Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Льюис Уолперт

Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Что есть такое — жизнь? Соленая вода, Что форму обрела в пространстве клетки, Не знающей покоя никогда. Но кто ее патрон? Он не оставил метки… Джон Мейсфилд

Введение. Чудесная клетка

Клетки являются чудом эволюции. Они представляют собой чудо не с религиозной точки зрения, а потому, что обладают набором чудесных качеств. Каждый из нас в своей основе представляет собой сообщество миллиардов клеток, которые определяют все — от наших движений до памяти и способности к воображению. Мы обязаны своим происхождением всего лишь одной клетке — оплодотворенной яйцеклетке. Да и вообще вся жизнь на земле произошла из одной-единственной клетки миллиарды лет тому назад. Открытие клеточной теории считается более важным событием в биологии, чем даже теория эволюции Дарвина, поскольку эта теория позволила установить общую основу целого ряда различных явлений. Она объясняет то, как функционирует наше тело, что является исключительно важным тогда, когда что-то нарушается и мы заболеваем. Для того чтобы понять природу целого ряда заболеваний — от рака до инсульта и болезни Альцгеймера, мы должны научиться понимать то, как работают отдельные группы клеток во всем многообразии единого клеточного сообщества. Познание клеток — это ключ к будущему медицины. Мы также должны научиться понимать, как происходит старение клеток, и благодаря этому познать природу самой смерти. Когда нас поражают болезнетворные микробы и вирусы, наша иммунная система пытается выявить нежеланных пришельцев, вторгшихся в организм, уничтожить их и ради этого предпринимает очень серьезные усилия. Что же, как не клетки, лежит в основе этих фундаментальных жизненных процессов и движет ими? И что же такое сама жизнь?

Всего лишь несколько лет тому назад научные проблемы клеточной биологии обсуждались в узком кругу специалистов, практически не контактировавших с широкой публикой. Сейчас же эти проблемы неизменно попадают в заголовки новостей — как по медицинским соображениям, так и по соображениям этики. Почти ежедневно нас пичкают новостями про стволовые клетки, в которых, быть может, таится ключ к лечению многочисленных болезней, про клонирование клеток, про рост заболеваемости раком и ожирением и про использование диагностики с помощью ДНК для выявления дефектных генов и опознания преступников. Клеточная биология вызывает сейчас всеобщий интерес — или тревогу. Понимание того, как функционируют клетки, способно внести ясность в эти дискуссионные вопросы.

Клетки являются основой всего живого — от бактерий до животных и растений. Клетки очень малы — на поверхности кожи между вашими ногами и носом присутствует около одного миллиона клеток, однако при их малых размерах они являются одними из самых сложных созданий во всей Вселенной. Сообщество же клеток, образующих наш мозг, не знает себе равных по сложности организации. Однако при этом не существует никакого высшего органа, который контролировал бы клетки, — они работают вместе на началах сотрудничества и кооперации.

Все, что есть в мире живого, состоит из клеток, хотя формы, которые они при этом принимают, являются самыми разнообразными — от улиток до слонов и роз. Клетки способны выполнять удивительное множество самых разнообразных функций: клетки кожи укрывают и защищают наш организм, мускулы сокращаются, нервы передают нервные импульсы, клетки кишечника поглощают питательные вещества. Клетки образуют сосуды нашей кровеносной системы, клетки почек фильтруют кровь, иммунная система защищает наш организм от внешних вторжений, клетки крови переносят кислород, клетки костей и хрящей образуют наш костный каркас, и так далее. Однако, несмотря на очевидные различия между, скажем, нервными клетками и клетками кожи, они работают на основе одних и тех же базовых принципов.

Каждая клетка окружена тонкой эластичной оболочкой, которая отвечает за то, что проникает в нее и выходит из нее. В целом ряде случаев эта оболочка тесно прилегает к оболочкам соседних клеток, которые соединяются вместе для того, чтобы образовать обширные слои клеток, из которых созданы, например, наши кожа и сосуды.

Внутри клетка делится на две основные области: ядро и цитоплазму. Похожее на плоский диск ядро клетки является самой важной ее составляющей частью и, в свою очередь, окружено оболочкой, которая отвечает за то, что проникает в ядро или выходит из него. В клеточных ядрах находятся молекулы ДНК, которые определяют последовательность аминокислот в наших белках. Сами же белки вырабатываются в той части клетки, которая прилегает к ядру и называется цитоплазмой. В этой части клеточной структуры осуществляются основные функции клетки. Их выполняют белки, которые взаимодействуют с постоянно меняющейся средой.

В цитоплазме также находятся похожие на сосиски небольшие образования, которые называются митохондриями и которые обеспечивают клетку энергией, а также другие виды внутриклеточных мембран и оболочек. Исключением из этого правила являются кровяные клетки: в ходе эволюции этого вида клеток все вышеперечисленные элементы из них исчезли.

То, что все наши клетки так разительно похожи друг на друга, не удивительно, поскольку все они развились из одной и той же клетки, а именно из яйцеклетки. Из одной оплодотворенной яйцеклетки развивается все то, что содержится в конечном счете в наших телах, включая и такую сложнейшую структуру, как мозг. Для того чтобы подобное развитие стало возможным, клетки должны знать, где именно они находятся, они должны уметь изменять свою конфигурацию и делиться.

Наш мозг и позвоночный столб, например, развиваются из изначально плоского скопления клеток. Вся программа развития этой сложнейшей структуры заключена в крошечной оплодотворенной яйцеклетке. Сам мозг, как и вся остальная нервная система, есть не что иное, как сложнейшее образование, созданное из миллионов взаимодействующих нервных клеток. Это взаимодействие осуществляется при помощи электрических импульсов, которые нервные клетки передают друг другу через свои волокна. В дополнение к этому существуют клетки, которые реагируют на свет, поступающий в глаза, и на запахи, которые мы обоняем при помощи носа, а также клетки кожи, которые реагируют на боль и позволяют ощущать прикосновения и изменения температуры. Наши эмоции — любовь, грусть, страдания — также коренятся в наших клетках.

В возрасте двадцати пяти лет я увлекся клеточной биологией, поскольку заинтересовался процессом деления клеток. Я получил инженерное образование и занимался исследованиями механических свойств почв, что важно для определения устойчивости фундаментов. Однако это не казалось мне достаточно привлекательным. Я хотел заняться исследованиями чего-то более интересного, и мои друзья знали, что я ищу новые сферы для приложения сил.

Мне повезло: один мой друг давно интересовался проблемой клеток. В библиотеке он наткнулся на статью в журнале, где обсуждалась возможность применения принципов механики для изучения процесса деления клеток. Каким образом на сферической поверхности клетки образуется полоса сжатия и она разделяется на две клетки? Мой друг предложил мне поработать над этим. Я последовал его совету и с тех пор увлекся проблемами клеток и эмбрионов.

Моим первым увлечением стало деление клеток, которое можно наблюдать у эмбрионов морских ежей. Их легко наловить летом в море, и их большие яйца позволяют с легкостью проводить опыты, направленные на изучение механических свойств клеточных оболочек. Кроме того, я изучал развитие взрослых особей морских ежей, затем перешел к изучению процесса восстановления тела гидр и, наконец, заинтересовался процессами образования конечностей цыплят. Клетки всегда казались мне и до сих пор кажутся настоящим волшебством.

