Глава четвертая. Жизнь и размножение клеток

 

Антон Павлович Чехов считал, что призвание каждого человека заключается в духовной деятельности – в постоянном искании правды и смысла жизни.

С философской точки зрения смысл жизни – очень глубокая тема, которой в той или иной степени занимались все великие философы. И каждый давал свое понимание смысла жизни. Древнегреческий философ Эпикур провозгласил целью жизни получение удовольствия, а австрийский философ Людвиг Витгенштейн вообще отрицал наличие у жизни некоего глобального смысла.

Но давайте оставим философию философам и порадуемся за биологов, у которых с определением смысла жизни дело обстоит предельно просто. Биологический смысл жизни любого организма состоит в размножении. Дожить до половозрелого возраста и дать потомство (как можно больше потомства) – вот к чему стремится все живое.

Клетки живых организмов постоянно делятся, одноклеточные организмы постоянно размножаются, а в многоклеточных организмах вместо отмирающих старых клеток появляются новые. За жизнь человека в его организме осуществляется примерно 1014 делений клеток. Сто тысяч миллиардов делений! Впечатляющая цифра, не так ли?

Можете ли вы придумать определение для жизни клетки? Вот что это такое?

Если вы начали выстраивать в уме какую-то громоздкую конструкцию, то сделали это напрасно. Определение предельно простое. Жизнь клетки – это период от одного деления до другого, миг между прошлым и будущим делениями.

Все, что делается в клетке, является подготовкой к делению. Новорожденная клетка растет, развивается, вырабатывает различные вещества (в том числе ДНК и белки), накапливает запасы, которые будут переработаны в энергию – деление, если кто не в курсе, весьма затратный процесс. Период индивидуальной жизни клетки состоящий из подготовки к делению и самого деления, называют клеточным циклом, а период между двумя делениями называется интерфазой.

 

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ = ИНТЕРФАЗА + ПЕРИОД ДЕЛЕНИЯ

 

Безъядерные клетки делятся относительно просто. Мы поговорим об этом после того, как познакомимся с делением клеток, имеющих ядро. Давайте-ка повторим, что безъядерные клетки называются прокариотами, а имеющие ядро – эукариотами. Грекам проще запоминать подобные названия. Они не спутают «доядерные» клетки с теми, у которых «с ядром хорошо» (именно так переводятся слова «прокариоты» и «эукариоты»). Вы же можете использовать вот такой мнемотехнический прием. Э-У-КАРИОТЫ – Это-У них-КАРИОТЫ (то есть – ядра). ПРО-КАРИОТЫ – ПРОблема у них с КАРИОТАМИ.

Деление эукариот будет посложнее Марлезонского балета. К тому же мы познакомимся с двумя вариантами деления – «равноценным», при котором обе дочерние клетки получают от материнской по полному набору хромосом, и «половинчатым», при котором у дочерних клеток оказывается только половина материнских хромосом. Но пугаться не нужно! Мы разберемся со всеми сложностями играючи, без напрягов и скуки.

Как вы думаете, что обозначают эти буквы и цифры – «G1-S-G2»? Тайный код или секретный пароль биологов? Марка супермикроскопа? Имя гена?

Вариантов может быть много, но на самом деле это формула жизни клетки или формула интерфазы, которая состоит из трех периодов.

Первый период – это период начального роста, который также называют G1-периодом (название произошло от английского слова «gap» – промежуток). В этом периоде в клетке вырабатываются матричные РНК, которые служат матрицами для синтеза белков в рибосомах, а также вырабатываются белки и другие нужные вещества, включая и АТФ.

Второй период – это период синтеза или S-период (название произошло от английского слова «synthesis» – синтез). Наверное, вас удивило такое название, потому что в первом периоде синтеза тоже было предостаточно, ничем другим, можно сказать, клетка не занималась. Но дело в том, что во втором периоде начинается Синтез с большой буквы – удвоение молекул ДНК, хранящихся в клеточном ядре. Обратите внимание на то, что хромосомы удваиваются вне зависимости от того, какой набор хромосом – полный или половинчатый – получат клетки, образующиеся в результате деления.

