Текст книги "Разум побеждает: Рассказывают ученые"
Автор книги: авторов Коллектив
Соавторы: Еремей Парнов,Петр Кропоткин,Игорь Петрянов-Соколов,Виталий Гинзбург,Бонифатий Кедров,Леонид Ефремов,Владилен Барашенков,Владимир Брагинский,Борис Кузнецов,Яков Зельдович
Жанры:
Астрономия и Космос
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 20 страниц)
От клетки к молекуле
Составной и существенной частью научно-технической революции XX в. является происшедший переворот в биологии. В познании явлений жизни достигнут огромный прогресс. Биология круто шагнула вперед по пути выявления молекулярных механизмов важнейших процессов жизни, в понимании качественной специфики живого, в выяснении фундаментальных свойств органической материи, необходимого для постижения сущности жизни, для формирования общей ее теории, для расширения прикладных возможностей биологической науки.
Конечно, далеко не все трудности, связанные с научным анализом сущности жизни, преодолены, и это обстоятельство порождает у некоторых зарубежных биологов стремление отойти от материализма, оживить мысль о непознаваемости жизни, о действии в живом нематериальных или «надматериальных» сил и принципов. Так, известный западногерманский биохимик Шрамм считает, что достижения современной биологии принесли доказательства существования в живом фактора нематериальной природы.
«Благодаря молекулярной биологии, – говорит Шрамм, – мы теперь знаем, что при наследовании передается план, каким должно быть сформировано живое существо». Считая открытие генетического кода, с помощью которого в ДНК записана наследственная информация, фундаментальным открытием, Шрамм с пафосом восклицает: «А ведь до сих пор считали, что изобретение и расшифровка кода свойственны лишь человеку!» «Если мы понимаем, продолжает Шрамм, – генетическую информацию как идею, то при рассмотрении живой природы учение Платона об идеях оказывается поразительно верным».
«Подобно идеям, генетическая информация нематериальна, но однако же реальна, как и идея изобретателя, которая хранится в патентном бюро и может быть продана и куплена».
Как видите, Шрамм рассматривает информацию как идеальный фактор, совершенно независимый от своего материального носителя, что, конечно, совершенно ненаучно, так как информация может быть закодирована и передана с помощью самых разнообразных сигналов материального характера, и это вовсе не свидетельствует об идеалистическом характере информации.
Для исследований в цитологии, как и в биохимии, физиологии, биологии и других биологических науках, весьма характерен подход, который носит название редукционизма. Редукционистский подход состоит в том, что познание сложного, составного, целостного, в том числе и клетки, проводится через расчленение сложного на возможно более простые части, которые и являются фактическим предметом изучения. У нас, в цитологии, клетки разрушают с помощью различных весьма изощренных методов, изолируют составные их части оболочку, ядро, органоиды – и изучают их свойства, структуру и функции. Не может быть сомнений в том, что на этом пути цитология добилась выдающихся успехов. Мы теперь знаем очень подробно о структуре и функции мембран, ядра, митохондрий, рибосом, лизосом и т. д.
Но нужно не забывать, что целое всегда больше, чем сумма отдельных его частей. Мы хорошо знаем, что свойствами поваренной соли не обладают ни натрий, ни хлор. Точно так же характерные свойства биополимеров, например белков, невозможно предсказать на основании свойств образующих их мономеров. Ясно поэтому, что сведение сложного явления, каким является клетка, к сумме его частей, требует и умения пройти этот путь в обратном направлении, то есть от суммы частей перейти к системе, от расчлененности целого к его воссозданию, от редукционизма к интегратизму. Здесь встают задачи дальнейших исканий цитологии: не отбрасывая редукционный подход, напротив, всячески его совершенствуя, продолжать двигаться в сторону изучения и более высоких уровней организации.
Атомный исследовательский реактор.
Петлевой материаловедческий реактор.
Ускоритель многозарядных ионов – циклотрон У-300.
Часть электромагнита мощного синхрофазотрона.
Подготовка мишени для облучения на синхроциклотроне.
Микроскоп Р. Гука (XVII в.).
