств, позволяющих определять их принадлежность и вообще изучать их.

Реакция называется «полимеразной», поскольку проходит с участием «копирующих» ферментов ДНК-полимеразы или РНК-полимеразы, которые создают новые нуклеотидные цепочки, используя существующие цепочки в качестве матриц. А вот слово «цепная» к нуклеотидным цепочкам отношения не имеет. Цепной реакцией называется химическая реакция, в ходе которой исходные вещества вступают в цепь превращений с участием промежуточных активных частиц. Полимеразная цепная реакция – это сложная, многоступенчатая реакция копирования фрагментов нуклеиновых кислот, в которой участвует фермент из группы полимераз, задачей которого является синтез полимеров[82] нуклеиновых кислот.

Обратите внимание на то, что ПЦР отличается от знакомой вам амплификации тем, что с ее помощью создаются относительно короткие фрагменты ДНК: принцип тот же, но результат разный. Условно ПЦР можно назвать мини-амплификацией. Проводят эту реакцию в амплификаторах по знакомой вам схеме. Для получения количеств, достаточных для исследования, выполняется от 20 до 35 циклов.

На сегодняшний день ПЦР является одним из самых точных и чувствительных методов диагностики инфекционных заболеваний. Точных, потому что для идентификации возбудителя используется его индивидуальная, единственная и неповторимая нуклеиновая кислота, которую невозможно спутать с какой-либо другой. Высокая чувствительность обусловлена тем, что для «тиражирования» достаточно нескольких молекул нуклеиновой кислоты во взятом биологическом материале. Буквально парочки молекул будет достаточно.

До внедрения ПЦР в диагностическую практику в лабораториях использовались методы бактериологического посева и культивирования вирусов. Суть первого метода состоит в высевании бактерий, содержащихся во взятом биологическом материале, на питательные среды с последующей их идентификацией после образования колоний. Процесс образования колоний занимал от трех до десяти дней, и все это время врачам приходилось бороться с инфекцией «наугад». С вирусами дело обстояло еще сложнее, поскольку вирус, как вы понимаете, на питательной среде размножаться не может, для этого ему нужна живая клетка. Вирусы можно культивировать в организме восприимчивых к ним лабораторных животных, в куриных эмбрионах или же на культуре клеток, полученных из различных органов и тканей человека или животных и размноженных в лабораторных условиях. Все это тоже занимало много времени, счет которому шел на дни. Заразили взятым у пациента материалом и ждем, пока у лабораторного животного или в клеточной культуре проявится заболевание, вызванное вирусом. ПЦР же можно сделать за два часа! А в медицине время не деньги, в медицине время – это здоровье, а часто и жизнь.

Помимо диагностики инфекционных заболеваний, ПЦР используется и для других целей, начиная с генетической дактилоскопии и заканчивая получением нужных мутаций в генной инженерии. Всюду, где нужно быстро изготовить большое количество копий фрагментов нуклеиновых кислот, на помощь приходит ПЦР.

Одной из самых распространенных страшилок нашего времени является внедрение вирусных генов в геном человека.

Заразился вирусной инфекцией или же прошел вакцинацию – и получил совершенно нежелательный «подарочек», который будет передан потомству. Рано или поздно вирусы уничтожат человечество! Вы только подумайте, какой ужас[83]!

Знаете, какие страшилки самые живучие?

Те, которые одной ногой опираются на научный факт, но при этом делают из него совершенно ненаучные выводы. Но несведущие люди не способны оценить страшилку в целом, не способны подвергнуть ее критическому анализу. Они узнают из сетевых источников о том, что вирусы действительно способны встраивать свои гены в человеческий геном, и на основании этого верят всему остальному.

Давайте разберемся, что к чему, зачем и почему.

Да, вирусы могут встраиваться в геном клетки-хозяина в прямом смысле этого слова – могут добавлять фрагменты своих нуклеиновых кислот в хозяйскую ДНК.

Но такой способностью обладают только РНК-вирусы, обладающие способностью обратной транскрипции ДНК (мы совсем недавно об этом процессе говорили). В процессе синтеза вирусной ДНК на матрице геномной вирусной РНК, происходящем в клеточном ядре, отдельные фрагменты вирусного генома могут быть «подхвачены» находящимися рядом молекулами клеточной ДНК. Предположим, в клеточной ДНК образовался разрыв, а ферменты, ликвидирующие повреждение, случайно вставили в молекулу фрагмент синтезируемой вирусной ДНК.

Обратите внимание на то, что ДНК-содержащие вирусы не могут встраивать свои гены в клеточный геном, поскольку их пребывание в клетке не сопровождается синтезом собственной ДНК. ДНК-содержащие вирусы могут только встроить в свою молекулу фрагмент ДНК клетки-хозяина при ликвидации повреждения молекулы. Проще говоря, они могут только украсть, но не подбросить.

Способность обратной транскрипции ДНК – редкое свойство в царстве вирусов. Такой способностью обладает только семейство ретровирусов, наиболее известным представителем которого является вирус иммунодефицита человека. Семейство ретровирусов делится на два подсемейства, которые включают в себя одиннадцать родов или шестьдесят восемь видов. На сегодняшний день известно шестьдесят восемь видов ретровирусов, а общее количество видов вирусов, способных поражать организм человека, превышает триста тысяч. Иначе говоря, опасность для нашего генома представляет примерно 0,0227 % видов вирусов, патогенных[84] для человека. Такая статистика не позволяет обобщать. 0,0227 % – это вам не 99, 0227 %. Так что нельзя говорить о том, что все вирусы способны «встраивать» свои гены в наш геном. Это первое.

Второе: попадание вирусного гена в ДНК соматической клетки на геном человека не повлияет. Для этого нужно «встроить» вирусный ген в половые клетки, могущие передавать наследственную информацию потомству. Ретровирусы могут поражать клетки иммунной системы (вирус иммунодефицита человека), клетки крови и костного мозга, также они могут вызывать онкологические заболевания за счет встраивания своих фрагментов в ДНК соматических клеток, но сперматозоиды с яйцеклетками для них интереса не представляют – так, во всяком случае, принято считать на сегодняшний день. Иначе говоря, согласно имеющейся информации, ретровирусы не могут поражать половые клетки, а следовательно, не могут влиять на человеческий геном. То, что вирус иммунодефицита человека передается при половых контактах, не означает угрозы для человеческого генома, потому что этот вирус передается через кровь.

И третье: половые клетки можно считать избалованными неженками, которые по любому поводу впадают в расстройство и погибают. Заражение вирусом в подавляющем большинстве случаев приведет к гибели сперматозоида или яйцеклетки. Такая «изнеженность» обоснована потребностью в здоровом, жизнеспособном и могущем размножаться потомстве. Вы же знаете, как пристально следит за потомством естественный отбор.