Надеюсь, что эта книга поможет найти ответы на все основные вопросы, касающиеся жизнедеятельности клеток, и даст объяснение тому, как они функционируют. При этом в фокусе моего внимания будут находиться вопросы функционирования клеток человеческого тела, хотя надо сказать, что и другие живые организмы — от бактерий до червей и мух — являются бесценными источниками знаний, позволяющими изучать и познавать поведение клеток. И какими бы умными ни казались нам клетки, в действительности они всегда превосходят наши ожидания.

Представьте, что вы вдруг стали бесконечно малы, не более одной молекулы воды, которая и в самом деле совсем крохотная: в одном стакане воды содержится больше отдельных молекул, чем содержится стаканов воды во всем Мировом океане. Вы стали так малы, что можете незаметно проникать в любую из миллиардов клеток, из которых состоит человеческий организм. Когда вы приближаетесь к клетке, вам кажется, что она — гигантская. Оказавшись в непосредственной близости от нее, вы видите, что клетка окружена оболочкой. В этой оболочке вы видите небольшие отверстия, сквозь которые вы можете проникнуть внутрь клетки, и отдельные еще более мелкие отверстия, через которые в клетку могут проникать молекулы нужных ей веществ. Еще в клеточной оболочке имеются отверстия, через которые из нее, например, непрерывно выводятся молекулы натрия.

Протиснувшись через одно такое отверстие, вы оказываетесь внутри клетки. Здесь вокруг вас с огромной скоростью движутся миллионы белковых молекул, которые отвечают за работу клетки, а также молекулы сахаров и жиров. Вы увидите также внутренние оболочки клетки, различные белковые нити и микрокапсулы. Нити и капсулы образуются из белковых молекул, которые соединяются вместе, чтобы сформировать сложные построения. Каждое из этих белковых образований подобно зрителю на заполненном до отказа футбольном стадионе — зрителей очень много, все вместе они образуют гигантскую толпу, но каждый при этом живет своей особой отдельной жизнью. Вам может показаться, что отдельные молекулы внутри клетки движутся хаотично, однако это не так.

Тысячи различных белковых молекул непрерывно кружатся в клетке, готовые участвовать в выполнении общей работы. Белки, созданные из аминокислот, подобны свитым вместе причудливым гирляндам цепей. Порой они принимают весьма причудливые формы. Некоторые из них действуют, подобно машинам, разрезая одни молекулярные цепочки и конструируя другие. В процессе этой работы они сами меняют свою форму, напоминая перестроения акробатов. Вы также можете наблюдать отдельные молекулы, которые при помощи специальных белков передвигаются внутри клетки по маленьким трубкам, в свою очередь сложенным из белковых молекул, — эти трубки чем-то схожи с железнодорожными путями.

Особую важность представляет процесс синтеза новых белковых образований. Гены следят за тем, чтобы аминокислоты, из которых, как из кирпичиков, складываются новые белки, соединялись друг с другом в правильной последовательности. Эти аминокислоты присоединяются друг к другу одна за другой, формируя длинные цепочки, которые затем образуют сложные белки.

Энергию, которая необходима для большей части этих процессов, предоставляют молекулы аденозинтрифосфаты (они обычно обозначаются аббревиатурой АТФ), которые постоянно движутся внутри клетки, ожидая, когда потребуется их участие. Эти молекулы исходят из больших цилиндрических трубочек внутри клеток, которые называются митохондриями. Митохондрии производят молекулы АТФ, используя для этого энергию, которая получается при сгорании глюкозы.

Если вы проникнете еще дальше в глубь клетки, то увидите оболочку, которая окружает ядро. В этой оболочке также имеются отверстия, через которые в ядро клетки входят и выходят различные молекулы. Если же вы проникнете через какое-то из этих отверстий в клеточное ядро, то увидите там хромосомы, внутри которых находятся цепочки ДНК. Двигаясь вдоль хромосом, вы сможете убедиться, что они содержат тысячи различных генов.

Придя в некоторое замешательство от увиденного, вы начинаете понимать, насколько же сложен механизм функционирования одной-единственной клетки. Каждая клетка — это основа жизни, и в каждом из наших тел содержатся миллиарды таких клеток. В этой книге я постараюсь рассказать о тайнах работы клеток и показать, как функционирует сообщество клеток в качестве единого организма.

Но сначала о том, как были открыты клетки.

1. Открытие

 Как наука прояснила основные факторы жизни

В древности было принято давать простые объяснения вопросам жизни и смерти, действующим в обществе законам и тому, что такое хорошо и что такое плохо. Делалось это в основном в русле религиозных воззрений, которые передавались из поколения в поколение. В самых разных культурах это находило отражение в мифах и легендах, ритуальных песнопениях и танцах, в писаных и неписаных законах. Затем появились греки. Они ничего не знали о клетках, но они пытались понять устройство жизни, особенно тогда, когда что-то нарушалось и люди заболевали.

Наука обязана своим зарождением древним грекам, которые попытались понять устройство мира, основываясь на логике и доказательствах. Другие человеческие общества, например китайское, располагали замечательными технологиями, однако до создания науки они не додумались. Впрочем, в области биологии древним грекам не удалось добиться значительных успехов, поскольку обыденные представления часто противоречат научным фактам — они помешали грекам сформировать идею о том, что в основе жизни лежит деятельность клеток.

При этом Аристотелю удалось совершить небывалый прогресс в области логики, Евклиду — в сфере математики, а Архимеду, возможно самому великому из древнегреческих ученых, — в области физики и механики. Некоторые из древнегреческих ученых были сторонниками атомарной теории устройства мира, считая, что мир создан из мельчайших частиц. Аристотель эту идею отвергал, полагая, что материя — едина.

Древние греки полагали, что все создано на основе четырех элементов: земли, огня, воды и воздуха. На основе этих представлений они разработали теорию о том, что внешний вид и функционирование человеческого тела также базируются на четырех субстанциях — черной желчи, желтой желчи, флегмы и крови. Представление о том, что все болезни происходят от избытка либо недостатка одной из этих четырех субстанций, перешла от древних греков к римским врачам и философам. Гиппократ, живший в Греции за четыреста лет до Рождества Христова, был одним из приверженцев этой теории и одним из первых отверг все остальные объяснения заболеваний, в которых было куда больше мистики.

Со времен Гиппократа и вплоть до восемнадцатого столетия медицина опиралась на теорию четырех субстанций. Древние греки и римляне, а вслед за ними западные ученые, усвоившие классическую философию, полагали, что в зависимости от способа питания и физической активности каждая из этих субстанций может то прибывать, то убывать. Если в ком-то наблюдался избыток какой-то субстанции, то от этого страдали и характер, и здоровье. Все это привело к тому, что на протяжении двух тысяч лет врачи лечили людей кровопусканием. В действительности такое лечение имело нулевой врачебный эффект, если не считать, конечно, эффекта плацебо, когда сам пациент начинает верить, что польза есть.