По длинным молекулам ДНК ползут молекулы фермента ДНК-полимеразы, считывают информацию и по ней собирают копию… Клетка при этом продолжает функционировать в обычном режиме, одновременно с синтезом молекул ДНК идет синтез других веществ, но он не имеет такого значения как копирование наследственного материала.

К слову – о генах. Выше уже было сказано о том, что геном называется участок молекулы ДНК, определяющий один отдельный признак. Можно дать и другое определение, более точное – геном называется участок молекулы ДНК, кодирующий синтез одного отдельного белка. Все признаки белковых организмов, к которым имеем честь принадлежать и мы с вами, определяются белками. Один белок окрашивает радужную оболочку в карий цвет, а другой – в голубой. И так далее…

Во втором периоде также происходит удвоение центриолей, играющих очень важную роль в процессе деления клетки. После того, как в клетке образуется двойной комплект ДНК и центриолей, начинается третий период интерфазы, который называется постсинтетическим (послесинтетическим) периодом или G2-периодом. В этом периоде продолжается подготовка клетки к делению – вырабатываются белки, АТФ и прочие вещества.

 

Периоды клеточного цикла (2 n – диплоидный набор хромосом, 2 с, 4 с – количество хроматид в наборе)

 

Давайте остановимся подробнее на периоде Синтеза с большой буквы, ведь это самый важный период интерфазы.

Посмотрите на рисунок и обратите особое внимание на кружочки с буквами и цифрами. Что такое 2n, вам уже известно – так обозначается полный или, как говорят биологи, диплоидный набор хромосом.

Вы не заметили на рисунке никакой ошибки?

Во всех периодах интерфазы, включая и постсинтетический период, клетка имеет диплоидный набор хромосом. Но ведь это же неверно! В последнем периоде интерфазы хромосом должно быть вдвое больше обычного, потому что каждая хромосома – это молекула ДНК. Если во втором периоде произошло удвоение молекул ДНК, то надо писать не 2n, а 4n!

Четверка в конце второго периода появляется, но не там, где нужно. И что вообще обозначает буква с? Почему сначала у нас, то есть – в клетке было 2с, а после второго периода стало 4с?

Если честно, то никакой ошибки на рисунке нет. Буквой с обозначается половинный или гаплоидный набор хроматид (число с соответствует числу n), а 2с – это диплоидный набор хроматид.

Не путайте хроматиды и хромосомы! Хроматидой называют структурный элемент хромосомы, сформировавшийся в периоде синтеза интерфазы в результате ее удвоения. Грубо говоря – состояла хромосома из одной хроматиды, одной молекулы ДНК, а в период синтеза стала «двойной». Молекул ДНК – две, то есть хроматид – две, но хромосома при этом одна. Потому и пишем – 2n4с.

Напрашивается закономерный вопрос – зачем так усложнять? Ясно же, что в конце концов, при делении клеток, двойные хромосомы станут одинарными и разойдутся по дочерним клеткам. Писали бы сразу – 4n. Зачем вообще выдумывать хроматиды?

Затем, что наука любит точность. Пока хромосома, пускай даже и удвоившаяся, не распалась на две половинки, она считается одной хромосомой. Но с двумя хроматидами. И если студент скажет на экзамене, что в период синтеза удваивается количество хромосом, то он на 99 % получит «неуд», потому что удваивается количество хроматид.

В период синтеза молекулы ДНК меняют имя. Раньше они назывались хромососмами (1 хромосома – 1 молекула ДНК), а теперь называются хроматидами. Две хроматиды одной хромосомы связаны между собой в участке, который называется центромерой. Связаны до поры до времени, до тех пор, пока не начнут расходиться по дочерним клеткам.

 

Компоненты хромосомы в конце профазы митоза: 1. хроматида; 2. центромера

 

Идентичные хроматиды, содержащиеся в одной хромосоме, называют сестринскими хроматидами.

Характерным признаком клетки в период интерфазы является пребывание хромосом в раскрученном состоянии, которое по-научному называется деспирализацией. Нити хромосом равномерно распределены по всему ядру в виде рыхлой массы. К концу интерфазы хромосомы, уже ставшие «двойными», продолжают иметь вид вытянутых нитей. Но скоро все изменится!