А теперь скажите, есть ли у вирусов реальные шансы «испортить» геном человека? Ответ вы найдете в конце главы.

Некоторые ученые рассматривают эволюционный процесс как войну генов, в основе которой лежит стремление к максимально возможному самовоспроизведению. В принципе, так оно и есть, поскольку каждый биологический вид стремится именно к этому. Эволюционный успех биологического вида заключается в том, чтобы вытеснить все конкурирующие виды из всех экологических ниш, чтобы править безраздельно. Вирусы в этом отношении представляют собой наиболее «чистый» пример, поскольку цель их существования состоит в прямом копировании своего генома.

Кстати говоря, в лабораторных экспериментах, моделирующих условия древнейших времен, ученые смогли получить молекулы белков[85] и цепочки нуклеотидов, так что происхождение вирусов можно считать доказанным научным путем. Дело за «малым» – получить в лабораторных условиях из белково-липидно-нуклеинового «бульона» живую клетку, пусть и безъядерную. Как только первая такая клетка будет создана, происхождение жизни на нашей планете можно будет считать полностью доказанным.

Напоследок хочется сделать одно уточнение. В наше время стало модным рассуждать о том, что вирусы разумны, поскольку совершают разумные действия. Но на самом деле среди всех обитателей нашей планеты разумом обладает только человек. Все действия вирусов, которые несведущим людям кажутся разумными, на самом деле являются следствием естественного отбора, который закрепляет полезное и устраняет вредное. А естественный отбор, как вы знаете, представляет собой стихийный процесс приспособления к постоянно меняющимся условиям окружающей среды.

Вы уже знаете, что генетики составляют карты, на которых указывается локализация и взаимное расположение различных генов на хромосоме (на молекуле ДНК).

Картирование опирается на два столпа: на линейный характер расположения генов в хромосомах и на стабильность их расположения.

Методы картирования делятся на три группы.

К физическим методам относятся электронная микроскопия и электрофорез – направленное движение заряженных коллоидных частиц или ионов под действием внешнего электрического поля. Электрофорез позволяет разделять нуклеиновые кислоты и белки на фракции, поскольку молекулы с различным весом под воздействием тока движутся с различной скоростью. Метод электрофореза весьма чувствителен и подходит не только для разделения смесей, но и для определения длины молекул и их фрагментов с точностью до одного нуклеотида. Длина рассчитывается по скорости движения отрицательно заряженной молекулы ДНК или ее фрагмента к положительному полюсу в специальной гелевой среде.

Казалось бы, что в современный электронный микроскоп можно увидеть все что угодно, но генетикам-географам, составляющим карты хромосом, электронный микроскоп большой пользы не приносит. Кое-какую информацию с его помощью получить можно, но объем и значимость этой информации относительно невелики. Приходится искать другие методы, хотя бы и тот же электрофорез.

Генетические методы, анализирующие проявление различных признаков при скрещивании, позволяют оценить сцепление генов, то есть нахождение их на одной хромосоме, а также оценить частоту рекомбинаций сцепленных генов и сделать вывод об их удаленности друг от друга. Чем дальше друг от друга находятся гены в хромосоме, тем выше частота рекомбинации. Расстояние между генами на карте хромосомы измеряется в условных единицах, которые называются единицами карты. Одна единица карты между двумя генами равна одному проценту рекомбинаций между ними.

У человека вместо экспериментального скрещивания анализ проводится на основании семейного генетического анамнеза – сведений о проявлении признаков у предков и потомков.

Мутантный ген можно использовать в роли маркера, условного «маячка», помогающего определить местоположение данного гена и выявлять сцепленные с ним гены.

Большинство цитогенетических методов картирования основано на уже знакомом вам явлении гибридизации нуклеиновых кислот. К исследуемому материалу – одинарным нуклеиновым цепочкам с неизвестной или предполагаемой последовательностью нуклеотидов – добавляют так называемый ДНК-зонд, фрагмент ДНК или РНК с известной последовательностью, а затем смотрят, произошла ли гибридизация цепочек. Если гибридизация произошла, значит, исследуемая цепочка комплементарна зонду.

Молекулы ДНК, как вы знаете, очень и очень длинные, и их исследование – процесс небыстрый. Сначала нужно выделить из молекулы фрагмент для изучения. Затем исследователь начинает последовательно добавлять к полученному фрагменту различные зонды и смотреть, с каким именно произойдет гибридизация… Представьте, сколько придется провозиться со всеми хромосомами. А ведь полученные результаты надо обязательно перепроверить в месте их получения, а затем, для достоверности, подтвердить в другой лаборатории. То есть на деле объем работы удваивается. Для сведения: ученые расшифровали геном человека за четырнадцать лет, причем работало над расшифровкой несколько лабораторий одновременно. А полученная информация продолжает уточняться по сей день. «Быстро только амплификатор включается», – шутят генетики.

Имея на руках генную карту пациента, врач может проводить точную диагностику заболеваний и делать обоснованные выводы о возможности развития того или иного заболевания в будущем. Мутации многих генов проявляются не сразу при рождении, а дают знать о себе в процессе жизни, но видны-то они сразу же, еще на стадии эмбрионального развития. И обнаружение мутации в конкретном гене – это вам не жалобы на головокружение, причину которых замучаешься выяснять, поскольку головокружение – весьма «расплывчатый» симптом, могущий встречаться при многих заболеваниях. А мутация гена – это очень четкий симптом, не допускающий толкований. Зная, где именно произошла мутация и что именно изменилось, можно с точностью сказать, синтез какого белка будет нарушен и какой будет степень этого нарушения.

Допустим, мужчина и женщина решили завести ребенка. Сравнение их генетических карт позволит врачам сделать вывод о том, какие болезни могут проявиться у ребенка, то есть в ряде случаев диагностику можно проводить еще до рождения! Не абсолютную, поскольку по моделям генотипа стопроцентной уверенности достичь невозможно (модель есть модель), но довольно достоверную.

Появившаяся сравнительно недавно клеточная трансплантология, она же клеточная терапия, успешно применяется в различных отраслях медицины. Суть этого метода заключается в пересадке (трансплантации) клеток в больной организм с лечебной целью. Разновидностью клеточной трансплантологии является терапия стволовыми клетками. Клеточная трансплантология успешно применяется для восстановления поврежденных тканей и органов в лечении наследственных, онкологических, сердечно-сосудистых, нервных и аутоиммунных заболеваний.