Что касается зарождения жизни, то одни ученые считали, что она возникла в воде, а другие — что в воздухе. Греческий философ Эмпедокл полагал, что растения и животные появились в результате воздействия огня, который вырвал из глуби земли бесформенные куски материи и часть из них затем превратилась в людей. За всеми этими идеями скрывалось представление о том, что жизнь — это своего рода особая сила, которая может одухотворить любой материальный объект, сделать его живым. Это соответствовало церковным воззрениям позднейшего времени. И если бы не был изобретен микроскоп, мы, возможно, придерживались бы их до сих пор.

Другое древнее представление о жизни, которое пришло к нам из Китая и до сих пор используется в теориях, связанных с практикой акупунктуры, основывается на убеждении в том, что в человеческом теле содержится жизненная сила (ее называют «ци» или «ки»), циркулирующая по невидимым каналам. В соответствии с этой теорией все болезни вызываются нарушениями в циркуляции «ци». До сих пор в ходу утверждения о том, что точки иглоукалывания представляют собой те области, которые влияют на циркуляцию жизненной энергии; воздействуя на них, можно вылечить различные заболевания.

Клеткам удавалось удивительно долго скрывать от нас свои тайны. Примерно две тысячи лет назад древние римляне, экспериментируя с формами стекла, толстыми в середине и тонкими по краям, обнаружили, что, когда подобные «линзы» подносят к предметам, те выглядят крупнее. Однако стеклянные линзы так и не нашли применения вплоть до тринадцатого столетия, когда в Италии стали изготавливать очки для коррекции зрения.

Первые микроскопы, которые были просто увеличительными стеклами, состояли из одной линзы, обладающей способностью увеличивать предметы примерно в десять раз. Этого было недостаточно, чтобы увидеть клетку, хотя было очень интересно смотреть сквозь такое увеличительное стекло на мух и других крохотных насекомых. Решительный прорыв вперед произошел в 1590 году, когда два голландских мастера, занимавшихся изготовлением стекол для очков, догадались поместить сразу несколько линз в трубку и тем самым сделали важнейшее открытие. Предмет при взгляде через такую трубку увеличивался многократно — гораздо больше, чем под одним увеличительным стеклом. Так был изобретен прообраз микроскопа.

Первым человеком, который увидел клетку и назвал ее так — хотя и не осознал в тот момент, что же именно он сумел разглядеть, — стал Роберт Гук. Это случилось в 1665 году. Будучи еще совсем юным, Гук обладал блестящими способностями быстро схватывать все новое. К тому же он от природы обладал умением конструировать различные приспособления. Закончив Вестминстерскую школу в Лондоне, он поступил в колледж Крайст-Черч в Оксфорде. Там он научился разбираться в широком спектре научных дисциплин, включая астрономию, биологию, физику и архитектуру, и заслужил репутацию умелого изготовителя инструментов для проведения научных исследований. В 1663 году он стал членом Королевского научного общества в Лондоне, а позднее — его председателем.

В своих научных работах, которые публиковались на протяжении сорока лет, Гук разрабатывал идею основополагающего принципа, который мог бы служить единой основой для развития всей природы. Он называл его «великой единой теорией». Гук считал аксиомой то, что вся природа создана на основе общего принципа, ибо он верил в то, что природа — продукт Божественного разума, а предположить, что Господь был непоследователен или противоречив, разрабатывая и осуществляя великий замысел сотворения мира, было немыслимо. А поскольку человека также сотворил Господь по Своему образу и подобию, то было логично предположить, что человек способен постичь единый принцип, который лежит в основе всего живого. Как сказал однажды Кеплер, «наука думала за Господа Его мысли».

Гук создал свою собственную модель микроскопа. Под ним он исследовал нарезанные скальпелем тончайшие ломтики пробки и сумел разглядеть стенки клеток и пустое внутреннее пространство, которое они окружали. Он назвал эти образования «клетками», от латинского слова «cella», что означает «маленькая комнатка», ибо они напомнили ему монашеские кельи в монастырях. Однако у него не было ни малейшего представления о том, чем же на самом деле они являлись и какую функцию выполняли. Он решил, что это протоки, через которые осуществляется движение жидкостей в растениях.

«Микрография» Гука, в которой содержались первые рисунки клетки, а также зарисовки множества других мельчайших образований, увиденных им в микроскоп, появилась на прилавках книжных магазинов в январе 1665 года. Через шесть лет после публикации записей наблюдений Гука Королевское научное общество в Лондоне получило рукописи от двух других ученых, которые утверждали, что растения состоят из клеток с толстыми стенками. В результате возник спор о том, кто же первым сделал это открытие.

Первым человеком, который сумел увидеть клетку животного, был Антон ван Левенгук. Его и следует называть истинным основоположником исследований при помощи микроскопа. Левенгук был самоучкой — он не учился ни в каком университете, однако стал одним из величайших и наиболее опытных исследователей природы. В 1648 году Левенгук в шестнадцатилетнем возрасте отправился в Амстердам и стал учеником в полотняной лавке. В этой лавке пользовались увеличительными стеклами для того, чтобы сосчитать количество ниток на единицу площади в полотне, — так определяли его качество. На основе увеличительных стекол, которыми пользовались торговцы полотном, Левенгук создал свой первый микроскоп. По-видимому, «Микрография» Гука вдохновила Левенгука на то, чтобы с микроскопом приступить к изучению живых организмов.

Левенгук овладел способами шлифовки линз, которые позволили ему создать микроскоп с увеличением в 300 раз. С его помощью он в 1670 году обнаружил во взятой из пруда воде мельчайшие организмы, которые назвал «анималкулами», то есть «маленькими животными». Эти организмы включали мельчайшие движущиеся образования, состоявшие всего из одной клетки. Однако сам Левенгук еще не понял, что это клетки, — он видел лишь, что они очень маленькие и живые. В изданных в 1683 году «Философских трудах Королевского научного общества» можно увидеть сделанный Левенгуком первый в истории рисунок бактерии.

В 1673 году Левенгук взял на пробу кровь из собственного пальца и увидел, что она состоит из маленьких круглых шариков, которые он назвал «глобулусами». Он решил, что вся живая материя состоит из этих «глобулусов», но это предположение не получило широкого признания, поскольку оказалось, что наблюдения Левенгука мало применимы к монолитным животным тканям. Более популярной стала теория о том, что основным строительным материалом человеческого тела являются животные волокна. В последующие сто лет практически не произошло никакого прогресса в изучении и понимании роли клеток.

В начале XIX столетия многие ученые занялись изучением биологических материалов. В 1820-х годах во Франции ученый Рене Дютроше заинтересовался структурой эмбрионов. Изучая мозг улитки, он ясно увидел его отдельные клетки, поскольку они были весьма велики. Дютроше наблюдал за мельчайшими организмами в неподвижной воде и увидел в микроскоп то, что было уже описано до него Левенгуком. Но Дютроше же заинтересовало постоянное движение этих организмов. Из своих наблюдений он сделал вывод о том, что, возможно, наблюдал прямые проявления той самой знаменитой и ускользающей из поля зрения ученых «жизненной силы». В 1824 году Дютроше написал: «Жизнь, если рассматривать ее с физической точки зрения, есть не что иное, как движение, а смерть — прекращение этого движения». Дютроше считал, что новые клеточные «глобулусы» формируются внутри уже существующих, и не поддерживал идеи спонтанного размножения клеток.

