Информация или интуиция? - Алексей Шилейко

ИЗ ОДНОЙ КЛЕТКИ

Опишем еще один опыт. Ученые взяли оплодотворенную яйцеклетку мыши и заменили имеющийся там набор хромосом на другой, взятый из ядра клетки кожи другой мыши. Затем яйцеклетку поместили на место в матку первой мыши, где она нормально развивалась. В положенный срок родился мышонок, полностью тождественный той особи, из кожной клетки которой был взят набор хромосом.Таких опытов проводилось большое количество, и не только с мышами. Результаты их на сегодня с полной очевидностью доказывают: набор хромосом каждой клетки данного организма содержит полное, исчерпывающее описание всего организма. С этой точки зрения приведенный нами пример, касающийся возможности реконструкции какого-либо давно умершего лица, по существу, совсем не фантастичен.Итак, набор хромосом, имеющийся в любой клетке, содержит всю информацию, необходимую для того, чтобы можно было воссоздать другой, в точности такой же организм. Это доказано, но имеется другой вопрос, над решением которого биологи бьются давно и пока еще безуспешно.Развитие Организма из яйцеклетки совершается путем последовательных делений (митозов) исходной клетки на две, четыре, восемь, шестнадцать и т. д. новых клеток. Сам процесс деления представляет одну из интереснейших глав – современной биологии, и опять-таки мы не можем здесь уделить ему даже несколько строчек. Вопрос же, который нас интересует, состоит в следующем. Каждая новая клетка, возникшая после деления, имеет ядро, содержащее полный набор хромосом, в точности такой же, как у материнской яйцеклетки. Говоря нашими словами, каждая новая клетка содержит в точности такую же информацию, какую и ее породившие. Почему в таком случае, начиная с определенных стадий деления, получаются различные клетки, как уже отмечалось, весьма непохожие друг на друга?И второй вопрос, тесно связанный с первым: почему каждая новая клетка занимает в образующейся структуре каждый раз одно и то же строго определенное место?

КЛЕТКА-ФОНАРИК

В 1944 году вышла книга А. Гурвича «Теория биологического поля». А. Гурвич — биолог-исследователь с яркой и сложной творческой судьбой. Многолетние поиски физико-химических причин клеточного деления привели его к открытию митогенетического {то есть происходящего в момент деления клетки) излучения. Судьба этого замечательного открытия, сделанного в 1923 году, необычна. В свое время оно принесло автору мировую славу. Исследования в области митогенеза развернулись широким фронтом. Излучение живых систем было использовано как исключительно тонкое орудие анализа молекулярных перестоек в клетке. Но в дальнейшем это направление было забыто, и только в наши дни интерес к нему постепенно повышается.Процесс развития организма из яйцеклетки лучше всего разобрать на каком-либо конкретном примере. Наиболее удобный объект для эмбриологических исследований — морской еж. Его яйцеклетки нетрудно оплодотворить искусственно, и затем под микроскопом можно наблюдать весь ход развития зародыша. Круглая, прозрачная и на вид совершенно однородная яйцеклетка вскоре делится на две, четыре, восемь и более клеток, которые называются бластомерами. Бластомеры располагаются не как попало, а строго определенным образом. Величина разных бластомеров различна. Например, когда образовалось шестнадцать бластомеров, восемь из них, средних по размерам, располагаются в виде венца на верхнем полушарии зародыша. Ниже их располагаются четыре самых больших, а еще ниже — четыре самых маленьких (рисунок на странице 141).Это только первые проявления пространственных закономерностей развития. Позже, когда бластомеров становится больше, они раздвигаются и зародыш превращается в полый шар — бластоцисту. После этого начинаются основные процессы, определяющие специфическую форму зародыша. Продолжая размножаться, различные его клетки начинают смещаться друг относительно друга в различных направлениях.Почему же различные клетки двигаются в разных направлениях? Откуда клетка знает, куда и с какой скоростью ей смещаться? Как различные клетки согласовывают направление и относительную скорость своих движений? Все те же вопросы, которые возникают у нас и применительно к термодинамическим системам, и применительно к электронам в атоме, и, наконец, вот сейчас применительно к живой клетке.Чтобы ответить на эти вопросы, прежде всего надо, выяснить, вложена ли программа движения данной клетки или группы клеток внутрь ее или же программа определяется извне. Ответ можно получить экспериментальным путем, исходя из следующих простых соображений. Если вся программа поведения заключена внутри клетки, то последняя должна вести себя одинаковым образом вне зависимости от места в зародыше и вне зависимости от окружающих частей зародыша. Если же при изменении положения данной клетки в зародыше изменится и путь ее развития, значит, клетка управляется извне.На одной из самых ранних стадий развития зародыш состоит из двух совершенно одинаковых бластомеров (см. наш рисунок). При нормальном развитии из одного бластомера развивается точно половина зародыша. Что можно ожидать, если оба бластомера разъединить и заставить их развиваться изолированно? Получим ли мы из каждого половинку зародыша? Таков должен быть результат, если считать, что вся программа будущего поведения каждого бластомера заложена внутри его.Подобный опыт был поставлен впервые еще в 1892 году немецким эмбриологом Г. Дришем. Оказалось, что из разделенных бластомеров развиваются нормальные личинки, но вдвое меньших размеров.А. Гурвич начал с того, на чем остановился Г. Дриш. Он четко ограничил факторы, не связанные с управлением (стартовые) и непосредственно управляющие. Затем внимательно исследовал именно последние, использовав при этом ряд математических приемов. В результате пришел к следующей гипотезе: клеточные ядра являются источниками каких-то выходящих за их пределы направленных (векторных) факторов, которые регулируют движение всех находящихся поблизости клеток. Эти векторные факторы создают в пространстве вокруг клеточного ядра некоторое векторное поле. Если несколько клеточных ядер оказывается в тесном соседстве (как это обычно и бывает в зародыше), то их поля складываются по обычным правилам векторного сложения.С этой точки зрения формообразовательное воздействие «целого» на данную клетку зародыша рассматривается как действие на эту клетку суммарного вектора от всех расположенных не слишком далеко клеточных ядер. По мере удаления клеток их взаимодействие быстро ослабляется, поскольку интенсивность действия поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