Следите за новостями!

Деление близко!

 

Хромосомы в интерфазе

 

Что нужно для правильного деления клетки?

Нужно разделить поровну хромосомы, ставшие двухроматидными в период синтеза, и цитоплазму со всеми органеллами. Но если вдруг одна дочерняя клетка получит на десять или даже на сто митохондрий больше, чем другая, то никакой беды обеим клеткам от этого не будет, как и от «нечестного» деления рибосом. Но вот если хромосомы разделятся между клетками не поровну, то будет беда. Большая беда!

Самым распространенным и известным нарушением числа хромосом у человека является синдром Дауна, при котором к 21-ой паре хромосом добавляется еще одна хромосома. Этот синдром получил название в честь впервые описавшего его в 1866 году английского врача Джона Дауна, но причина синдрома, связанная с врожденным изменением количества хромосом, была выявлена только в 1959 году.

На первый взгляд может показаться, что много – это не мало. Недостаток одной хромосомы может приводить к дефициту закодированных в ней белков, которые будут синтезироваться с одной матрицы ДНК вместо двух. Недостаток чего-то в организме всегда создает проблемы. Но лишняя молекула ДНК вроде бы не должна создавать проблем…

Вроде бы не должна, но создает, причем довольно крупные. Для синдрома Дауна характерно более 30 специфических признаков, проявляющихся с различной частотой. Начиная с умственной отсталости и заканчивая врожденным лейкозом – злокачественным заболеванием кроветворной системы.

Почему одна лишняя матрица для кодирования белков, вызывает столь многочисленные и разнообразные отклонения от нормы? Дело в том, что наш организм, как и вообще любой живой организм, представляет собой тщательно сбалансированную систему. Баланс – основа нормальной жизнедеятельности и любое его нарушение чревато негативными последствиями.

Каждая хромосома «обслуживается» комплексом белков и ферментов, которые обеспечивают считывание информации с молекулы ДНК для синтеза РНК, а также обеспечивают синтез белков на базе РНК-матриц.

Давайте представим дом, в котором живут сорок шесть семей (по числу хромосом). У каждой семьи есть кухарка, которая готовит еду и горничная, которая следит за порядком. А еще в доме живет дворник, который подметает двор и следит за тем, чтобы все коммуникации в доме функционировали нормально.

Дом – это клеточное ядро.

В один несчастливый 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 лишние жильцы – это дополнительная прибыль. Кухарку и горничную новым жильцам домовладелец не нанимает, считая, что имеющаяся в доме прислуга может обслуживать дополнительную семью по очереди. В нагрузку к своим основным обязанностям, так сказать.

Знакомая ситуация, верно? У вас на работе тоже было нечто похожее. Кого-то из коллег уволили, а их обязанности распределили по оставшимся. Разумеется – без увеличения заработной платы, ведь увольняли для того, чтобы сэкономить.

Что получится в результате? Ежедневно какая-то из семей-старожилов будет страдать, потому что их прислуге придется «работать на два фронта». Обслуживая две семьи вместо одной, и кухарка, и горничная будут выполнять свои обязанности кое-как, наспех. Завтрак запоздает, на обед вместо трех блюд будет подано два, а про ужин кухарка впопыхах может вообще забыть. Горничная вместо нормальной уборки ограничится сдуванием пыли с самых заметных мест и протиркой полов в центральных частях комнат. 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, а в знак протеста станет халатно относиться к своим обязанностям. В результате трубы в доме начнут протекать, в электропроводке часто будут случаться замыкания, чистый двор превратится в грязный… Бизнес алчного домовладельца может серьезно пострадать из-за подобной экономии.

Точно так же страдает жизнедеятельность всего организма из-за появления одной дополнительной хромосомы. Лишняя хромосома есть, а сил средств на ее «обслуживание» нет и проигнорировать ее организм не может, потому что он на такое не запрограммирован. Всю имеющуюся информацию нужно считывать – и точка!

В результате возникает дисбаланс, начинаются сбои в считывании информации с молекул ДНК. Одни белки совсем не синтезируются, а другие синтезируются с ошибками и весь этот непорядок приводит к тому, что организм развивается и функционирует не так, как положено.