Другой француз, Жан-Франсуа Распай, который в какой-то момент даже был кандидатом на пост президента республики, был убежден, что клетки лежат в основе всех организмов. Как и Дютроше, он полагал, что новые клетки формируются внутри уже существующих. Распай оставил нам два выдающихся высказывания: «Дайте мне кусочек живой материи, и я сотворю из него все существующее мироздание», а также: «Каждая клетка происходит от другой клетки». Но наука в ту пору еще не знала, каким именно образом формируются клетки, хотя уже в 1832 году бельгийский политик и ученый-любитель Анри Дюмортье наблюдал размножение клеток растений. Он видел, как одна из клеток становилась больше соседних, затем в ней образовывалась перемычка, и клетка делилась на две. Приятно знать, что политики в ту эпоху интересовались биологией.

В начале девятнадцатого столетия научные представления о клетках сводились в основном к повторению теории о «глобулусах», и считалось, что внутри «глобулусов» нет ничего заслуживающего внимания. И это несмотря на то, что еще в 1682 году Левенгук описал увиденные им мелкие структуры внутри клеток крови трески и лосося. Речь шла об увиденных им ядрах клеток, функции которых стали понятны ученым лишь в двадцатом веке. Само же название «ядро» было присвоено этим образованиям в 1831 году шотландским ученым Робертом Брауном. Он был убежден, что эти ядра выполняют какие-то важные функции, только не знал, какие именно.

На развитие научных представлений о клетках оказала огромное влияние работа немецкого физиолога и убежденного католика Теодора Шванна. Он занимался исследованиями нервных и мускульных тканей при помощи микроскопа и открыл жировую оболочку, покрывающую многие нервные клетки. С тех пор эти клетки так и называются «клетками Шванна». Немецкий ученый порвал с традиционным и, по сути, мистическим представлением о неких «жизненных силах» и стал искать сугубо научное объяснение жизненным феноменам, которое базировалось бы на точных законах физики и химии.

Во время обеда Шванна и ботаника (он же адвокат) Маттиаса Шлейдена в 1837 году разговор коснулся ядра растительных клеток, и Шванн вспомнил, что видел внутри животных клеток такие же образования, которые он ранее наблюдал внутри растительных клеток. Этот миг положил начало созданию подлинной клеточной теории.

В 1838 году Шлейден предположил, что каждый структурный элемент растений был создан из клеток либо из их производных. В следующем, 1839 году с подобным же выводом относительно животных выступил и Шванн, выпустивший свой знаменитый труд «Исследования сходства в структуре и развитии растений и животных при помощи микроскопа». В этом труде Шванн утверждал, что «первичные структуры всех тканей образованы клетками». Имена Шлейдена и Шванна столь же тесно связаны с теорией клеток, как имена Ватсона и Крика — с открытием ДНК, сделанным столетием позже. Однако когда Шлейден и Шванн попытались понять, как же размножаются клетки, они допустили серьезнейшие ошибки.

Разумеется, нам следует принять во внимание те объективные трудности, с которыми они столкнулись. Если ученый обладает микроскопом, то какие области он должен исследовать, чтобы увидеть, как формируются клетки? В любом живом теле нет таких очевидных мест. Лучше всего наблюдать за этим на примере развивающегося эмбриона, но для этого требуется сначала осознать, что все клетки тела ведут свое происхождение от одной-единственной клетки, от оплодотворенного яйца, которое в дальнейшем размножается путем деления. Шлейден и Шванн этого не знали, и это было неизвестно еще нескольким поколениям ученых, работавших позже них. Шлейден полагал, что первый этап в процессе воспроизводства клетки связан с формированием центра кристаллизации в пространстве за пределами клетки, после чего вокруг этого центра начинает образовываться новая клетка. По мнению Шванна, формирование новой клетки начинается с образования центра кристаллизации в свободном пространстве между отдельными клетками.

При этом Шлейден и Шванн либо не знали, либо игнорировали результаты наблюдения, сделанного Дюмортье в 1832 году, когда французский ученый увидел, что клетки зеленой водоросли размножаются путем деления. В области исследования животных клеток ключевым стало открытие в 1841 году немецким ученым Робертом Ремарком, который критически отнесся к теории, выдвинутой Шлейденом и Шванном, процесса размножения клеток эмбриона цыпленка. Другим важнейшим открытием Ремарка стало то, что оплодотворенное яйцо лягушки подвергается многократному последующему делению, в результате чего появляется эмбрион лягушки. Ремарк также сделал вывод о том, что различные злокачественные опухоли и новообразования на теле людей и животных появляются за счет деления изначально здоровых клеток.

В 1859 году немецкий ученый Рудольф Вирхов писал: «Любое животное является слагаемым из основных элементов, каждый из которых обладает характерными признаками живого организма. Из этого следует, что основной живой организм, так называемый индивидуальный организм, можно сравнить со своего рода социально организованным обществом, в котором отдельные члены зависят друг от друга таким образом, что при этом каждый отдельный элемент ведет свою собственную особую деятельность и, получая стимулы к своей деятельности от других элементов, тем не менее выполняет свою задачу своими собственными силами».

Здесь впервые прозвучала концепция, что мы представляем собой сообщество клеток. Идеи Вирхова стали основой теории формирования клеток, пусть даже сами механизмы возникновения новых клеток и не были еще до конца понятны ученым. Ученые уже увидели развитие оплодотворенного яйца лягушки и его последующее деление, приводящее к возникновению множества новых клеток, ряд из которых впоследствии развивался в клетки мускулов и хрящей. Как происходило это превращение, они не знали. Кроме того, ученым было нелегко признать некоторые «казусы» — например, то, что и нервы состоят из одной клетки хотя их отростки, аксоны, тянутся порой на метр в длину, и они мало похожи на привычные небольшие круглые клетки, которые наблюдались во всех остальных животных тканях. Попытки воссоздать и описать трехмерную структуру нервной системы наталкивались на невозможность определить истинные взаимоотношения нервных клеток и их длинных отростков и ответвлений.

Важный прорыв в этой области произошел в 1873 году, когда итальянский физиолог и нейрогистолог Камилло Гольджи (1843–1926) разработал способ окрашивать нервные клетки контрастным материалом. Теперь даже слепой, по словам самого Гольджи, мог легко увидеть нервы со всеми их отростками и соответственно изучить их. Гольджи полагал, что нервные аксоны со всеми их многочисленными ответвлениями, ясно видные после их окраски черной краской, образуют гигантскую разветвленную нервную сеть, через которую передаются нервные импульсы. Но Гольджи заблуждался: то, что он видел, было не аксоном одной нервной клетки с многочисленными ответвлениями, а множеством пересекающихся аксонов, которые относились к различным нервными клеткам.