К чему мы вспомнили о клеточной трансплантологии? А к тому, что когда-то врачи умели пересаживать пациентам только органы, потом начали пересаживать клетки… Скоро дело дойдет и до массовой пересадки генов. «Массовой» в том смысле, что эти пересадки будут производиться в каждой больнице. И это не красивая мечта, а реальность не такого уж и далекого будущего. Генные карты уже есть, синтезировать нужные фрагменты ДНК генетики умеют, метод генной хирургии, точнее – генной трансплантологии, уже создан и применяется на практике, осталось только немного его доработать. Как вы понимаете, лечение болезни заменой «дефектного» гена на «здоровый» станет наиболее эффективным из всех способов лечения, поскольку оно позволит устранять самую первопричину болезни.

Генная карта позволяет создавать клеточные модели для экспериментального изучения различных заболеваний, причем эти модели будут абсолютно точными. Даже не зная всех аспектов клинических исследований нового лекарственного препарата, можно понять, насколько исследования с участием людей сложнее, дороже (а зачастую и длительнее), чем исследования, производимые на клетках. А еще на основе генных карт можно будет создавать полноценные компьютерные модели для экспериментов.

Существует такой цитогенетический метод картирования генов, как рестрикционное[86] картирование. Суть его заключается в использовании ферментов-рестриктаз, которые нарезают молекулы ДНК на различные фрагменты. Рестриктазы – «умные» ферменты. Они способны распознавать определенные последовательности нуклеотидов, то есть выбирать определенный участок ДНК и расщеплять нуклеотидную цепь как внутри этого участка, так и рядом с ним.

На основании свойств используемых рестриктаз и анализа нарезанных ими фрагментов молекул ДНК генетики создают так называемые рестрикционные карты, на которых отмечают расположение участков, вырезанных различными рестриктазами, относительно друг друга. Затем рестрикционную карту сравнивают с генетической картой и при необходимости вносят в последнюю уточнения. Этот уточняющий процесс можно сравнить с коррекцией географических карт на основании данных спутниковой фотосъемки.

Вот вам вопрос, предпоследний в этой книге: могут ли генетические карты быть полезными в исследованиях эволюционного процесса? Ответ на этот вопрос вы найдете в конце главы.

И в завершение немного очевидного, кажущегося невероятным. Молекулы ДНК представляют собой системы хранения информации, причем с помощью нуклеотидов можно записывать не только наследственную, но и любую другую информацию. В 2016 году сотрудники компании Microsoft, совместно с сотрудниками Вашингтонского университета, приспособили молекулу ДНК для записи цифровой информации, для чего им пришлось «перевести» нуклеотидный код в аналог цифрового, представляющего собой последовательность единиц и нолей. Впервые в истории на молекулу ДНК была записана информация объемом 200 мегабайт. А в 2017 году генетики из американской компании Twist Bioscience записали на молекулу ДНК две музыкальные композиции. Дело тут не в преимуществах молекулы ДНК как носителя информации (вполне возможно, что никакими подобными преимуществами молекулы нуклеиновых кислот не обладают), а в совершенствовании возможностей генетики.

Кстати говоря, редактирование генома живого человека – это уже не фантастика, а реальность, пока еще не ставшая повседневностью. Такой же, пока еще не повседневной реальностью, стало вырезание из ДНК организмов-хозяев фрагментов ДНК вируса иммунодефицита человека (вспомните, что он относится к ретровирусам, обладающим способностью обратной транскрипции). На людях подобные эксперименты пока еще не проводились, но лабораторных мышей от вирусных генов удалось избавить успешно. Редактирование генома – первоочередная задача генетиков.

Экологической генетикой называется пограничная наука, исследующая взаимосвязь генетических процессов и экологических отношений. Нельзя жить в среде и никак не взаимодействовать с ней и с теми, кто вас окружает. Вы с этим согласны?

Связь экологии с химией, физикой или, скажем, биологией ясна и никаких вопросов не вызывает. Химики изучают экологические факторы химической природы, физики – физической, а биология вообще является фундаментом для экологии. Но ясно ли вам, чем конкретно занимается экологическая генетика?

Экологическая генетика изучает влияние окружающей среды на генетический аппарат и то, как наследственность изменяет реакцию организмов на действие внешних факторов. Экологическая генетика как наука начала развиваться в семидесятых годах прошлого века из фармакологической генетики, исследующей наследственные различия в реакции людей на фармацевтические препараты. Фармацевтические препараты – это всего лишь одна из категорий внешних факторов, действующих на человека. Если наследственность обуславливает разную реакцию людей на одни и те же лекарства, следовательно, она будет обуславливать разную реакцию и на прочие факторы, верно?

Внешние факторы могут не только вызывать мутации, но и способны влиять на экспрессию генов. Считывание информации с генов зависит не только от конкуренции между ними, но и от состояния атмосферы, чистоты питьевой воды, качества пищи и других экологических факторов. Влияние среды на экспрессию генов оказывается по тому же принципу, что и стимулирование мутаций – нарушаются химические связи в молекулах, поступившие извне химические вещества нарушают течение естественных процессов и т. п.

Но не только среда действует на человека. Человек, обладающий разумом, действует на среду, преобразуя ее согласно своим потребностям. Помимо прочего, может оказываться целенаправленное воздействие на геномы организмов для получения свойств, выгодных человеку. Например, можно изменить геном живущей в почве бактерии таким образом, чтобы эта бактерия вырабатывала бы больше веществ, нужных культивируемым растениям. Или же можно изменить геном растения так, чтобы оно сохранило все нужные человеку качества, но стало бы непригодным для питания каких-нибудь насекомых-вредителей.

В отдельное направление экологической генетики выделилась генетическая токсикология, занимающаяся изучением химических мутагенов и оценкой способности химических соединений вызывать мутации в клетках человека. Преобразуя природу, человек активно ее загрязняет и должен понимать, какие химические вещества обладают мутагенными свойствами. С этой точки зрения нужно также оценивать все новые химические вещества, входящие в наш быт. Человек должен понимать, что может представлять для него потенциальную генетическую опасность. Речь идет не только о изменяющем геном воздействии на половые клетки, но и о воздействии на генетический аппарат соматических клеток, ведь соматические мутации нередко становятся причиной неконтролируемого клеточного деления, приводящего к развитию онкологических заболеваний. При всем желании и при всех стараниях невозможно полностью исключить контакт с рядом канцерогенов[87], поэтому ученые ведут поиск соединений, обладающих антимутагенными и антиканцерогенными свойствами. Изучение наследственности позволяет выявить предрасположенность к онкологическим заболеваниям, а также оценить общую устойчивость организма к влиянию неблагоприятных факторов окружающей среды. В идеале для каждого человека к моменту его рождения, помимо прочих рекомендаций, основанных на анализе его генотипа, будут разрабатываться и рекомендации экологического характера.