Срезы пробки под микроскопом Гука (первое изображение клетки).
Идет исследование ультраструктуры растительной клетки с помощью электронного микроскопа.
Современная схема строения живой клетки.
Самая простая молекула – Н2 и одна из самых сложных молекул – ДНК.
На этих перфолентах запрограммированы сложнейшие задачи.
Идет эксперимент.
Кстати, сейчас широко распространилось представление о биологической иерархии структур, о разных уровнях организации – субклеточном, клеточном, тканевом организменном, популяционном и т. д. Не следует, однако, думать, что, чем выше положение объекта в иерархии, тем он сложнее. Популяция, состоящая из множества индивидуумов, несомненно, гораздо проще каждого из индивидуумов, а такой низший многоклеточный организм, как губка, несомненно, организован проще, чем составляющие его клетки. Это, вероятно, объясняется тем, что путь от начальных примитивных живых форм до одноклеточного организма был куда более длинный, чем от одноклеточной формы до начальных этапов филогенеза. Конечно, на более поздних его этапах – на уровне человека, например, организменный уровень системы сравним или даже превосходит сложность клеточной организации.
Возвращаясь к проблеме соотношения редукционистского и интегративного подходов в исследовании клетки, нужно сказать, что если первый из этих подходов принес цитологии большой и общепризнанный успех, то второй путь делает также хотя и самые первые, но уже успешные шаги. В качестве примера можно привести данные о самосборке.
Известно, что многие белки обладают так называемой четвертичной структурой, то есть состоят из субъединиц, которые в подходящих условиях самопроизвольно соединяются между собой с образованием исходной четвертичной структуры. Такой способностью обладает, например, гемоглобин, уреаза и некоторые другие белки. Подобный же процесс самосборки удается наблюдать и на более сложных структурах, например на рибосомах, на мембранах, на вирусах и бактериофагах. Эти структуры построены из разных молекул биополимеров – белков, нуклеиновых кислот, липидов. В рибосомах, например, содержится три разных типа нуклеиновых кислот и около 20 различных индивидуальных белков. В частицу вируса табачной мозаики входит кроме нуклеиновой кислоты более 2000 одинаковых молекул белка. И все эти сложные структуры самопроизвольно собираются из смеси своих составных частей. А недавно известный цитолог Дж. Даниэли описал результаты опытов с самосборкой амеб.
Амебу – одноклеточный организм – расчленили на составные части: оболочку, ядро, цитоплазму. Затем эти компоненты, полученные, разумеется, от большого числа особей, снова смешивали и наблюдали образование заново целых клеток из частей разных индивидуумов: оболочка от одного, ядро от другого и цитоплазма от третьего. Такие «сборные» амебы, по описанию Даниэли, обладают свойственной этим клеткам способностью к движению и размножаются. Следовательно, и на таком сложном организме, как амеба, доказана возможность ее самосборки из составных частей. Однако на пути выяснения свойств интегрированной клеточной системы стоит еще очень много нерешенных вопросов.
Чем больше мы узнаем о структуре клетки и как она работает, тем больше проникаемся мыслью, что самые сложные технические устройства, сконструированные человеком, самые блистательные успехи синтетической химии, самые выдающиеся достижения в области организации производства не идут в сравнение с исключительной сложностью клетки, с поражающим разнообразием, быстротой и эффективностью осуществляемых в ней синтезов, с совершенством ее управления и фантастической миниатюрностью.
Как осуществляется управление этими процессами? Нужно также учесть, что жизнь клетки жестко регламентирована во времени: этапы клеточного цикла четко следуют один за другим, и этим стадиям подчиняется жизнедеятельность клетки. Но как работают эти «клеточные часы»?
В клетке одновременно происходит множество процессов – одни вещества расщепляются, другие синтезируются; происходит заготовка энергетических веществ в запас; заготавливаются материалы, которые потребуются клетке, когда она приступит к делению. Как достигается эта удивительная согласованность всех процессов, как возникает и поддерживается ее целостность? Еще одна тайна – движение веществ внутри клетки и целенаправленные движения самих клеток. Мы знаем, что информационная РНК синтезируется в ядре, но как она переходит из ядра в цитоплазму и как она внедряется в рибосому, остается еще полностью невыясненным. Нужно при этом учесть, что синтезированные вещества перемещаются на расстояния нередко в тысячи раз большие, чем размеры молекул.
