Механизмы мозга - Дун

том, как природа изготовляет «чертежи» и детальные планы для построения каждого из своих созданий. Такого рода «чертежи» содержатся в ядре каждой клетки тела каждого животного. Информация, определяющая строение организма, заключена в так называемых хромосомах, видимых в обычный микроскоп при сильном увеличении. У человека каждая клетка содержит 23 пары хромосом. У плодовой мушки их в каждой клетке 4 пары, у мыши — 20 пар, у гороха —

7 пар. С помощью электронного микроскопа, создающего гораздо большее увеличение, можно увидеть, что каждая хромосома представляет собой сложную структуру, состоящую из множества более мелких элементов Эти элементы хромосомы называются генами. Ген — основной носитель наследственности. Установлено, что его главным «рабочим» компонентом служит гигантская молекула дезокси рибонуклеиновой кислоты (сокращенно ДНК). Каждая молекула ДНК несет кодированное сообщение, записанное четырехбуквенным алфавитом. Каждая из четырех букв представлена одним из четырех видов стандартных молекулярных фрагментов — так называемых нуклеотидов,— располагающихся в линейном порядке вдоль молекулы ДНК. В составленном таким образом сообщении, которое передают несколько тысяч генов, образующих хромосомы каждой клетки, содержится около 10 миллиардов букв — у человека немного больше, у комара немного меньше! Это соответствует тысяче больших томов обычного печатного текста. Исходный набор инструкций для построения организма, с которым каждое животное начинает свою жизнь, оно получает в момент оплодотворения яйцеклетки — половину от матери, половину от отца. При делении яйцеклетки и при каждом из последующих многократных делений дочерних клеток, формирующих в конце концов взрослый организм, вся эта «библиотека» из тысячи томов инструкций удваивается, так что в конечном счете, например, у человека образуется около ста тысяч миллиардов точных копий этих инструкций. Именно эта библиотека инструкций, и только она, определяет, какой организм будет сформирован — блоха, дождевой червь или человек.

Разумеется, от набора таких инструкций мало пользы, если не обеспечено все необходимое для фактического построения желаемой структуры в соответствии с этими инструкциями. Некоторые приспособления, предусмотренные природой для этой цели, сейчас уже известны. Например, молекулы ДНК. находящиеся исключительно в ядре клетки, действуют как матрицы для образования молекул рибонуклеиновой кислоты, или РНК. Каждая молекула РНК очень сходна с той молекулой ДНК, которая контролирует ее синтез из более простых веществ, содержащихся в ядре. Полагают, что молекула РНК содержит точную копию кодированного сообщения, записанного вдоль исходной молекулы ДНК. Но химическому составу РНК слегка отличается от ДНК, но эти отличия не снижают точности записанного набора инструкций. Однако химическое отличие РНК от ДНК имеет важное значение: оно позволяет РНК выходить из ядра клетки в окружающую цитоплазму, где и происходит синтез материалов для построения организма.

В цитоплазме молекулы РНК контролируют син-тез специфических белков — ферментов. По-видимому, определенное расположение нуклеотидов (т. е. «букв» четырехбуквенного алфавита) вдоль молекулы РНК обеспечивает такое специфическое химическое взаимодействие, в силу которого из окружающего внутриклеточного материала отбираются и расставляются в надлежащем порядке ингредиенты, необходимые для построения ферментов, направляющих процессы эмбрионального развития. Эти ферменты — вещества, обладающие высокоспецифическими каталитическими свойствами, — определяют, какие именно химические реакции должны протекать в клеточных жидкостях для построения тех видов органического материала, из которых в конце концов образуются ткани, кости и кровь сформировавшегося организма.

Кратко описав, каким образом генетический материал контролирует процессы эмбрионального развития мы. конечно, о многом не сказали. Например, один из очевидных недостатков нашего изложения состоит в том, что оно не дает никакого объяснения важнейшему явлению клеточной дифференцировки. Если все ядра во всех клетках содержат одну и ту же полную инструкцию для всего организма, то почему в результате описанных процессов все ферменты, зашифрованные кодом ДНК — РНК, не образуются всегда и везде таким образом, чтобы получилась масса однотипных, недифференцированных клеток? Очевидно, должны существовать механизмы, избирающие ту или иную часть генов, управляющих синтезом ферментов. Первые шаги в выяснении этих механизмов уже сделаны Джемсом Боннером и его сотрудниками в Калифорнийском технологическом институте.

Эта группа исследователей установила, что гистон — белок, входящий в состав хромосом, — тормозит контролируемый ДИК синтез РНК в ядре. В лабораторных экспериментах оказалось возможным регулировать скорость образования РНК, добавляя или не добавляя этот белок. Известно также, что изменения содержания гистона в клетках иногда бывают связаны с важными изменениями в обмене веществ. Оказалось, что опухолевые клетки, по крайней мере в некоторых случаях, отличаются ненормально низкой концентрацией гистона, тормозящего рост [4]. Есть также данные о том, что переходу растения из вегетативной фазы в фазу цветения предшествует резкое уменьшение содержания гистона в клетках, участвующих в формировании цветка [9]. На основании этих наблюдений, а также того, что, как выяснилось, гистон оказывает свое действие путем подавления синтеза РНК в клеточных ядрах, Боннер выдвинул очень интересную гипотезу. Он предположил, что гистон может иметь весьма разнообразную структуру и каждая из его форм специфически подавляет функцию определенной молекулы ДНК как матрицы для синтеза РНК. В этом случае можно было бы представить себе, что какой-то программирующий механизм, пока еще не выясненный, регулирует количество гистона различных типов и тем самым избирательно включает и выключает действие тех или иных молекул ДНК в генном материале. Этим в свою очередь регулируется синтез различных видов молекул РНК, а через них — и синтез различных ферментных белков, вырабатываемых в цитоплазме. Таким образом, возможно, что развитие клеток направляется по разным путям в зависимости от их местоположения в организме и от интенсивности процессов роста в разные моменты времени.

Пока еще рано утверждать, что результаты, полученные в лабораториях Калифорнийского института, создают основу для полного объяснения такого важнейшего явления, как клеточная дифференцировка. Однако из научных лабораторий идет непрерывный поток новых открытий, подобных открытиям Боннера и его сотрудников. Их накопление не подрывает теорию о генетической роли ДНК и РНК, а скорее расширяет ее и заполняет имеющиеся в ней пробелы. Вряд ли можно сомневаться в том, что эти современные молекулярные концепции генетических процессов в основе своей верны.

Общие черты современной генетической теории. Обстоятельное рассмотрение генетической теории не входит в задачи этой книги и безусловно лежит за пределами компетенции автора. Для наших целей нам достаточно познакомиться лишь с двумя или тремя аспектами этой теории.

Начнем с того, что «проект», или, лучше сказать, набор инструкций, заложенный в генах, несмотря на свой объем, все же не настолько полон, чтобы содержать подробное описание способа построения каждой клетки и соединения ее с остальными клетками тела. К счастью, в такой полноте деталей нет необходимости. Мы уже познакомились с одним примером сравнительно простых путей, найденных природой для обеспечения надлежащих соединений между периферическими нейронами и соответствующими