Как работает хромосома
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
У каждого растения или животного существуют характерные свойства — признаки, по которым его можно легко отличить. У растений — это форма и окраска листьев, стебля, у животных — строение тела, цвет и характер волосяного покрова и многое другое. Все эти признаки создают стройный порядок в кажущемся хаосе окружающего нас мира живых существ. Но, кроме этих легко наблюдаемых и изучаемых признаков, есть еще и другие, очень строгие и постоянные, которые помогают нам раскрывать многие запутанные тайны природы. Среди этих признаков мы находим и «героиню» нашего рассказа — хромосому.
Хромосомы — это основная структура клеточного ядра. Их число и их форма для каждого животного и растения всегда строго определенны. Например, твердые пшеницы имеют всегда 28 хромосом, мягкие — 42 хромосомы, у кукурузы — их 20, у человека — 46. Но даже в этом наборе хромосом каждая из них имеет свое «лицо». Как хороших знакомых, можно легко узнать, например, каждую хромосому человека, несмотря на то, что их довольно много.
Хромосомы имеются в ядре каждой клетки животного или растения. Но рассмотреть их можно хорошо только тогда, когда живая клетка делится на две. В ядре покоящейся клетки — в период между делениями — хромосомы видны плохо; в это время, которое длится от 10 до 20 часов, они находятся в состоянии наибольшего удлинения и наименьшей толщины. При подготовке клетки к делению они укорачиваются, утолщаются и выстраиваются в одной плоскости. В этот момент их и лучше всего изучать. Еще совсем недавно ученые для того, чтобы познакомиться с хромосомами, убивали клетку, а затем уже ее рассматривали. Теперь все чаще исследования проводятся на живой клетке. Наблюдая за ней, ученые снимают увлекательные фильмы, показывающее, что же происходит с хромосомами при делении клетки.
Самая яркая отличительная черта поведения хромосом при делении клетки — это абсолютно точное их распределение между двумя рождающимися дочерними клетками. Если это распределение нарушить, то изменится не только сама клетка, но и признаки целого организма. Так, нехватка лишь одной из 46 хромосом человека или наличие лишней хромосомы приводит к очень тяжелым заболеваниям — бесплодию, умственной отсталости, малому росту. В этом как раз и заключается опасность радиоактивной радиации: она вызывает резкие нарушения в строении и распределении хромосом человека и животных.
Однако, не все нарушения хромосом приводят к нежелательным для организма изменениям. Если облучить клетки в прорастающих семенах пшеницы, кукурузы или любого другого растения, то среди растений, развившихся из таких семян, можно отобрать очень полезные для человека формы с новыми, стойко передающимися по наследству признаками. Таким способом созданы новые ценные сорта сельскохозяйственных растений и высокопродуктивные формы антибиотиков.
Действуя на клетки специальными химическими веществами, можно даже сделать так, что число хромосом в клетках растений удвоится. Такое изменение оказывается очень полезным. Недавно ученые вывели новую форму сахарной свеклы с тройным набором хромосом. У нее значительно более высокая сахаристость, чем у обычной.
Все, что мы знаем о хромосомах, говорит об их тесной связи с явлениями наследственности. Химическое вещество, которое сохраняет и передает генетическую информацию, — дезоксирибонуклеиновая кислота, или сокращенно ДНК, — сосредоточено только в хромосомах. Длинные молекулы ДНК построены из специфических «кирпичей», и от того, в какой последовательности располагаются эти «кирпичи», зависят характер и свойства веществ, образующихся с помощью ДНК. В каждой хромосоме имеется определенное для данного вида число молекул ДНК. Если их вытянуть в нить, они растянутся на 10 метров. А длина самой хромосомы — всего несколько микрон.
Хромосома — неутомимый труженик. Чем активнее растет клетка, чем интенсивнее идет в ней обмен веществ, тем напряженнее «трудится» хромосома. Мы уже говорили, что основное участие в обмене веществ клетки хромосомы принимают тогда, когда клетка не делится. Хромосомы в этот период сильно раскручиваются, увеличивая во много раз свою рабочую поверхность. Ученым Б. В. Кедровскому и А. А. Прокофьевой-Бельговской удалось подробно увидеть, что происходит с хромосомой, когда клетка усиленно «работает». В этот период на ее поверхности образуется большое количество специфических веществ. Они периодически отделяются от хромосомы и уходят в цитоплазму, окружающую ядро живой клетки. Причем основным веществом, которое вырабатывает хромосома, является тоже нуклеиновая кислота — только уже рибонуклеиновая (РНК).