В. Я. Александров в своей книге «Поведение клеток и внутриклеточных структур» (М., «Знание», 1975) собрал много примеров целенаправленных движений клеток и внутриклеточных структур. Как осуществляются эти удивительные передвижения, упорядоченные в пространстве и времени, остается загадкой. В. Я. Александров считает, что движения клеток относятся к тому же кругу явлений, которые в процессе эволюционного развития, усложнения и качественного преобразования привели к появлению высших форм поведения животных и человека. На этом основании В. Я. Александров считает целесообразным создание новой науки – цитоэтологии, которая бы использовала для понимания поведенческих актов на клеточном уровне достижения зоопсихологии.
Очень еще мало также продвинута проблема использования наследственной информации. Яйца или клетки раннего зародыша не имеют тех свойств, которые характерны для клеток взрослого организма. У зародыша все клетки очень похожи друг на друга, но по мере развития они начинают различаться между собой. Чем дальше развитие, тем более клетки разнообразны. Во взрослом организме можно насчитать до сотни разных типов клеток – мышечные, эпителиальные, кровяные, печеночные и т. д.
Следовательно, клетки, одинаковые вначале, имеющие одинаковую наследственную информацию, специализируются, или, как принято говорить, дифференцируются. Одни гены работают во все время жизни клетки, другие включаются в определенные моменты, а третьи, видимо, вообще никогда не включаются. Какими силами направляется это развитие, как регулируется деятельность хромосом, еще очень мало понятно, а ведь это очень важно в практическом отношении.
Возьмите проблему злокачественного роста. Нельзя сомневаться в величайшей актуальности и практической важности этой проблемы. Из того, что мы знаем о раковой клетке, можно заключить, что эти клетки утрачивают связь с соседними клетками, размножаются неудержимо, бесконтрольно и образуют опухоль.
Что же удерживает клетки в норме, какова природа той «дисциплины» размножения, которой подчиняются нормальные клетки? Это, очевидно, проблема формирования ткани органа, то есть проблема развития, дифференцировки. Раковые клетки легко отрываются от опухоли, попадают в кровь и разносятся по всему организму. Так возникают метастазы, то есть новые опухоли. Это происходит в результате особых свойств поверхности раковой клетки – в отличие от нормальных клеток раковые клетки связаны между собой гораздо слабее. А это происходит в результате изменения структуры и свойств поверхности раковых клеток. Изменения же поверхности клетки есть результат изменения состава ее белков.
Следовательно, идет нарушение синтеза белков в результате нарушения регуляции работы хромосом. Для того чтобы избавить организм от опухоли, ее удаляют хирургическим путем или убивают раковые клетки рентгеновскими лучами или химическими веществами. Но не всегда удается удалить опухоль так, чтобы ни одна раковая клетка не осталась в организме. При облучении рентгеновскими лучами и действии химиотерапевтическими препаратами также нет уверенности, что удастся убить все раковые клетки. А при увеличении доз этих агентов гибнут и нормальные клетки.
Таким образом, ясно, что, для того чтобы понять причины возникновения рака, его природу, найти средства для его предупреждения и эффективного лечения, нужно знать хорошо природу этих клеток. Для решения этой проблемы разработана программа исследований, осуществляемая под эгидой научного совета АН СССР по проблемам цитологии. Для решения ее привлекаются специалисты разных областей знания. Планируется развертывание исследований всего спектра изменений, возникающих в клетке при воздействии канцерогенов и вирусов, изучение иммунохимических и цитогенетических характеристик злокачественных клеток, устойчивости и репарации клеток и клеточных структур. Несомненно, что разработка целенаправленных мероприятий, их организация и координация не простое дело. Но эти задачи уже стоят перед учеными, и на их решение необходимо направить максимальные, хорошо продуманные и взаимно увязанные усилия.