Решающие изменения случились во второй половине 1880-х годов. В октябре 1886 года швейцарский эмбриолог Вильгельм Хис выдвинул идею о том, что каждая отдельная нервная клетка со всеми ее аксонами представляет собой отдельную системную единицу. С этого момента нервную систему стали рассматривать как совокупность отдельных клеточных элементов, каждый из которых взаимодействует с другими благодаря пересекающимся отросткам. Решающее доказательство правильности этой теории было получено лишь с помощью электронного микроскопа, который появился в 1930-е годы и позволил увидеть межнейронные синапсы — зоны функционального контакта двух нервных клеток.

С открытием Хиса наибольшую важность приобрели исследования внутренней структуры клетки. Ученые уже определили, что внутри как растительных, так и животных клеток находится ядро, хотя в ту пору никто еще не знал, что это ядро содержит в себе набор генов. Для того чтобы понять это, требовалось более тщательно изучить внутреннее строение клетки. Во время исследований растительных и животных клеток было установлено, что в момент деления клетки оболочка ядра растворяется и через срединную часть клетки протягивается веретенообразная структура. На этом веретене в центре клетки собирался определенный органический материал, который затем попадал в обе дочерние клетки. Когда клетка разделялась на две новые клетки, каждая из них получала свою отдельную оболочку и в каждой из них формировалось свое собственное ядро.

То, что собиралось в центре клетки на веретене, и представляло собой наследственный материал клеток — но кто мог понять это в ту пору? В 1870-е годы ученые установили лишь, что этот материал представляет собой набор микротрубочек различных размеров, каждая из которых делится надвое, и затем образовавшиеся пары разделяются и расходятся к разным полюсам клетки-матери, чтобы оказаться в новых клетках. Эти микротрубочки ученые назвали хромосомами.

Профессор зоологии Лейденского университета Эдуард ван Бенеден во время изучения паразитического червя установил, что в его клетках содержится всего несколько хромосом. Благодаря этому он мог легко проследить за судьбой каждой из хромосом при делении клеток, то есть в процессе митоза. Ван Бенеден установил, что каждая пара хромосом делится в центре клетки, после чего хромосомы отходят к противоположным полюсам клетки. В ходе этих исследований ван Бенеден установил также, чем определяются половые различия особей.

Животные, размножающиеся половым путем, как, например, люди, половину своих хромосом получают от матери, половину — от отца. Это происходит в момент оплодотворения яйцеклетки. У людей каждый из родителей дает плоду по 23 хромосомы, в результате чего оплодотворенная яйцеклетка имеет 46 хромосом, и точно такое же количество хромосом содержится в каждой клетке человеческого эмбриона.

Изучая животное, в каждой клетке которого содержалось всего по две хромосомы, ван Бенеден догадался, что одна из этих хромосом была получена из отцовского сперматозоида, а другая — из материнской яйцеклетки. Таким образом, яйцеклетка и сперматозоид содержат лишь по одной хромосоме, и, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, она получает две хромосомы, и далее от нее путем деления образуются все без исключения клетки данного животного. Но как же взрослая особь, каждая из клеток которой содержит по две хромосомы, производит яйцеклетки и сперматозоиды, которые содержат лишь по одной хромосоме? Выяснилось, что процесс уполовинивания числа хромосом, мейоз, происходит одновременно с развитием яйцеклеток и сперматозоидов. Они проходят через две стадии деления клеток, однако при этом число хромосом в них удваивается лишь один раз. Мейоз — это один из основных генетических процессов. У людей, клетки которых содержат по 46 хромосом, в яйцеклетках и сперматозоидах получается по 23 хромосомы.

Главный вопрос, который так и не смогли разрешить в то время, как же именно передаются от родителей к детям их генетические характеристики. Особенно сложным он оказался для Чарлза Дарвина, выдвинувшего теорию эволюции и естественного отбора. Труды Дарвина по этой проблеме были впервые опубликованы в 1859 году. Каким же образом возникает разнообразие видов и их разнообразные отличительные характеристики, которые затем подвергаются естественному отбору? Дарвин, который не знал о теории клеток, полагал, что исходный материал, из которого развивается эмбрион, происходит из всех без исключения частей тел его родителей. Это стало известно под названием «теории пангенезиса». Племянник Дарвина Фрэнсис Галстон, не веривший в теорию пангенезиса, выдвинул предположение о том, что наследственный материал каким-то образом передается из поколения в поколение.

Фундаментальный прорыв в области генетики совершил Грегор Мендель. Рассказывать об этом весьма сложно, ибо неясно, насколько сам Мендель сознавал все его значение.

Результаты экспериментов Менделя с горохом в монастырском саду под Брно были опубликованы в издаваемом в Брно естественно-историческом журнале в 1866 году, однако они привлекли к себе очень мало внимания. Мендель писал, что характерные признаки гибридов гороха — такие, как округлая или угловатая форма семян, их желтый или зеленый оттенок, — следует считать наследственными признаками. Однако проявляются далеко не все признаки, поскольку некоторые из них подавляются каким-то одним, доминантным. При скрещивании рослых и малорослых сортов все потомство было высокорослым. Когда же между собой скрещивались эти гибриды, то треть потомства оказывалась низкорослым, а две трети — высокорослым. Речь о том, что за все это отвечают гены, в ту пору еще не шла.

Теодор Бовери из университета Вюрцбурга развил выводы ван Бенедена, сделанные в результате наблюдений за хромосомами, и доказал, что при развитии клетки все их характеристики сохраняются неизменными. Бовери пришел к выводу о том, что хромосомы являются независимыми образованиями по отношению к самой клетке. Он также обнаружил, что если в яйцеклетку морского ежа проникало больше одного сперматозоида, то в оплодотворенной яйцеклетке оказывалось избыточное количество хромосом и эмбрион развивался с дефектами. Исследование хромосом в клетках дождевых червей и морских ежей привело Бовери к выводу о том, что хромосомы переходят во вновь образовывавшиеся клетки при делении клеток и что именно они являются носителями наследственной информации. В 1902 году Бовери увидел взаимосвязь между своей теорией об индивидуальном характере хромосом и исследованиями Менделя о передаче наследственных признаков.

Бовери имел дело с генами, хотя их еще не называли так. У самого термина «ген» — весьма запутанное происхождение. В 1889 году Гуго де Вриес придумал термин «панген», которым он решил обозначить мельчайшую единицу, заключающую в себе наследственные характеристики. Затем этот термин укоротил до «гена» Вильгельм Йоханнесен. В 1908 году Уильям Бейтсон, зоолог из Кембриджского университета, описывая вопросы наследственности и изменения видов, написал: «Крайне необходимо придумать слово для того, чтобы обозначить само понятие об этом, и в этой связи слово „генетика“ вполне бы подошло».

Ученым, который с полной достоверностью установил существование генов, стал американец Хант Морган, сделавший это в первой четверти XX столетия. Морган был биологом-исследователем, однако никаких особых успехов он не добился. Однажды он изучал дрозофил и заметил, что одна из дрозофил обладает необычным свойством — белыми глазами (в то время как обычно у дрозофил глаза красные). Морган доказал, что эта необычная особенность была связана с полом дрозофилы.