Экологические отношения, включающие в себя взаимодействие между организмами и взаимодействие организмов с неживой природой, довольно сложны. Для более удобного проведения генетического анализа разрабатываются специальные эколого-генетические модели. Моделями служат какие-то хорошо изученные процессы, которые берутся за основу, и на их примере, с учетом их свойств, делаются нужные выводы.

Чтобы лучше представить – опыты Грегора Менделя представляют собой модель, позволяющую судить о распределении признаков в потомстве у всех живых существ. Примером эколого-генетической модели может служить взаимодействие почвенной бактерии с растением или насекомого с растением. Главное, чтобы взаимодействие было досконально изучено, только тогда оно может стать основой для модели. Взаимоотношения ленточного червя свиного цепня, паразитирующего в кишечнике человека, с организмом хозяина – это еще один пример эколого-генетической модели.

Известно, что представители негроидной расы более чувствительны к холоду, нежели представители европеоидной расы. Расовые различия реакции на холодовый фактор обусловлены, как вы уже догадались, генами. У негроидной расы, изначально населявшей жаркую Африку, организм в ходе эволюции «запрограммировался» на максимально возможную теплоотдачу. Это свойство, позволяющее избежать перегрева организма в жарком климате, оказывается неблагоприятным в холодных условиях. Возникает дисбаланс между наследственностью и условиями окружающей среды. Мы живем в мобильный век быстрых и дальних перемещений, когда многие люди живут совсем не в тех условиях, на которые они генетически запрограммированы. Экологическая генетика выявляет подобные «конфликты» между наследственностью и средой и старается их сглаживать.

Воздействие любого внешнего фактора на организм нужно рассматривать в связке с наследственностью. Как, по-вашему, почему у одних курильщиков возникает рак легких, а у других – нет? Разумеется, имеет значение длительность и интенсивность воздействия табачного дыма на организм. У того, кто курит смолоду и помногу, больше шансов заболеть раком легких, чем у того, кто начал курить в тридцатилетнем возрасте и выкуривает по две-три сигареты в день. Но коренная причина кроется в гене, кодирующем выработку фермента с длинным названием арилгидрокарбонгидроксилаза. Этот фермент преобразует некоторые вещества, содержащиеся в табачном дыме, для того чтобы их можно было бы вывести из организма. Такое полезное преобразование имеет обратную сторону – вещества приобретают канцерогенность и могут вызывать рак легких. Мутация, снижающая активность арилгидрокарбонгидроксилазы, понижает риск возникновения рака легких.

В экологической генетике существует понятие «генетический груз». Так называют сумму неблагоприятных мутаций, вызывающих при переходе в гомозиготное состояние выраженное снижение жизнеспособности особей, или их гибель. Вспомните, что гомозиготным состоянием называется наличие двух идентичных аллелей гена в гомологичных хромосомах.

Чем больше генетический груз, тем хуже приспособленность популяции к условиям окружающей среды. «Тяжесть» генетического груза, то есть степень его влияния на приспособленность, оценивается сравнением приспособленности реальной популяции с приспособленностью смоделированной «идеальной» популяции, обладающей максимальной приспособленностью.

Вот вам заключительный вопрос: можете сказать, к чему ведет человечество экологическая генетика? В нескольких словах, охватывающих самую суть. Мы об этом уже говорили, так что ничего придумывать не нужно.

Любая популяция и протекающие в ней процессы не может рассматриваться изолированно, вне ее связи с другими популяциями, объединенными в единую экосистему. Мы едим животную и растительную пищу, в нашем кишечнике живут полезные бактерии, а вредные вызывают у нас заболевания… (Продолжите самостоятельно перечень организмов, с которыми взаимодействует человек, можете устроить соревнование с друзьями – кто назовет больше, так будет еще интереснее.)

Выявление и изучение многочисленных связей между организмами разных видов, входящими в одну экосистему, а также связей между ними и действующими на них факторами неживой природы, вывели экологическую генетику, изначально являвшуюся экологической генетикой человека, на более высокий уровень. Можно с уверенностью предположить, что содружество экологии и генетики продолжит расширяться и углубляться. По большому счету все, что касается человека, следует рассматривать в связке с его наследственностью.

Когда генетики говорят, что их наука является самым важным разделом биологии, они не очень-то и преувеличивают, потому что все живое начинается с генов.

Предупреждение: гены изменчивы, и полностью полагаться на них нельзя. Человек должен уметь контролировать свои гены, а для этого нужно знать о них как можно больше. Знание – это не просто сила, знание – это всемогущество, власть над живой и неживой природой.

Вы хотите быть властелином мира?

Все в ваших руках. То есть в вашей голове.

Приобретайте знания – и все у вас получится!

Экспрессией называют процесс выработки РНК или белка на основе кода, записанного в данном конкретном гене. Можно просто сказать «ген кодирует синтез белка», а можно получить более полное представление о процессе. Рассказ об экспрессии помещен в приложение, потому что он выходит за рамки основной тематики этой книги.

Экспрессия гена начинается с его транскрипции – синтеза матричной РНК, на которой затем станут «штамповаться» молекулы белка.

Транскрипцию осуществляет фермент РНК-полимераза. Процесс продуман до мелочей, чтобы исключить всякую возможность ошибки (но тем не менее они все же происходят и служат материалом для естественного отбора). Считывание информации РНК-полимеразой начинается со строго определенного места на молекуле ДНК, которое называется промотором. Промотор – это обозначенная природой стартовая площадка, находящаяся в начале гена, в том месте, откуда надо начинать считывать код.

Если есть стартовая площадка, с которой следует начинать движение по молекуле ДНК, то должен быть и какой-то ограничитель в конце, иначе молекула полимеразы рискует уползти в неведомые дали и считать дюжину кодов вместо одного. Разумеется, природа предусмотрела и ограничитель – последовательность нуклеотидов ДНК, являющуюся для полимеразы сигналом к прекращению синтеза молекулы РНК. Этот «ограничитель» называется терминатором.

Терминатор

В области терминатора молекула нуклеиновой кислоты образует изогнутые структуры, по виду напоминающие шпильку. Они так и называются – шпилечными структурами. Природа подстраховалась: мало того, что терминатор имеет свой индивидуальный код, так в нем еще и изгибы образуются. У молекулы РНК-полимеразы нет шансов пройти мимо терминатора, не заметив его. Образно говоря, доползла молекула РНК-полимеразы до шпильки, укололась и прекратила работу.

Фрагмент молекулы ДНК, состоящий из промотора, считываемой части и терминатора, называется опероном.

Оперон может включать один или несколько генов, кодирующих один и тот же белок или РНК, точнее – синтез одной и той же молекулы матричной РНК. Можно дать и другое определение оперона – это совокупность совместно выражающихся генов. Совместно выражающихся!