«ЧЕЛОВЕК-КРОЛИК»

Описание эксперимента с зародышами морского ежа Мы позаимствовали из статьи Л. Белоусова, опубликованной в журнале «Наука и жизнь» (1967, № 3). Перед тем как высказать собственное мнение по этому поводу, мы приведем еще несколько фактов.Каким образом организм узнает, что пересаживаемая ему ткань имеет чужеродное происхождение? Почему он отвергает ее, даже если она могла бы его спасти? Какие механизмы нарушаются в клетке при раке? Все эти вопросы имел в виду доктор Гаррис из Оксфордского университета, ставя свой поразительный эксперимент. Вместе со своим коллегой доктором Уоткинсом он создал гибридные сочетания клеток, принадлежащих различным видам животных и человека. Ими созданы сочетания человек-мышь, человек-кролик и даже человек-курица.Метод Гарриса основан на одном медицинском наблюдении, сделанном сто лет назад. Именно тогда стало известно, что некоторые болезни, в частности вирусные, вызывают появление в организме клеток с несколькими ядрами. Объяснение этому нашлось недавно, лет десять назад. Вирус, оказавшийся в точке соприкосновения двух клеток, растворяет в этом месте оболочки клеток, их цитоплазмы сливаются. В результате получается одна клетка со смешанной цитоплазмой и двумя ядрами.В конце 1965 года Гаррис и Уоткинс сообщили в английском журнале «Нейчур» о полном успехе своего опыта. С помощью вируса гриппа они получили гибридную клетку человека и мыши. Позже им удалось так же успешно получить гибридные сочетания, сливая клетки человека с клетками кролика и курицы. А это уже означало, что возможности клеточной гибридизации не ограничиваются только млекопитающими — они простираются на весь тип позвоночных.Гибридная клетка обладает двумя ядрами, если она получена от соединения двух клеток, или несколькими, если было соединено несколько клеток. Как же теперь будут вести себя ее ядра? Будут ли они сосуществовать, сотрудничая или воевать друг с другом?Наблюдения показали, что оба ядра продолжают жить нормально. С помощью радиоактивных изотопов удалось проследить, что ядра продолжают вырабатывать РНК (рибонуклеиновую кислоту), управляющую синтезом белков цитоплазмы. Больше того, оба ядра проходят нормальный митоз. Если митоз обоих ядер гибридной клетки наступает одновременно, то результат получается особенно интересным. Каждый из хромосомных наборов человека сливается с одним из наборов кролика. Таким образом, двухъядерная гибридная клетка дает две дочерние клетки, каждая из которых снабжена лишь одним огромным ядром — получеловеческим, полукроличьим. С этого момента исследователи располагают настоящими гибридными клетками «человек-кролик», нормально обладающими лишь одним ядром и продолжающими расти и делиться на дочерние клетки-гибриды.Многочисленные опыты с пересадками органов, и не только с пересадками, однозначно доказали, что клетки организма умеют распознавать посторонние клетки. До сих пор не было точно известно, каким образом им удается это делать, где происходит процесс распознавания.Как показали опыты Гарриса, на уровне ядра и цитоплазмы прекрасно сосуществуют даже столь различные клетки, как клетки человека и кролика. Значит, распознавание происходит не внутри клетки, а на уровне клеточных оболочек. Именно оболочка узнает «чужака» и притом узнает его именно по оболочке.Гибридные клетки могут жить и делиться. Это значит, что цитоплазма кролика воспринимает сигналы, передаваемые хромосомами человека, а цитоплазма человека принимает информацию от хромосом кролика. Суть передаваемых сообщений сводится к записанному в генетическом коде синтезу белков. То, что хромосомы человека и кролика могут управлять этим синтезом совместно, подтвердило предположение исследователей: язык генетического кода является, по-видимому, универсальным. Как известно, в клетке постоянно идет взаимодействие между ядром и цитоплазмой. Конечно, роль ядра трудно переоценить. Именно оно управляет синтезом белков цитоплазмы. Но при этом оно учитывает потребности клетки, то есть управляет в зависимости от информации, поступающей от цитоплазмы.Механизм здесь примерно такой. Информация с гена переписывается на молекулу-посредник РНК. Затем по этой РНК строится белок. Все эти процессы происходят лишь в том случае, если присутствует специальный катализатор, названный РНК-полимеразой. Только при условии наличия в цитоплазме этого фермента происходит синтез белка. Каждая цепочка РНК-посредника начинается с РНК-полимеразы, примыкающей непосредственно к гену. Более того, клетка может не делиться в течение достаточно долгого времени. Сигнал на деление поступает опять-таки от цитоплазмы.Можно сказать, что цитоплазма непрерывно посылает в ядро бюллетени о своем здоровье. А ядро в ответ на это включает то тот, то другой синтез. Оксфордские опыты показывают, что язык цитоплазмы так же универсален, как и язык генетического кода.