Затем Морган обнаружил еще трех дрозофил, имеющих общие характерные признаки, которые были связаны с полом, и смог доказать, что за каждый из них отвечала особая область хромосомы, или ген. После этого ученые смогли наконец точно определить место генов в составе хромосом, и это позволило заложить фундамент науки генетики. Было признано, что гены — единственный механизм, отвечающий за передачу наследственных признаков от родителей потомству. Дрозофилы до сих пор остаются важным объектом генетических исследований, а Моргану за его достижения в этой сфере в 1933 году была присуждена Нобелевская премия.

Большая часть исследователей полагала, что ген сформирован на основе белка. Обнаружение в 1920-е годы вирусов, которые обладали способностью воспроизводиться внутри бактерий, подтвердило верность этих взглядов, поскольку исследования показали, что в 90 процентах случаев вирусы состояли из белка. В 1928 году были получены данные, которые указывали на то, что наследственная информация содержится в ДНК. Исследуя бактерию, которая вызывала пневмонию, британский медик и ученый-генетик Фред Гриффитс обнаружил, что эта бактерия существует в двух разновидностях: вирулентной, вызывающей заболевание в подопытных мышах, и безвредной. Когда он нагревал раствор с вирулентными штаммами, они также становились безвредными. Однако, к его удивлению, если он вводил подопытным мышам раствор с вирулентными штаммами, который был обезврежен в ходе нагревания, вместе с раствором с безвредными штаммами, то мыши заболевали пневмонией. Получалось, что вирулентные штаммы даже после того, как их подвергли нагреванию, сохраняли способность передавать свои болезнетворные качества безвредным штаммам.

Для того чтобы выяснить, что же именно передается в этом случае, ученым потребовалось пятнадцать лет, и они установили, что передается именно ДНК. Это открытие вызвало удивление, поскольку в те годы ученые полагали, что передаваться должны белки. Что ДНК содержит наследственный материал, выяснилось в ходе проведенных в 1944 году экспериментов с вирусами. Сами вирусы состоят из белка и ДНК, и исследования доказали, что наследственная информация, которая приводила к образованию новых вирусов, содержалась лишь в ДНК. В конце 1940-х годов было доказано, что качества бактерии меняются не под воздействием белка, но под воздействием ДНК. Однако некоторые ученые сомневались, что гены образованы спиралями ДНК. Предположение, что наследственный материал содержится именно в ДНК, а не в белках, получило окончательное подтверждение в начале 1950-х годов после открытия Криком и Уотсоном двойной спирали ДНК. Затем последовало открытие механизма саморепродукции ДНК и обеспечения строительства белков согласно содержащемуся в ДНК наследственному коду. Так ученые начали приближаться к пониманию молекулярной основы функционирования клеток.

Они выяснили, в чем заключаются функции хромосом, однако функции митохондрий удалось разгадать только в 1950-х годах. Эти небольшие образования были обнаружены во всех клетках, кроме клеток бактерий, еще в XIX столетии, однако выяснить их функцию тогда не смогли. Само название «митохондрии» отражает впечатления от их внешнего вида, зафиксированное впервые обнаружившими их учеными, — в основе его лежат греческие слова «нить» и «гранулы». В течение многих лет после открытия митохондрий ученые ошибочно полагали, что их функция состоит в переносе наследственной информации. Только в 1950-е годы их удалось извлечь из клеток и выяснить их структуру при помощи электронного микроскопа. Отделить митохондрии от других структур клетки удалось следующим образом: большое количество клеток надрезали и помещали в центрифугу. Поскольку удельный вес митохондрий отличается от удельного веса других структур клетки, в процессе центрифугования они отделяются. В результате биохимического исследования митохондрий ученые установили, что они обеспечивают клетки энергией, поставляя ее в форме АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты.

При исследовании клеток ученым зачастую необходимо иметь в своем распоряжении большое количество одинакового материала для проведения биохимического анализа. Извлечение клеток из живого организма — если только речь не идет о клетках крови — представляет собой немалую трудность. Поэтому встал вопрос о том, чтобы научиться выращивать их в искусственной питательной среде. Такие технологии стали разрабатывать с конца 1890-х годов, настоящий же прорыв в этой области произошел в 1907 году, когда ученые научились искусственно культивировать клетки тканей в течение нескольких недель.

Большинство клеток, изъятых из живого организма и помещенных в искусственную питательную среду, растут там в течение ограниченного периода времени — по причинам, которые будут объяснены позднее. Однако в процессе исследований выяснилось, что возможны практически «бессмертные» популяции клеток; они-то и оказались наиболее удобным объектом для изучения. Одна такая популяция клеток, которую называют «ГеЛа», возникла из тканей Генриетты Лакк, проходившей лечение по поводу рака шейки матки в 1951 году. Саму Генриетту Лакк раковая опухоль в конце концов убила. Популяция же клеток «ГеЛа», взятая из ее тела, оказалась весьма живучей. Благодаря наблюдениям за ней удалось изучить многие аспекты жизнедеятельности клеток — такие, как, например, рост внутри клеток вирусов полиомиелита. Всего только за два года в различные лаборатории по всему миру для изучения было разослано 600 тысяч образцов клеточных культур «ГеЛа».

Ученые серьезно продвинулись вперед, когда научились выделять из ткани клетки разных типов. Причем не беда, если первоначально удается выделить слишком малое число клеток какого-то одного типа — искусственная питательная среда поможет увеличить их количество. При этом большая часть клеток в искусственной среде сохраняет свои изначальные свойства: у нервных клеток вытягиваются длинные отростки-аксоны в поисках тех объектов, куда они могут передать нервный импульс, мускульные клетки непроизвольно сокращаются, а клетки ткани могут, размножаясь, формировать новые слои.

Все это позволило дать твердое научное обоснование клеточной теории. От того, как функционируют клетки, зависит жизнедеятельность организма и развитие в нем различных заболеваний, которые являются следствием неправильного функционирования клеток. Такой подход позволяет анализировать болезненные процессы на клеточном уровне. Он применяется при патологоанатомических исследованиях, когда определенные участки тканей исследуются при помощи микроскопа, чтобы выявить отклонения в развитии клеток, приводящие к болезни.

Клеточная теория позволила выработать общий универсальный подход к проблемам биологии. Эта теория подчеркивает глубинное единство всего живого и лежит в основе концепции о том, что все живые организмы представляют собой своеобразные «республики элементарных живых частиц» — иными словами, являются сообществом клеток.

Все клетки происходят от одного и того же общего прародителя, и все они в процессе эволюции сохранили свои основные базовые свойства. Подобные свойства клеток и живых организмов обусловливают то, что познание особенностей функционирования одного живого организма способно в большинстве случаев обеспечить понимание и познание другого живого организма, включая и человеческий, что крайне ценно, ведь с человеческим организмом особенно не поэкспериментируешь, в то время как эксперименты на мышах, лягушках, мушках, морских ежах, червях и бактериях способны дать нам знания, касающиеся всего живого, в том числе и нас самих. Например, обитающая в человеческом кишечнике бактерия Escherichia coli, которая вырабатывает 4300 различных белков, хорошо растет и быстро размножается. Исследованиям этой бактерии мы обязаны значительному росту наших знаний о молекулярных основах жизнедеятельности клеток, включая знания о воспроизводстве информации ДНК и белковом синтезе. Изучение многоклеточных животных, таких, как плодовые мушки, заложило основы классической генетики. Изучение лягушек, мышей и цыплят позволило узнать особенности эмбрионального развития позвоночных животных.