На одном опероне синтезируется одна матричная РНК.

Мутация одного гена может нарушить работу всего оперона.

Синтез матричной РНК происходит по принципу комплементарности, так, чтобы цитозин образовывал пару с гуанином, а аденин – с урацилом, заменяющим тимин в РНК. Последовательность нуклеотидов в матричной РНК идентична последовательности в опероне, за исключением того, что вместо тимина там присутствует урацил.

Молекулы РНК-полимеразы группируются в клетках в так называемые транскрипционные фабрики – отдельные участки, на которых происходит транскрипция. Почему нужно собирать полимеразы вместе, ученые пока не поняли. Но зачем-то нужно, поскольку просто так в природе ничего не происходит.

Процесс образования матрицы называется транскрипцией, а получившаяся в его результате молекула РНК – транскриптом.

Разбирая тот или иной процесс, происходящий в клетке, мы предельно его упрощаем для того, чтобы сделать понятным. Отбрасываем все второстепенное, оставляем только самое главное. Так, например, в процессе транскрипции (да и трансляции тоже) участвует множество регулирующих белков. Одни активизируют процесс, другие его подавляют. Участвуют в управлении транскрипцией и «сторонние», не входящие в оперон гены, причем не один, а несколько.

Но мы с вами условно говорим об одном гене-операторе и одном гене-регуляторе, который управляет процессом транскрипции посредством белка-репрессора и белка-индуктора. Ген-оператор объединяет несколько структурных генов в оперон… Ген-регулятор регулирует процесс… РНК-полимераза ползет по молекуле ДНК… Кстати говоря, молекула ДНК тоже движется в процессе транскрипции, но если мы забредем в эти научные дебри, то обратно уже не выберемся. Да и не понять ничего в этих дебрях без специального образования.

Того, что было сказано о транскрипции, нам с вами достаточно.

Переходим к трансляции – процессу синтеза белка на матричной РНК. Этот процесс происходит в органеллах, которые называются рибосомами. Рибосомы представляют собой небольшие образования сферической формы. Функция у них одна – синтез белков из аминокислот. Попадая в рибосомы, матричная РНК «настраивает» их на производство определенного белка. После того как нужное количество молекул белка будет синтезировано, матричная РНК разрушается и рибосомы становятся свободными, готовыми принять новую молекулу РНК.

Напрашивается вопрос: а зачем молекулам матричной РНК разрушаться? Белки ведь синтезируются регулярно, а не один-единственный раз и на всю жизнь.

Да, белки синтезируются регулярно, но где прикажете хранить весь этот запас матричных РНК, и рационально ли «замораживать» в хранимых РНК большое количество нуклеотидов, ценного биологического «строительного материала»? Нет, не рационально, проще создавать матрицы при появлении потребности и разрушать их после того, как потребность иссякнет. Поэтому любое вещество, даже столь сложно синтезируемое, как матричная РНК, после выполнения своей функции распадается на более простые молекулы, которые сразу же идут в дело.

Кто-то обратил внимание на «ошибку» во фразе «матричная РНК, попадая в рибосомы»? РНК одна, а рибосом несколько? Правильнее было бы написать «матричные РНК, попадая в рибосомы» или «матричная РНК, попадая в рибосому» …

Нет никакой ошибки! Рибосомы малы, а молекулы матричных РНК длинные. Поэтому одна молекула РНК «пронзает» (так это выглядит со стороны) несколько рибосом сразу, образуя так называемую полирибосому, или полисому.

Полирибосома

При этом каждая рибосома, перемещаясь вдоль молекулы РНК, синтезирует «свою», отдельную молекулу белка. Обратите внимание: не свою часть одной молекулы белка, а отдельную молекулу!

Код, записанный в молекуле РНК, подразделяется на кодоны – сочетания трех нуклеотидов. Каждый кодон соответствует определенной аминокислоте, входящей в состав белков, и каждой аминокислоте соответствует не один, а несколько кодонов. Поскольку нуклеотиды на схемах обозначают буквами, кодоны выглядят как сочетания трех букв.

Фрагмент таблицы кодонов

…АУГГУУГЦУААУЦУУАУГАГААГГУГЦГЦАГГГГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГЦАГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГЦАГГГГГГАУГГУУГЦУААУЦУУАУГАГААГГУГЦГЦАГГГГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГЦАГГГ…

Посмотрите на фрагмент молекулы матричной РНК, изображенный в виде букв. Глаза разбегаются в разные стороны, верно? А это же всего лишь небольшой фрагмент.

Если начать читать кодоны с буквы А, то первой аминокислотой будет метионин, второй – валин, третьей – аланин… И так далее. Если же пропустить букву А и начать читать кодоны с буквы У, второй по счету, то первой аминокислотой будет триптофан, второй – лейцин, и третьей – тоже лейцин… Замена всего одной аминокислоты на другую в молекуле гемоглобина приводит к развитию тяжелого заболевания. Страшно представить последствия синтеза совершенно другого белка вместо заданного. А если такое будет повторяться на разных матрицах… Ужас! То есть хаос!

Чтобы хаоса не было, природа предусмотрела старт-кодон АУГ (аденин – урацил – гуанин), соответствующий аминокислоте метионину, и стоп-кодоны УГА (урацил – гуанин – аденин), УАГ (урацил – аденин – гуанин) и УАА (урацил – аденин – аденин), которые никаким аминокислотам не соответствуют. Таким образом, синтез любого белка начинается с метионина…

Но ведь метионин может быть закодирован в нескольких местах на молекуле матричной РНК. И будет, непременно будет! В сотне мест или, скажем, в трехстах…

Что будет, если рибосома начнет синтез белка не с того старт-кодона?

А ничего не будет, поскольку рибосома не сможет допустить такую ошибку. Природа и здесь подстраховалась – обвела стартовый кодон жирным красным маркером, а рядом повесила колокольчик. Захочешь – не спутаешь!

На самом деле, как вы понимаете, никакого красного маркера с колокольчиком нет, а есть несколько нуклеотидов, «окружающих» старт-кодон, то есть располагающихся до и после него. Такое окружение позволяет рибосомам начинать синтез белковой молекулы с правильного места, поскольку комбинация получается уникальная, присутствующая только на старте.

Аминокислоты, нужные для синтеза белковой молекулы, рибосомам доставляют транспортные РНК. Без них не обойтись, поскольку аминокислоты не умеют распознавать кодоны для того, чтобы являться по нужному адресу в точное время.