Но давайте вернемся к делению, которое вот-вот должно начаться.

Сначала мы разберем способ деления эукариотических клеток, при котором каждая из двух образующихся клеток получает диплоидный набор хромосом. Такое деление называется митозом.

Деление всегда значительно короче интерфазы. Митоз составляет около 5 % интерфазы. Можно сказать, что клетки долго запрягают, но быстро ездят, то есть – быстро делятся. И это правильно – чего тянуть с хорошим делом?

Если интерфаза делилась на периоды, поскольку сама была фазой, то каждый этап деления клетки представляет собой отдельную фазу. Обратите внимание на то, что речь идет о фазах деления эукариотической клетки, а не о фазах митоза. У следующего вида деления, которое называется мейозом, фазы будут точно такими же, причем и митоз, и мейоз будут заканчиваться на пятой фазе, а всего фаз шесть.

Голова пошла кругом? Не волнуйтесь, все будет хорошо. Опять же, вам экзаменов сдавать не нужно, вы просто хотите узнать, как делятся клетки.

Запомните фразу: «профессор просит метлу, а не телегу цитрусов».

Это не скороговорка, а волшебная фраза, которая поможет вам запомнить названия фаз клеточного деления и порядок их следования.

Первая фаза называется профазой (ПРОФЕССОР) – предшествующей, то есть – начальной фазой. В профазу происходят следующие процессы:

– нити хроматид закручиваются в спираль, отчего «потолстевшие» хромосомы становятся видимыми в микроскоп;

– ядрышки растворяются;

– центриоли расходятся к полюсам клетки;

– из микротрубочек формируются нити, которые протягиваются от центриолей к ядру.

Совет – если вы хотите получше все представить и запомнить, то по мере чтения делайте рисунки, отражающие изменения, происходящие в делящейся клетке.

 

Митоз

 

Вторая фаза деления называется прометафазой (ПРОСИТ), что переводится как «предшествующая метафазе». В прометафазу полностью растворяется ядерная оболочка, хромосомы выходят на свободу и к их центромерам прикрепляются свободные концы нитей, тянущихся от центриолей. Вся эта конструкция «центриоли – нити – хромосомы» по виду напоминает веретено и потому называется «веретеном деления».

К каждой центромере прикрепляется по одной нити от разных центриолей. После удвоения молекул ДНК, хромосомы не распадаются сразу же для того, чтобы в прометафазе не возникло бы путаницы, чтобы каждая дочерняя клетка получила бы по одной хромосоме из пары, связанной центромерой. Если же такой парной группировки не будет, путаница неизбежно возникнет.

Третья фаза – это метафаза (МЕТЛУ), что переводится как «промежуточная фаза». В метафазу хромосомы выстраиваются на условном экваторе клетки и распадаются надвое. С этого момента количество хромосом в клетке можно считать удвоившимся. Хромосомы снова состоят из одной хроматиды и записывается все это богатство как 4n4с.

Четвертая фаза – это анафаза (А НЕ), что переводится как «фаза разделения». Однохроматидные хромосомы начинают расходиться к полюсам клетки вследствие сокращения нитей веретена деления, нити подтягивают хромосомы к полюсам.

Пятая фаза называется телофазой (ТЕЛЕГУ), что переводится как «фаза удаления». В телофазу хромосомы достигают полюсов пока еще единой клетки и раскручиваются в нить, ядерные оболочки и ядрышки восстанавливаются, а нити веретена деления растворяются. Собственно митоз на этой фазе заканчивается, поскольку главное уже сделано – генетический материал поделен пополам, сформировалось два ядра. Осталось только разделить клетку с двумя ядрами на две клетки.

Митоз делится на пять фаз и заканчивается на телофазе, являющейся его заключительной фазой! Следующая, шестая фаза есть заключительная фаза деления клетки, но не митоза.