Рассказывая же в этой книге об основных процессах жизнедеятельности, мы сосредоточимся прежде всего на человеческих клетках.

2. Как мы живем

Как воспроизводятся клетки, как поддерживается порядок в сообществах клеток, как клетки зарождаются и как умирают

Лишь изучая клетки, мы можем выяснить, что же такое жизнь. Я не буду пытаться решить непосильную задачу и дать всеобъемлющее определение жизни — вместо этого я просто опишу ее главные свойства. Первым является способность к размножению, к воспроизводству самой себя, что происходит, например, когда клетка вырастает и делится на две новые клетки. Вторым свойством является способность к упорядочиванию и выработке энергии для происходящих в клетке процессов — таких, как перемещение молекул и синтез новых химических соединений. Третье свойство — способность клетки к развитию, а четвертое, и последнее, — к смерти. Удивительно, но во всех этих процессах ключевую роль играют одни и те же нитевидные молекулярные образования — ДНК и белки.

Белки внутри клеток — настоящие волшебники. Однако еще более важную роль играют ДНК, из которых образуются гены в хромосомах и которые обеспечивают матрицы для строительства новых белков. При этом все ДНК обладают уникальным общим свойством — это единственное внутриклеточное образование, которое точно воспроизводит само себя. Перед тем как происходит деление клетки, создается точная копия-двойник ее ДНК. Определяя структуру различных белков клетки, ДНК эффективно контролирует многие из происходящих внутри клетки процессов.

ДНК содержатся в клеточном ядре — на находящемся внутри клетки плоском диске, окруженном оболочкой. Оболочка эта очень тонка, и даже при рассматривании в мощный электронный микроскоп представляет собой лишь тонкую линию. Однако именно она является внешними границами клетки и отделяет ее содержимое от окружающей среды. Но клеточная оболочка — это нечто большее, чем просто граница клетки, ибо она содержит в себе специальные белки, которые позволяют определенным молекулам легко проникать внутрь клетки и так же легко выводиться из нее; одновременно они служат преградой для проникновения других молекул. Словом, белки клеточной оболочки играют активную роль в переносе отдельных молекул и атомов, которые вводятся в клетку и выводятся из нее. Ведь в клетку необходимо ввести пищу и обеспечить вывод из нее продуктов распада. Особой функцией клеточной оболочки является ее способность проводить электрические импульсы, что позволяет действовать в организме клеткам нервной системы.

Белки, которых всего в нашем организме около ста тысяч разновидностей, представляют собой связанные друг с другом цепочки небольших простых молекул, называемых аминокислотами. В белках содержится двадцать различных видов аминокислот. Десять из них вырабатываются клетками нашего организма, другие же десять мы получаем из пищи.

Белки отличаются друг от друга числом аминокислот и последовательностью их расположения. От этого зависят трехмерная структура и принципы функционирования каждого отдельного белка. Белки похожи на акробатов, которые складываются, изгибаются и меняют свою форму самым причудливым образом. Большая часть наших клеток содержит несколько тысяч различных белков, всего же в организме находятся миллионы белков самых разных видов. Если было бы возможно проникнуть внутрь этого миниатюрного царства и окинуть его взглядом, то оставалось бы только удивляться, как что-то может выйти из всей этой лихорадочной активности, ибо белки не только меняют форму, но и большую часть времени движутся очень быстро и хаотично — каждые несколько секунд они входят в соприкосновение с миллионами других молекул. Почти все, что происходит внутри наших клеток, является следствием взаимодействия белков друг с другом или с другими молекулами — нуклеиновыми кислотами, углеводами и жирами.

Самой важной функцией клетки является ее способность образовывать новые клетки, что происходит благодаря ее увеличению и последующему делению. Новые клетки формируются за счет роста и последующего деления существующих клеток. Однако прежде чем мы перейдем к изучению процесса деления клеток, мы должны понять, как происходит подготовка к этому событию.

Содержимое готовящейся к делению клетки удваивается, чтобы каждая из двух дочерних клеток получила все, что ей требуется: гены, белки, митохондрии, клеточную оболочку и множество других необходимых молекул. Чтобы это стало возможным, клетка должна сначала значительно вырасти. И действительно, перед моментом разделения клетка весьма увеличивается в размерах.

Перед разделением клетки должна быть продублирована и находящаяся внутри клеточного ядра молекула ДНК. Это единственная молекула клетки, которая подвергается точному дублированию, и это не случайно — в ДНК содержится информация, на основе которой образуются белки, выполняющие основные жизненно важные функции внутри клетки. Специальные белки отвечают за то, чтобы соединить длинные молекулы ДНК в нити хромосом, которые образуют систему витков и петель, благодаря чему ДНК не переплетаются ни друг с другом, ни с другими хромосомами. Точная копия каждой из 46 хромосом, содержащихся в каждой клетке нашего тела, во время процесса митоза переходит в каждую из двух дочерних клеток.

Все другие компоненты клетки также должны быть продублированы перед ее разделением. Каждая митохондрия — а митохондрий в каждой клетке содержится несколько сотен — также будет скопирована вместе с содержащейся внутри нее спиралью ДНК. Во время роста клетки перед ее делением происходит синтез новых белков, жиров и углеводов, и во всех этих процессах ведущую роль играют белки.

Простые одиночные клетки, такие, как клетки дрожжей, делятся каждые два часа. У большинства же клеток цикл жизнедеятельности от одного деления до другого занимает обычно 24 часа. Этот цикл разбит на четыре фазы. Первой и самой длительной является фаза роста. Во время второй фазы происходит дублирование хромосом со всеми их ДНК и генами. За ней следует третья фаза, подготовка к делению, и после нее наступает четвертая — деление клетки, то есть митоз. Точно так же, как, скажем, в любой стиральной машине, каждая фаза этого процесса заранее запрограммирована — и подготовка к ней, и ее завершение происходят в строгом порядке и очередности.

Процесс деления клетки имеет основополагающее значение для ее жизнедеятельности, поэтому нет ничего удивительного в том, что существует особая система контроля за делением, которая обеспечивает то, что непосредственное физическое разделение клетки происходит только в нужное время, а не раньше того, например, момента, когда будут точно и достоверно продублированы хромосомы. Сам митоз происходит в течение относительно короткого времени — не более одного часа, однако подготовка к нему может длиться от 12 до 24 часов. В рамках цикла жизнедеятельности клетки существуют отдельные контрольные точки, которые обеспечивают правильное и последовательное прохождение всех подготовительных фаз деления. Ни одна следующая фаза не может начаться до того, пока она не будет полностью подготовлена.