Указать, когда будут достигнуты решающие успехи в этой области, трудно. Прогнозы в науке вообще смущают ученых. Я приведу в связи с этим один пример. В начале нашего века выступил с большой статьей видный физиолог профессор Бунге и, говоря о нерешенных проблемах жизни, остановился на самой великой загадке ее, на загадке наследственности. Бунге сказал так: «Известен факт, что с помощью сперматозоида, от этой маленькой клетки, 500 миллионов которых занимают объем едва ли 1 куб. см, от отца к сыну передаются все духовные и телесные особенности. Я думаю, что многие тысячелетия пройдут над поколениями людского рода, прежде чем только первый шаг будет сделан к разрешению этой загадки». Но профессор Бунге оказался плохим пророком. Для разрешения этой великой загадки понадобились не тысячелетия, а всего 50 с небольшим лет. Так что лучше не заниматься прогнозами, а больше и энергичнее работать.
К управлению наследственностью
Четверо из каждой сотни людей рождаются с наследственными болезнями. Болезни эти до сих пор лечатся с большим трудом, а до недавнего времени и совсем не поддавались лечению. Вот, например, фенилкетонурия. В организме больного не синтезируется фермент, перерабатывающий аминокислоту, фенил-аланин. В результате ребенок вырастает слабоумным. Оказалось, что если такого ребенка определенное время кормить пищей, в которой фенилаланина нет, то он вырастает вполне здоровым. А вот дети у него могут родиться больными.
Сравним это со следующей картиной. Завод выпускает машины, собранные по неверному чертежу. Каждую из таких машин можно исправить, но несравненно лучше было бы внести исправление в исходный чертеж. Тогда с заводского конвейера будут сходить бездефектные машины. Так вот, исправлять наследственность на уровне чертежа, то есть на уровне зародышевой клетки, мы пока не умеем. Во многих случаях мы пока вообще не в состоянии помочь такому больному, даже зная причину болезни. Например, распространенная у некоторых африканских народов серповидноклеточная анемия (белокровие) объясняется тем, что организм больного производит гемоглобин, отличающийся от нормального всего-навсего одним из аминокислотных остатков. Причина известна, но лечения этой болезни пока нет.
Лишь в самое последнее время наметились пути решения проблемы управления наследственностью. Известно, что наследственная информация записана в молекулах ДНК. Каждый знак генетического кода составляется из нуклеотидов, собранных в определенном порядке.
Но почему именно такая структура определяет данные функции, пока неясно. Носить часы или смотреть телевизор еще недостаточно для того, чтобы уметь разобраться в их устройстве, чтобы понимать, для чего нужны именно данное колесико в часах или данная радиолампа в телевизоре. А тут перед нами молекулярная «машина» клетки, неизмеримо более сложная, чем самое сложное техническое устройство. Мы уже видим, как она работает, но пока еще не знаем, почему так, а не иначе.
Чтобы сделать следующий шаг в познании секретов жизни, нужно связать функцию и структуру каждой детали – молекулы в «машине» клетки. Одни ученые пытаются решить эту задачу, сравнивая молекулы различной структуры. Так, разбирая несколько замков различной конструкции и подбирая свой ключ к каждому из них, можно догадаться, как же эти замки действуют.
Второй путь – более активный – называется методом химической модификации. Если химически изменять каждый участок молекулы, звено за звеном, то можно увидеть, изменение какого звена связано с изменением функций всей молекулы. По характеру этого изменения можно судить о том, какая именно химическая структура определяет данные функции. Если же изменение того или иного звена не приводит к изменению функций, то, следовательно, данный участок молекулы в выполнении этой функции не участвует.
На этот метод сейчас возлагаются наибольшие надежды. Однако не нужно думать, что это очень простое дело. Большинство современных химических реагентов действуют сразу на два или даже на три азотистых основания в молекуле нуклеиновых кислот. А ведь нужно подействовать только на одно азотистое основание, не затронув других (всего их, как известно, четыре).