Во время шестой фазы – цитокинеза (ЦИТРУСОВ), что переводится как «движение клеток», клеточная мембрана в средней части клетки (то есть, на условном экваторе) начинает втягиваться внутрь. Образующаяся при этом борозда деления углубляется до тех пор, пока не дойдет до узкого остатка веретена деления, расположенного между двумя ядрами и представляющего собой нечто вроде соединяющего их мостика. Этот «мостик» называется остаточным тельцем. После разрушения остаточного тельца образуются две полностью разделенные дочерние клетки.

Скажем еще раз про хромосомы и хроматиды, чтобы навсегда запомнить и не путаться.

В результате митоза из одной диплоидной клетки, имеющей двухроматидные хромосомы и удвоенное количество ДНК – 2n4c, образуются две дочерние диплоидные клетки с однохроматидными хромосомами и одинарным количеством ДНК (2n2c).

ПРОФЕССОР ПРОСИТ МЕТЛУ, А НЕ ТЕЛЕГУ ЦИТРУСОВ

Профаза – Прометафаза – Метафаза – Анафаза – Телофаза – Цитокинез.

С митозом мы закончили. Переходим к мейозу.

Процесс деления клеток, в результате которого не происходит удвоения числа хромосом в материнской клетке (то есть дочерние клетки получают по половинному набору хромосом), называют мейозом. Название это происходит от греческого слова «мейозис», означающего «уменьшение». В процессе мейоза из одной диплоидной клетки (2n) образуются две гаплоидные с половинным количеством хромосом (1n). Путем мейоза образуются половые клетки, по-научному называемые гаметами.

 

Мейоз

 

Мейоз наблюдается только у эукариот, обладающих половым процессом, ведь при бесполом размножении половые клетки совершенно не нужны.

Мейоз проходит в два этапа. Особенность первого этапа мейотического деления клеток заключается в том, что несмотря на имеющее место удвоение числа хроматид, хроматидные пары в процессе деления не разделяются надвое, дочерние клетки получают от материнской двухроматидные хромосомы, скрепленные центромерами.

Не очень-то понятна суть происходящего, верно?

Давайте вникнем в эту суть.

У человека 46 хромосом, разбитых на 23 пары.

Во время первого этапа мейоза (как и во время митоза) хромосомы «удваиваются». В каждой паре теперь две «двойных» хромосомы.

При митозе «двойные» хромосомы распадаются и в дочерние клетки из уходит по одной копии каждой молекулы ДНК, полный набор уходит. Иначе дочерние клетки не смогут жить и долго готовиться к следующему делению.

При мейозе хромосомные пары разбиваются. В дочерние клетки уходит по две одинаковые хромосомы из каждой пары.

Возьмем для примера первую пару хромосом и обозначим эти хромосомы как 1-1 и 1-2. При митозе каждая дочерняя клетка получит и 1-1-хромосому, и 1-2-хромосому, а после первого этапа мейоза в каждой из дочерних клеток окажутся две 1-1-хромосомы или две 1-2-хромосомы. Количество хромосом будет правильным – 46, а вот полноценных пар здесь нет, набор хромосом – одинарный, гаплоидный, но удвоенный. Образно говоря, вместо «двуполых» пар в «дочках» первого этапа мейоза находятся однополые пары.

Неверно считать хромосомы только лишь хранилищем наследственной информации. Хромосомы представляют собой самостоятельно функционирующие биологические структуры. Фактически это органеллы.

В профазе первого этапа мейоза парные хромосомы, каждая из которых уже состоит из двух хроматид, сближаются и на некоторое время объединяются друг с другом, образуя четыреххроматидный комплекс. Этот процесс называют конъюгацией. Во время конъюгации из-за синхронных разрывов в цепочках ДНК между гомологичными хромосомами может происходить кроссинговер[21] – взаимный обмен участками, причем участками строго равноценными, полностью идентичными по набору генов. В результате хромосомы, унаследованные от материнского и отцовского организмов, получают гены, ранее принадлежащие противоположному полу. Происходит «перекрест» в результате которого в хромосомах появляются новые комбинации наследственных признаков.

Кроссинговер – жизненно важное и весьма полезное качество. Кроссинговер увеличивает генетическое разнообразие, а генетическое разнообразие способствует более качественному приспособлению организмов и видов в целом к постоянно изменяющимся условиям окружающей среды. Проще говоря, всегда есть вероятность того, что новое сочетание генов, возникшее в результате «перекрестного обмена» окажется более выгодным.