Каждая аминокислота имеет свой «персональный автомобиль» – соответствующую ей и только ей транспортную РНК. Некоторым аминокислотам соответствуют несколько транспортных РНК, но никогда одна транспортная РНК не будет переносить разные аминокислоты.

Транспортная РНК

Кроме «автомобиля» у каждой аминокислоты есть свой персональный «камердинер», который помогает ей в эту машину садиться. Иными словами, каждой из двадцати аминокислот, входящих в состав белков, соответствует отдельный фермент под названием аминоацил-РНК-синтетаза, который распознает аминокислоту и транспортную РНК для того, чтобы соединить их вместе. Если у аминокислоты несколько «автомобилей», то и «камердинеров» будет столько же, потому что аминоацил-РНК-синтетаза «настроена» как на конкретную аминокислоту, так и на конкретную транспортную РНК.

Молекулы транспортных РНК организованы в структуру, напоминающую трилистни или крест. К открытому «заднему» концу присоединяется молекула аминокислоты, а на передней петле находится антикодон – сочетание трех нуклеотидов, соответствующее определенному кодону. Благодаря антикодонам транспортные РНК доставляют аминокислоты к нужным кодонам, где рибосомы сшивают их в одну молекулу. Рибосоме не нужно думать, где взять материал и заниматься маркировкой – ее дело ползти по матричной РНК и сшивать аминокислоты друг с другом.

У безъядерных прокариот и ядерных эукариот транскрипция и трансляция происходят по-разному. Но мы рассмотрели самую суть этих процессов, которая является одинаковой для всех.

Поскольку эукариоты в эволюционном отношении стоят выше прокариот, иначе говоря – имеют более сложную организацию, все процессы, протекающие в эукариотических клетках (в том числе и транскрипция с трансляцией), являются более сложными, более производительными и протекают с большим количеством вспомогательных веществ.

Ваше знакомство с генетикой можно считать состоявшимся. С основами этой увлекательной науки вы ознакомились, теперь перед вами два пути – продолжать знакомство или не продолжать. Тех знаний, которые вы получили, будет вполне достаточно для чтения научно-популярной литературы и принятия правильных решений на бытовом уровне (например, вы не будете ужасаться тому, что в состав вашего любимого кетчупа входит крахмал, полученный из генетически модифицированного сырья). Вы сможете попенять режиссеру фильма на то, что он забыл поставить хотя бы один амплификатор в лабораторию эксперта-генетика. Или же сможете развлечь друзей, «угадывая» группы крови их родителей… Короче говоря, были бы знания, а за их применением дело не станет.

Но можно и продолжить знакомство, ведь знания никогда не бывают лишними, к тому же генетика умеет удивлять и делает это буквально на каждом шагу. Новые открытия, новые возможности, новые достижения… И чем дальше, тем шире генетика входит в нашу жизнь.

В общем, решать вам.

Осталось выполнить последнее задание, творческое.

Создайте на компьютере или нарисуйте от руки красивый «Сертификат о прохождении базового курса генетики», впишите в него свое имя, поставьте свою подпись и повесьте на видном месте. Вы заслужили!

 О том, что это такое, будет рассказано в первой главе.

  Лейкоцит – одна из разновидностей клеток крови.

  Азотистые основания представляют собой гетероциклические производные пиримидина и пурина. В рамках нашего разговора о генетике нет смысла глубоко погружаться в химию, достаточно знать названия пяти азотистых оснований, входящих в состав молекул ДНК и РНК.

  Речь идет о ДНК и РНК человека. У некоторых организмов в состав ДНК может входить урацил.

  Ферментами или энзимами называются молекулы белков или РНК, ускоряющие химические реакции в живых системах.

  Некоторые клетки многоклеточных эукариот могут не иметь ядер. Пример – эритроциты (красные кровяные тельца) человека.

  Популяцией называется совокупность организмов одного вида, длительное время обитающих на одной территории и частично или полностью изолированных от особей других аналогичных групп того же вида.

  Биологический вид – это совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство.

  Аминокислотами называются химические соединения, в молекуле которых одновременно содержатся карбоксильные группы и аминогруппы.

  Анемиями называются заболевания крови, сопровождаемые уменьшением содержания гемоглобина и эритроцитов.

  Ингибицией называется подавление, замедление или прекращение каких-либо реакций, процессов и т. п.

*  Органеллы (или органоиды) – это внутриклеточные структуры, выполняющие различные функции для поддержания жизнедеятельности клетки. Проще говоря, органеллы – это крошечные клеточные органы.

  Произносится, соответственно, как «икс» и «игрек».

  Раньше симбиозом называли только взаимовыгодное партнерство.

  Загар представляет собой защитную реакцию организма на чрезмерное облучение солнечными лучами. Меланин поглощает ультрафиолетовые лучи и тем самым защищает глубокие слои кожи от лучевого повреждения.

  Лысенко Трофим Денисович (1898–1976) – советский агроном и биолог, основатель и крупнейший представитель псевдонаучного направления в биологии – мичуринской агробиологии. Вот характеристика, данная Лысенко известным российским биохимиком, академиком РАН А.А. Богдановым: «Про Лысенко нельзя даже сказать, что он был жулик, он, скорее, был просто фанатик. Настоящий фанатик, который пользовался грязными приемами, но он был фанатик, потому что он в это фанатически верил».

  Заводчиками называют людей, которые занимаются разведением чистопородных животных, а селекционерами – тех, кто занимается выведением новых пород животных или сортов растений, а также их усовершенствованием.

**  В предисловии был упомянут основоположник генетики австрийский монах Грегор Мендель, который в 1865 году обнародовал результаты исследований о передаче признаков по наследству при скрещивании гороха. Ниже мы поговорим об экспериментах Менделя подробно.

*  Локусом называют местоположение конкретного гена на хромосоме.

  С английского crossing over переводится как «пересечение». Кроссинговер был описан в 1911 году американским генетиком Томасом Хантом Морганом и его ассистентом Альфредом Стертевантом у плодовой мушки дрозофилы чернобрюхой (Drosophila melanogaster).

  Если вы удивились тому, какие могут быть изменения при обмене совершенно одинаковыми участками между гомологичными хромосомами, то вспомните, что есть гены, отвечающие за развитие одного признака, которые могут существовать в различных формах-аллелях.

  Термин «кольцевая» означает, что цепь ДНК непрерывна, а не то, что молекула имеет геометрическую форму кольца. По форме кольцевые молекулы ДНК больше похожи на клубки, чем на кольца.

  Возможно, у вас возник вопрос: что удерживает четыре хромосомы вместе? Их удерживают водородные связи. Вспомните из курса химии, что водородная связь (или «Н-связь») представляет собой взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами одной или разных молекул посредством положительно заряженного атома водорода. В отличие от обычных химических связей, водородная связь возникает в подходящих условиях «самостоятельно», а не образуется в результате целенаправленного синтеза веществ.