Время и последовательность событий в каждой фазе контролируются в основном за счет специальных белков, называемых циклинами, концентрация которых по необходимости возрастает и убывает. Циклины позволяют исполнять свои функции другим белкам клетки главным образом за счет того, что либо присоединяют к белку главный источник энергии — фосфор, производимый молекулами АТФ, либо, наоборот, отнимают его. Например, ряд циклинов начинает вырабатываться сразу же после разделения клетки в процессе митоза, и их концентрация постепенно нарастает в течение всего периода жизнедеятельности клетки вплоть до начала следующего митоза, наступлению которого эти циклины и способствуют. В момент, когда завершение митоза близится, концентрация циклинов резко снижается, а затем постепенно начинает нарастать вновь. Эта последовательность роста и снижения концентрации циклинов в клетке повторяется вновь и вновь. Другие виды циклинов вызывают начало других важных процессов внутри клетки — например, таких, как синтез ДНК.

Внутри клетки имеются контрольные и ограничительные механизмы, действующие на всем протяжении ее роста и деления. Главный механизм включается в самом начале цикла, перед тем как клетка начнет синтезировать новый набор хромосом и дублировать содержащиеся в ней ДНК. И если в спирали ДНК имеются повреждения, то синтез новой ДНК не начинается. В выполнении этих контрольных функций участвует крайне важный белок «р53», который откладывает начало синтеза ДНК до тех пор, пока повреждение ДНК не будет восстановлено. Его воздействие либо вызывает прекращение роста и деления клетки, либо приводит к самоуничтожению клетки ради того, чтобы в организме не появлялись раковые клетки с поврежденными ДНК.

Этот же контрольный механизм определяет, имеются ли благоприятные условия для роста и деления клетки — скажем, есть ли необходимые питательные вещества. Если результаты такой проверки оказываются неудовлетворительными, то весь процесс роста и деления клетки приостанавливается. Оказавшаяся в подвешенном состоянии клетка может оставаться пассивной в течение длительного времени. Перед митозом вступает в действие другой контрольный механизм, который должен проследить за тем, чтобы все спирали ДНК оказались продублированными. Существуют также контрольные механизмы, которые выявляют поврежденные хромосомы перед разделением клетки и откладывают митоз клетки до устранения повреждения.

Процесс дублирования хромосом прямо связан с особенностями структуры ДНК. Главным открытием в области ДНК, случившимся в 1953 году и дополнившим то, что ранее обнаружили Уотсон и Крик, стало обнаружение спиралеобразной структуры ДНК. Ученые выяснили, что ДНК состоит из двух спирально закрученных вокруг друг друга цепочек, построенных из четырех различных типов нуклеотидов. Молекулы ДНК лежат в основе 46 наших хромосом. Каждая хромосома представляет собой длинную молекулу ДНК, состоящую из двух цепочек, закрученных в знаменитую двойную спираль. При этом сами цепочки ДНК представляют собой набор из связанных воедино четырех различных видов нуклеотидов, благодаря которым саму ДНК следует считать разновидностью нуклеиновой кислоты.

Четырьмя различными видами нуклеотидов являются аденины (А), цитозины (Ц), тимины (Т) и гуанины (Г). Цепочка ДНК представляет собой набор отдельных нуклеотидов, соединенных друг с другом в строгой последовательности. Нуклеотиды всегда располагаются так, что аденин (А) в одной нити спирали ДНК соответствует цитозину (Ц) в противоположной нити, а тимин (Т) соединен с аденином (А), и так далее. Благодаря такому соединению и образуется двойная спираль ДНК. Поскольку одна нить молекулы ДНК в плане расположения в ней нуклеотидов четко соответствует другой нити, и наоборот, дублирование спирали ДНК не вызывает затруднений: каждая из нитей ДНК служит матрицей, согласно которой формируется ее точная копия. Когда начинается формирование одной нити спирали ДНК, одновременно с ней в строгой последовательности начинает формироваться и другая нить, пока не образуется двойная спираль ДНК, являющаяся точной копией уже присутствующей в данной клетке. Подобный порядок формирования ДНК делает эту молекулу уникальной и позволяет ей служить главным передаточным механизмом наследственной информации от поколения клеток — или людей — в другое поколение.

Процесс дублирования спирали ДНК начинается с того, что белки способствуют разведению в разные стороны нитей, из которых состоит эта спираль. Разведение нитей в разные стороны начинается одновременно в нескольких местах. Процесс этот идет довольно быстро — за одну секунду разводятся в разные стороны до ста нуклеотидов. Затем белковый механизм, отвечающий за дублирование ДНК, принимается строить новую двойную спираль ДНК, используя каждую из разведенных нитей в качестве матрицы и помещая нуклеотиды на точно обозначенные места. Процесс синтеза новой двойной спирали ДНК происходит сразу с двух направлений. В результате вместо одной первоначальной молекулы ДНК образуются две новые, совершенно одинаковые.

Когда процесс репликации достигает концевых участков нити ДНК, возникает проблема их недорепликации из-за нехватки места для воспроизведения цепочки ДНК. Эта проблема решается за счет того, что на концевых участках хромосом существуют особые структуры, которые называются теломерами («теломер» по-гречески означает «концевой участок»). При каждом следующем делении клетки участок теломер на конце спирали ДНК становится все короче, если только специальные энзимы не восстанавливают длину участка теломер в прежнем виде. Чем большее число раз делится клетка, тем короче становится участок теломер. Если спираль ДНК утрачивает участок теломер, то ее репликация становится более невозможной. Укорачивание участка теломер на концах хромосом может являться одним из факторов старения организма.

Процесс репликации хромосом должен осуществляться с исключительной аккуратностью: каждый следующий нуклеотид должен четко следовать за предыдущим нуклеотидом и соответствовать другому нуклеотиду на противоположной нити спирали ДНК, иначе неправильное воспроизводство структуры клеточной хромосомы приведет к ее мутации. Ошибки при репликации хромосом встречаются крайне редко, как если бы появлялась одна неправильная буква при перепечатке тысячи книг. Однако неправильное размещение даже одного-единственного нуклеотида в цепочке ДНК может привести к серьезным последствиям, и для того, чтобы предотвратить или скорректировать подобные сбои во время репликации, существует особый механизм.

Каждая дочерняя клетка должна получить свой набор хромосом, абсолютно идентичный хромосомам, присутствующим в изначальной материнской клетке. После завершения процесса дублирования хромосомы переходят в компактное состояние и становятся ясно различимыми в микроскоп. Именно в таком состоянии их удалось увидеть впервые. После этого хромосомы должны разделиться и перейти каждая в свою часть клетки, чтобы в дальнейшем образовались две дочерние клетки с одинаковым набором хромосом.

Процесс деления клетки называется «митоз», и главным инструментом его осуществления становится митотическое веретено деления. Как и подразумевает это название, оно представляет собой веретенообразную структуру, построенную из микротрубочек, которые, в свою очередь, созданы из белков. Микротрубочки обладают способностью быстро собираться в определенных местах, реагируя на необходимые химические сигналы, и так же быстро рассасываться. Их относительная нестабильность позволяет им быстро перестраиваться и принимать любые формы, поэтому они активно участвуют в процессе разделения клетки и расхождении хромосом. Своим видом митотическое веретено напоминает рождественское печенье, концы которого имеют звездообразную форму. Эти звездчатые зоны называются цитастерами.