 

Кроссинговер

 

Чем лучше выражено генетическое разнообразие, тем лучше приспособляемость.

Чем лучше приспособляемость, тем выше выживаемость.

Да здравствует кроссинговер!

Природа заложила в кроссинговер ограничительный механизм, препятствующий чрезмерно бурному течению этого процесса. Существует такое явление, как интерференция – кроссинговер, происходящий в одном месте хромосомы, подавляет кроссинговер в близлежащих сегментах.

После открытия кроссинговера было принято считать, что при этом процессе рекомбинация осуществляется между генами, но сам ген кроссинговером не разделяется. Ген считался единицей кроссинговера. Хромосому представляли похожей на длинную нить с нанизанными на нее бусинами-генами. При кроссинговере эта нить рвалась только там, где на ней не было бусин. Бусины же оставались целыми.

Впоследствии оказалось, очень редко, примерно в 10 000 раз реже обычного кроссинговера, оставляющего гены целыми, происходит «внутригенный» кроссинговер. Правда, ни к чему плохому он не приводит, потому что даже при разрыве гена обмен участками бывает строго равноценным. Как бы ни протекал кроссинговер, где бы ни разрезались молекулы ДНК, на количестве генов в хромосоме этот процесс не сказывается. Разрезанный ген не «портится», он просто обновляется.

Вот грубый пример. Вася и Ваня носят одежду одинакового размера. Если им захочется обменяться костюмами, то они могут обменять как пиджаки вместе с брюками, так и только брюки или только пиджаки. Но каким бы ни оказался обмен, у каждого будет пиджак и будут брюки, полуодетым никому разгуливать не придется.

Кроссинговер также может наблюдаться и во время митотических делений, вернее он происходит не при делении как таковом, а в течение интерфазы, во время подготовки клетки к следующему делению. Митотический кроссинговер достался нам по наследству от одноклеточных предков, которые размножались бесполым делением. При бесполом размножении митотический кроссинговер увеличивает генетическое разнообразие в будущих поколениях точно так же, как делает это мейотический кроссинговер при половом размножении.

С кроссинговером мы закончили, возвращаемся к мейозу.

По окончании первого этапа мейоза практически сразу же начинается второе деление, перед которым удвоения числа хромосом не происходит (потому-то его можно начинать без подготовки). В результате второго деления дочерние клетки получают по одному гаплоидному набору хромосом, а в результате всего мейоза в целом из одной материнской клетки с полным набором хромосом образуются четыре дочерних клетки с половинным набором хромосом. Биологическая сущность мейоза состоит в уменьшении числа хромосом вдвое для того, чтобы зигота наследовала признаки как от отцовского, так и от материнского организмов, и могла бы нормально функционировать. Если бы половые клетки обладали бы полным, диплоидным набором хромосом, то у клетки, образовавшейся в результате их слияния в процессе оплодотворения оказалось двойное количество хромосом, что сделало бы клетку нежизнеспособной (мы недавно говорили о том, сколько проблем создает одна-единственная лишняя хромосома).

Особенности мейоза не ограничиваются отсутствием удвоения числа хромосом в короткой интерфазе второго этапа. Кроме этого для мейоза характерны очень длинная профаза первого этапа (например, у человеческих сперматозоидов она растягивается на несколько суток, а у человеческих яйцеклеток – на много лет) и отсутствие кроссинговера в профазе второго этапа.

Клетки эукариот могут делиться и простым способом, при котором происходит разделение ядра надвое без образования веретен деления. Такое «прямое» деление называется амитозом («не митозом»). Поскольку веретена деления не образуются, наследственный материал распределяется между ядрами случайным образом. Цитокинеза (разделения клетки) при амитозе не происходит, делится только ядро. В результате образуются двуядерные, а при повторных амитозах – многоядерные клетки. Амитоз – редкое явление, характерное для стареющих клеток с пониженной активностью.