  Реципрокный – это взаимный или возвратный. «Реципрокная транслокация» переводится как «взаимный перенос».

  От латинского «mutatio» – изменение.

  Согласно одной классификации, биологический вид Собака относится к роду Волки семейства Псовых. Альтернативная классификация считает собак подвидом вида Волк обыкновенный из рода Волки семейства Псовых. Вторая классификация выглядит более правильной, так как потомки собак и обыкновенных (серых) волков способны размножаться, а основной характеристикой биологического вида является способность его представителей скрещиваться друг с другом с образованием плодовитого (способного размножаться) потомства. А вот потомство лошади и осла, относящихся к разным видам семейства Лошадиных, размножаться не способно (исключения крайне редки).

  Признак растения или животного, который может выглядеть полезным с точки зрения человека, с точки зрения естественного отбора может быть вредным. Например – короткие ноги овец, речь о которых пойдет чуть ниже.

  Русский ботаник и генетик-эволюционист Сергей Иванович Коржинский опубликовал свой труд «Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов» в 1899 году, на два года раньше выхода книги голландца Хуго де Фриза «Die Mutationstheorie» (Мутационная теория), но заслуга Фриза состоит в том, что он подтвердил все положения мутационной теории в ходе множества экспериментов и объединил все, что было известно о мутациях, в целостную теорию. Также де Фриз ввел в науку термин «мутация».

  Альбинизмом называется полное или частичное отсутствие пигмента меланина в коже, волосах и радужной оболочке глаз.

  Ионами называют атомы или молекулы, имеющие электрический заряд.

  Катализатором называется химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в процессе реакции.

  Передвижение по-научному называется «транспозицией», отсюда и произошло название «транспозоны».

*  В результате реакций окислительного фосфорилирования энергия, выделившаяся при окислении питательных веществ, запасается в митохондриях в виде АТФ.

  Из этого правила существуют исключения, правда, крайне редкие. Иногда небольшое количество отцовских митохондрий может попасть в яйцеклетку матери вместе с цитоплазмой, окружающей ядро сперматозоида, и закрепиться там.

  С сердцем и скелетной мускулатурой все ясно – энергия нужна для сокращений мышечных клеток, а вот высокая энергозависимость головного мозга может вызывать недоумение. На самом деле на долю нашего головного мозга приходится примерно четверть всей энергии, потребляемой организмом.

  Подобно тому, как у каждого человека есть свои индивидуальные отпечатки пальцев, для каждого генома характерны определенные комбинации нуклеотидов, которые повторяются с определенной частотой. Наличие фрагментов с нехарактерными комбинациями свидетельствует о имевшем место в прошлом горизонтальном переносе генов. Местоположение гена также может быть характерным (условно-естественным) или нехарактерным, свидетельствующим о горизонтальном переносе. Короче говоря, все познается в сравнении.

  Слово «цитос» на греческом означает «клетка». Наука цитология и ее производные занимаются изучением живой клетки.

  В широком смысле денатурацией (утратой природных свойств) называют изменение пространственной структуры не только молекул ДНК, но и молекул белков. Выраженная денатурация приводит к утрате естественных свойств. До определенных пределов денатурация может быть обратимой, что мы видим на примере молекулы ДНК, способной распадаться на две цепочки и снова становиться «двойной» без утраты присущих ей свойств.

  Геногеографией называется научная дисциплина, изу-чающая географическое распространение генетических признаков живых организмов по различным географическим районам нашей планеты.

  Вообще-то немецкий математик Иоганн Карл Фридрих Гаусс, которого у нас называют то Карлом Гауссом, то Иоганном Гауссом, сказал иначе: «Математика – царица наук, а арифметика – царица математики». Но в наше время статистика высоко вознеслась над арифметикой.

  Гемофилия – наследственное заболевание, связанное с нарушением процесса свертывания крови. Дальтонизм, или цветовая слепота – наследственное заболевание, при котором наблюдается снижение различения цветов (всех или некоторых) вплоть до полной неспособности.

  Размножение делением тела на несколько частей, наблюдаемое у некоторых червей или, к примеру, у медуз, называется стробиляцией.

  Приставка «а-» обозначает отрицание, отсутствие. «Амейотический» – протекающий без мейоза.

  Количество половых хромосом в гамете будет больше двух (три или четыре) в том случае, если нерасхождение имело место на обоих этапах мейоза.

  Репрезентативность – соответствие результатов эксперимента, проведенного с участием некоторого количества особей, характеристикам всей популяции или генеральной совокупности в целом.

  Хроматин, являющийся основой хромосом, представляет собой комплекс ДНК с белками.

  Приставка «гетеро-» указывает на различие, разнородность, а приставка «гомо-» – на сходство, однородность.

  Дигибридное скрещивание является разновидностью полигибридного скрещивания – скрещивания организмов, различающихся по нескольким парам альтернативных признаков.

  Антигеном называют вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное и против которого вырабатывает собственные антитела. Ученые пока еще не пришли к единому мнению о том, почему и для чего природе понадобилось снабжать эритроциты антигенами.

  Установление отцовства по ДНК может производиться в добровольном и судебном порядке.

  От греческого слова «эпистазис», означающего «препятствие».

  При доминантном эпистазе, обусловленном действием доминирующего аллеля, может наблюдаться расщепление по фенотипу в соотношении 12:3:1, 13:3 и 7:6:3, а при рецессивном – 9:3:4, 9:7 или 13:3. В качестве тренировки вы можете расписать «расклады» для каждого из случаев самостоятельно.

  То, что в процессе индивидуального развития организма (по-научному – онтогенеза) все клетки сохраняют полный геном, было доказано почти шестьдесят лет назад при помощи весьма убедительного эксперимента. Собственные ядра в яйцеклетках лягушки заменили на ядра эпителиальных клеток, выстилающих изнутри кишечник головастика. Гаплоидное ядро яйцеклетки, содержащее одинарный набор хромосом, заменили на диплоидное ядро эпителиальной клетки, в котором набор хромосом был двойным. То есть оплодотворять такую яйцеклетку не требовалось. С точки зрения оценки хромосомного набора эпителиальной клетки эксперимент был чистейшим – никаких посторонних хромосом, только свои.

Примерно из одного процента яйцеклеток развились полноценные взрослые особи! Здесь был важен не процент успешных развитий, а полноценность хотя бы одной особи. Если фенотип получился полным, значит, и генотип эпителиальной клетки был полным. Эпителиальные клетки, выстилающие поверхность нашего тела и его полости, – это весьма и весьма «узкоспециализированные» клетки, которые имеют ограниченный набор функций. Если бы клетки организма избавлялись от ненужных генов, то эпителиальные клетки непременно лишились бы довольно весомой части своего генома. Исходя из этого соображения они и были выбраны для участия в эксперименте.