Многого здесь ученые уже добились. Так, в Институте химии природных соединений АН СССР член-корреспондент АН СССР Н. К. Кочетков и доктор химических наук Э. И. Будовский нашли химическое вещество, которое действует только на одно из азотистых оснований (цитозин). Но и этого оказалось мало. Ведь каждая молекула нуклеиновой кислоты, даже такой сравнительно простой, как т-РНК, содержит большое число одинаковых азотистых оснований (валиновая т-РНК, например, содержит 19 остатков цитозина). Одинаковые остатки, конечно, неразличимы по своим химическим свойствам, однако, находясь в разных участках молекулы нуклеиновой кислоты, они выполняют, по-видимому, различные функции.
А нельзя ли создать такие химические реагенты, которые будут действовать избирательно – только на азотистые основания, находящиеся в окружении определенных соседей?
Такие реагенты уже созданы. Это небольшие кусочки цепи нуклеиновой кислоты, к которой присоединена активная химическая группа. Напомним, что молекула ДНК состоит из двух спиралей, соединенных водородными связями. При делении клетки эти две спирали молекулы ДНК расходятся, и каждая из них достраивает себе вторую. Как известно, в молекуле ДНК порядок азотистых оснований в одной спирали строго определяет порядок их и в другой, например против аденина может стоять только тимин. Поэтому когда спирали расходятся, то напротив каждого аденина в одной спирали становится тимин в другой, а напротив тимина, соответственно, становится аденин.
Вот этот-то механизм и решили использовать ученые. Если мы имеем, скажем, звено молекулы нуклеиновой кислоты, где подряд стоят три аденина и один гуанин (сокращенно – АААГ), то его найдет химический реагент, в котором активная группа (обозначим ее буквой X) связана с тремя тиминами. При этом наша активная группа химически про-взаимодействует только с гуанином, стоящим рядом с тремя аденинами, и ни с каким другим. Такой химический реагент назвали мутагеном с адресом. Роль адреса выполняет кусочек цепи нуклеиновой кислоты. В нашем случае это три тимина, а мутаген – активная группа, которая, взаимодействуя с данным звеном цепи нуклеиновой кислоты, может изменить наследственность.
Самое важное здесь то, что в данном случае мутация строго определена. Все мутагены, употреблявшиеся до сих пор (рентгеновские лучи, химические вещества и т. п.), вызывали лишь увеличение общего числа мутаций. Среди миллионов бесполезных и вредных мутаций изредка появлялись и полезные, которые и закреплялись в потомстве с помощью отбора. Именно так были выведены разновидности микроорганизмов, которые производят в сотни раз больше антибиотиков (например, пенициллина), чем их прародители.
Кроме создания мутагенов с адресом есть еще один путь, который может привести к управлению наследственностью, – химический синтез молекул нуклеиновых кислот с заданным строением. Изучая функции таких молекул, можно будет установить роль любого их звена, то есть любого гена. Вполне вероятно, что искусственно синтезированные гены удастся вводить в клетки с помощью безвредных вирусов. Когда такая задача будет решена, сначала станет возможным ликвидировать все наследственные болезни, а затем встанет вопрос и об улучшении наследственности человека.
Большие надежды на управление наследственностью возлагаются в последние годы на пересадку генов – методы так называемой генной инженерии. Для этого нужно прежде всего научиться разрезать молекулы нуклеиновых кислот по определенным участкам. Адресованные реагенты позволяют решить и эту задачу. Для этого нужно подобрать группу X так, чтобы она после присоединения в определенном месте к ДНК ослабляла бы химические связи, удерживающие между собой отдельные мономеры. Эта задача также решена: с помощью адресованных реагентов уже удается разрезать на определенные куски большие молекулы ДНК (например, ДНК некоторых бактериофагов). До сих пор в генной инженерии для такого разрезания пользовались только получаемыми из некоторых микроорганизмов ферментами рестрикции. Однако эти ферменты разрезают молекулы ДНК по очень ограниченному набору последовательностей. Адресованные же реагенты позволяют провести расщепление цепочки ДНК по любому желаемому месту – достаточно только изменить адрес.