 

Амитоз

 

Деление прокариотических клеток, не имеющих ядра, обеспечивает септальное кольцо – кольцевидная белковая органелла, расположенная посередине клетки. Эта органелла способна сокращаться, ее можно сравнить с мышцей. При ее сокращении образуется перетяжка, делящая клетку на две дочерние клетки. После того, как перетяжка полностью сформирована, участок, соединяющий мембраны дочерних клеток, разрушается особым ферментом и клетки полностью отделяются друг от друга.

Как при этом делится наследственный материал?

Одна-единственная хромосома (молекула ДНК), обычно имеющая форму кольца, копируется до начала процесса деления и каждая из дочерних клеток получает по хромосоме. При дележке двух хромосом можно спокойно обойтись без веретена деления. Копирование ДНК происходит в месте формирования перетяжки. Молекула ДНК разделяется на две нуклеотидные цепочки, каждая из которых прикрепляется к внутренней поверхности клеточной мембраны. Молекулы фермента ДНК-полимеразы достраивают на каждой из цепочек недостающую парную цепочку. Таким образом, образуются две молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну «старую» и одну вновь синтезированную нуклеотидную цепочку.

«Стоп! – скажут сейчас особо вдумчивые читатели. – Что это за волшебство получается? Молекулы ДНК-полимеразы достраивают на каждой из двух цепочек ДНК недостающие цепочки, но откуда они берет информацию о том, что именно нужно строить? Ползают по одной цепочке, но строят другую – как такое может быть?».

Может! Дело в том, что фрагменты цепочек одной молекулы ДНК, расположенные друг против друга, являются комплементарными. Комплементарностью называется взаимное соответствие молекул биополимеров[22] или их фрагментов. Условно говоря, напротив фрагмента А будет находиться фрагмент Б, а напротив фрагмента В – фрагмент Г и никак иначе. Молекула ДНК-полимеразы определяет, какой фрагмент находится перед ней, и подбирает ему комплементарную пару.

Завершение копирования ДНК служит сигналом для начала формирования перегородки между дочерними клетками. При этом клеточная мембрана словно бы врастает между образовавшимся молекулами ДНК, разделяя их по разным клеткам. Таким образом исключается возможность попадания двух хромосом в одну дочернюю клетку.

 

Деление прокариот

 

Вот вам коварный вопрос.

Если из одной диплоидной клетки-родителя в результате мейоза образуется 4 сперматозоида, то сколько яйцеклеток образуется из одной клетки-родительницы?

Вопрос не идиотский, как может показаться на первый взгляд, а коварный.

Правильный ответ – 1.

Да, всего одна-единственная яйцеклетка вместо четырех.

 

Сперматогенез и оогенез

 

Дело в том, что яйцеклетке, в отличие от сперматозоида, нужно после оплодотворения делиться, причем весьма активно. Для осуществления любого процесса требуются исполнители и энергетические ресурсы. И то, и другое находится в цитоплазме, поэтому было бы нерационально делить цитоплазму со всем ее содержимым поровну между всеми четырьмя яйцеклетками. В результате такого равноценного деления получатся четыре «недояйцеклетки», не способные к активному размножению. Поэтому на обоих этапах мейоза почти вся цитоплазма остается в одной из клеток, а ее напарницы, называемые «полярными те́льцами» служат только для того, чтобы «унести» ненужную половину хромосом. Образно полярные тельца можно сравнить с мусорным ведром, в которое выбрасываются ненужные хромосомы.

На рисунке изображены процессы образования сперматозоидов (сперматогенез) и яйцеклеток (оогенез).[23] Посмотрите и сравните конечный результат – одинокая яйцеклетка против дружной четверки сперматозоидов.

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 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 масштаб потерь.

Во-вторых, бесполое размножение происходит быстрее. Быстрота выгодна. Недаром же великая русская поэтесса Марина Цветаева сказала, что «успех – это успеть». Успеть размножиться и захватить новый ареал обитания… Успеть размножиться пока не съели враги… И так далее.

В-третьих, при бесполом размножении все дочерние особи с генетической точки зрения практически полностью идентичны материнской особи. Изменения в генотипе происходят редко (кроссинговер или отдельные мутации), следовательно – вероятность генетических отклонений от нормы мала.