  Ремоделированием называется изменение существующей структуры чего-либо.

  Сахарный диабет второго типа (инсулиннезависимый диабет) – заболевание, характеризующееся хроническим повышением уровня глюкозы в крови, развивающееся в результате нарушения взаимодействия гормона инсулина, вырабатываемого поджелудочной железой, с клетками организма. Этот тип диабета называется «инсулиннезависимым», потому что в его основе лежит не пониженная выработка инсулина, а нарушение способности клеток усваивать глюкозу.

  От латинского reparatio – «восстановление».

  Для простоты мы говорим об аминокислотах в составе белковой молекулы, хотя правильнее было бы называть их не аминокислотами, а аминокислотными остатками, поскольку при образовании белковой молекулы каждая молекула аминокислоты отдает какие-то атомы, чтобы соединиться с двумя другими аминокислотами.

  В широком смысле слово «интерференция» означает взаимное влияние. В данном случае микроРНК влияет на матричную РНК.

  От латинского evolutio – «развертывание», «развитие».

  Немец Вильгельм Вайнберг был врачом, а англичанин Годфри Харди – математиком, но разные профессии не помешали им в начале ХХ века независимо друг от друга сформулировать этот закон.

  Гамбит (от итальянского gambetto – подножка) – общее название шахматных дебютов, в которых одна из сторон в интересах быстрейшего развития или стратегически выгодного захвата центра шахматной доски жертвует противнику пешку или легкую фигуру (слона или коня).

  Если кому интересно, то по-научному это утверждение, являющееся теоремой естественного отбора Фишера – Райта, звучит следующим образом: «Интенсивность естественного отбора (а следовательно, и скорость эволюции путем отбора) пропорциональна величине генетической дисперсии по приспособленности эволюционирующей популяции, которая, в свою очередь, пропорциональна эффективному размеру популяции». Термином «дисперсия» обозначают разнообразие признаков в популяции. А в понятие «эффективный размер популяции» входят не все особи, составляющие популяцию, а только размножающиеся. С точки зрения эволюции в целом и естественного отбора в частности, особь, не дающая потомства, никакого внимания не заслуживает.

  Молекула плазмидной ДНК может содержать от одного до миллиона нуклеотидов, но в среднем – около тысячи.

  Благородные металлы, не подверженные коррозии и окислению, и вообще химически малоактивные, являются безвредными (нетоксичными) для большинства живых клеток.

  На самом деле эта фраза Архимеда приводится у древнего историка Плутарха в следующем виде: «Будь в моем распоряжении другая земля, на которую можно было бы встать, я сдвинул бы с места нашу».

  Болезнь Хантера (или синдром Хантера) – одна из форм мукополисахаридоза, тяжелого наследственного заболевания, вызванного нарушением обменных процессов в соединительной ткани.

  Слово «фетальная» означает «зародышевая»,

  Реципиентом называется организм, получающий биологический материал от другого организма, называемого донором.

В. В. Маяковский, «Послушайте!».

*  Метаанализом называется научный метод, суть которого заключается в объединении результатов нескольких исследований и их оценки методами статистики. Проще говоря, собираются данные, полученные разными учеными в разных научных учреждениях в разное время, и анализируются с целью выявления общих закономерностей.

  A. L. Van Eenennaam, A. E. Young. Prevalence and impacts of genetically engineered feedstuffs on livestock populations. Journal of Animal Science. 2014. Oct; 92(10):4255-78. https://doi.org/10.2527/jas.2014-8124

  Липиды – это общее название жиров и жироподобных веществ.

  Ученые называют этот вопрос «циркуляция идей или людей?».

  Неандерталец, он же палеоантроп – вымерший или ассимилированный (смешавшийся с другими разновидностями) представитель рода людей. Одни ученые считают неандертальца подвидом биологического вида Человек разумный, а другие – отдельным видом рода Человек. Неандертальцы не являются прямыми предками современных людей, как считалось раньше, а представляют собой боковую ветвь эволюции человека.

  Транскриптом называется молекула матричной РНК, образующаяся в результате транскрипции гена.

  В соматической клетке человека, в зависимости от ее типа, присутствует от 100 до 10 000 копий митохондриальной ДНК.

  Возбудимостью, или раздражимостью, называется способность живых клеток воспринимать изменения внешней среды и отвечать на них определенной реакцией, называемой реакцией возбуждения. Лабильностью называется скорость протекания циклов возбуждения в нервной и мышечной тканях.

  Вирионом называется полноценная вирусная частица, состоящая из нуклеиновой кислоты и капсида и находящаяся вне живой клетки.

  Название «колимовирусы» является сокращением от английского cauliflower mosaic – «мозаика цветной капусты», потому что наиболее изученным представителем данного семейства является вирус мозаики цветной капусты (Cauliflower mosaic virus).

  Ничего «суперского» в дополнительных оболочках нет. С биологической точки зрения капсиды гораздо «круче» суперкапсидов. Дело в том, что «супер» на латыни означает «над» или «сверху». Суперкапсид – это то, что расположено над капсидом, не более того.

  Суд. 16:28–30.

  Полимерами называются вещества, состоящие из повторяющихся звеньев, соединенных в огромные длинные молекулы. Молекулы ДНК и РНК – типичные полимеры.

  Все, сказанное в этом абзаце, является изложением «страшилки», а не собственным мнением автора. Не спешите ужасаться, а спокойно читайте дальше.

  Патогенностью называется способность вызывать болезни.

  Впервые возможность синтеза биополимеров в неживой природе (по-научному такой синтез называется абиогенным) была экспериментально доказана в 1953 году американскими учеными Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Аппарат, спроектированный для проведения эксперимента, состоял из двух стеклянных колб, соединенных в замкнутую цепь. В одну из колб было помещено устройство, имитирующее грозовые эффекты – два электрода, между которыми регулярно происходил электрический разряд при напряжении около 60 тысяч вольт, а в другой колбе постоянно кипела вода. Аппарат был заполнен смесью газов, соответствовавшей тогдашним представлениям о составе атмосферы ранней Земли (смесь состояла из метана (CH4), аммиака (NH3), водорода (H2) и монооксида углерода (CO). Аппарат проработал неделю, в результате эксперимента были синтезированы уксусная и муравьиная кислоты, мочевина и несколько аминокислот.

  От латинского restrictio – «ограничение».

  Канцерогенами называются факторы окружающей среды, воздействие которых на организм повышает вероятность возникновения злокачественных опухолей.