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 планете?

Куда не взгляни – повсюду происходит половой процесс. Неспроста же так… У природы, как известно, нет плохой погоды и невыгодных действий. Так в чем же заключается выгода полового размножения?

В регулярных изменениях генотипа она заключается. Всякий раз, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, образуется особь с уникальным набором генов, а, соответственно, и признаков!

Регулярные изменения генотипа дают множество вариантов. Среди этих вариантов, то есть – среди родившихся в результате оплодотворения сперматозоида яйцеклеткой, всегда найдутся особи, лучше других приспособленные к условиям окружающей среды. Разумеется, будут и такие, которые приспособлены хуже, ведь у любой медали есть две стороны. Но дело не в сторонах, а в том, что выживают и дают больше потомства те особи, которые приспособленные к условиям окружающей среды лучше других. Конкуренция в природе повсюду и везде, это неотъемлемое качество живых организмов.

В конечном итоге, виды, размножающиеся половым путем, быстрее возникают адаптируются к постоянно изменяющимся условиям внешней среды.[24]

«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. Приспособились один раз – и живем не тужим!

Призыв не прогибаться под изменчивый мир и ждать, пока он прогнется под нас, хорош для песни, но для реальной жизни он не годится. Никогда эта изменчивая окружающая среда не «прогнется» под нужды и чаяния отдельного организма или группы организмов. У организмов нет выбора. То есть, формально говоря, он есть – приспосабливайся или погибай, но что это за выбор?

«Изменяйся вместе со средой, старайся приспособиться к ней как можно лучше!» – вот единственный призыв 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 т. п. В растительном мире напротив, преобладает гермафродитизм – одновременное или последовательное наличие у организма мужских и женских половых признаков и репродуктивных органов. Среди животных гермафродитизм в норме встречается редко, например – у некоторых видов червей, моллюсков и ракообразных.

Теперь вы знаете о делении клеток все, что вы хотели знать, но боялись спросить. Можно ставить точку.

 

Глава пятая. Биосистемы

 

Любой живой организм представляет собой биологическую систему. Так называют структурную единицу живой материи, состоящую из разных элементов. Человек, кошка, дерево, бактерия – все это биологические системы или, сокращенно, биосистемы.

Все живое на нашей планете представляет собой совокупность биологических систем различной степени сложности, которые объединены в единую иерархическую структуру. Обратите внимание на слово «иерархическую» – более простые биосистемы при своем объединении образуют более сложные. Не только отдельные живые организмы являются биосистемами. Понятие «структурная единица живой материи» гораздо шире и включает в себя совокупности живых организмов.

Знаете старую купеческую поговорку – «тысяча рублей – это не деньги, а капитал»? Имеется в виду, что крупная сумма денег представляет собой не только средство оплаты, но и «инструмент» для создания какого-то дела. Объединяясь, деньги становятся капиталом, приобретают ранее несвойственное им качество. Количество переходит в качество.[25] К месту можно вспомнить и притчу про отца, сыновей и веник. По отдельности прутики легко ломаются, но если собрать их вместе, то сломать не получится.

Свойства организма не являются простой совокупностью свойств составляющих его частей, а свойства сложной биосистемы не являются совокупностью свойств составляющих ее более простых биосистем. Кстати говоря, организм, даже одноклеточный, представляет собой сложную биосистему, состоящую из более простых биосистем. И если вы сейчас подумали о том, что в одноклеточном организме нет ничего сложного, то ошиблись – у любого одноклеточного организма есть клеточная мембрана, цитоплазма и молекула нуклеиновой кислоты, способная к самокопированию. Все это – простые биосистемы, объединенные (или объединившиеся, это уж кому как нравится) в более сложную.

Органеллы объединяются в клетки, клетки объединяются в ткани,[26] из тканей создаются органы, из органов – организмы, а организмы объединяются в группы – в семьи, в стаи, в популяции. Вот вам простейший пример – стая волков, благодаря взаимной поддержке и прочим преимуществам объединения может выжить в таких неблагоприятных условиях – сильные холода, скудное количество пищи, – в которых по отдельности волки выжить бы не смогли. Точно так