РНК очень активна и подвижна, она легко переходит из ядра в цитоплазму клетки и обладает удивительным свойством — строго повторять структуру ДНК, характерное расположение ее строительных «кирпичей». Таким способом она точно передает информацию от хромосомного вещества в цитоплазму, где сосредоточена основная фабрика производства белков. И от характера РНК зависит характер образующегося в клетке белка. Существует прямая связь также между активностью синтезов в цитоплазме клетки и количеством РНК, образующейся в этот период на хромосомах. Следовательно, на ДНК хромосом, как на матрице печатного станка, беспрерывно отпечатываются ее копии, отражая все изменения, которые происходят в хромосоме.
Когда хромосома работает, ее внешний вид может сильно меняться. И не только за счет того, что на ее поверхности накапливаются продукты жизнедеятельности. Все изменения внешнего вида хромосомы связаны с увеличением ее активной, рабочей поверхности. На хромосоме могут образоваться многочисленные боковые выросты — тогда хромосома становится похожа на ершик для мытья стеклянной посуды. Ученые так и назвали такие хромосомы — «ламповыми щетками». Рабочая поверхность увеличивается также, если возрастет число нитей ДНК, из которых построена хромосома. В этом случае возникают гигантские хромосомы, часто встречающиеся у насекомых и некоторых растений — в клетках, которые образуют много белка.
Однако не все зависит от того, активно или неактивно работает вся хромосома. В различных органах тела ее деятельность должна быть тоже различной, чтобы обеспечить специфичность клеток этих органов. И действительно, в каждом органе тела, в каждой специальной ткани в активную работу включаются строго определенные, характерные участки хромосом.
Любое, самое высокоорганизованное живое существо развивается из одной-единственной клеточки, в которой нет тех сложных органов и тканей, какие имеет взрослый организм. Но из каждой исходной клеточки развивается только определенный организм: из куриного яйца выходит именно курица, а не утка и тем более не кошка и не собака. Значит, в этой исходной клетке был заложен огромный запас информации, реализуемой при взаимодействии с условиями среды в ходе развития клетки.
Ученые установили, что хромосомы в развивающемся зародыше работают по тому же принципу, с каким мы встречались, знакомясь с хромосомами разных тканей взрослого организма: на каждой стадии развития в активную работу последовательно включаются специальные участки хромосом. Такие участки можно легко обнаружить, так как они сильно вздуваются, набухают. По окончании «работы» эти районы хромосом принимают свой первоначальный вид. Существует строгое правило: если мы знаем стадию развития организма, то мы можем точно сказать, каков будет внешний вид его хромосом, сколько появится вздутий и где они будут расположены. И наоборот, по внешнему виду хромосом можно уверенно узнать стадию развития организма.
Какие же вещества выделяются из активных участков хромосом? Прежде всего, уже знакомая нам РНК. Вот, например, на одной из хромосом мотыля. У личинки в нем едва удается определить присутствие РНК. Но как только личинка превращается в куколку, на этом месте начинает бурно накапливаться большое количество РНК, которая постепенно переходит в цитоплазму в виде мелких капелек. Таким образом, через РНК подаются сигналы в цитоплазму об изменении активности того или иного отдела хромосомы. Получается, хромосома двулика: на одной стадии развития ее отдельные районы могут выделять активные белки, на другой — РНК.
Полностью управлять работой хромосом мы пока еще не научились. Это — дело будущего. Но вмешаться в работу их отдельных участков уже умеем. Можно удалить тот или иной район хромосом, переменить местами несколько районов, добавить кусочек хромосом от другого близкого организма — и меняются отдельные признаки целого организма.
Итак, хромосома постепенно, одну за другой раскрывает нам свои тайны. Вооруженные этими знаниями, мы активно вмешиваемся в жизнь клетки, в «работу» целого организма. Изменение числа хромосом, переделка их структуры с помощью внешних воздействий широко используются для создания новых сортов растений. Хромосомный анализ становится незаменимым методом в расшифровке наследственных заболеваний человека. С помощью изучения хромосомных перестроек у человека и животных была показана огромная опасность даже незначительного повышения уровня естественной радиации, которая возникает в результате испытаний атомного оружия.
Расшифровка механизма «работы» хромосом важна не только для понимания сущности жизненных явлений, но и для использования «опыта работы» хромосом в области технических наук, в частности для конструирования новых электронных машин. Познав до конца специфику работы хромосом, мы еще на один шаг станем ближе к нашей цели — раскрытию тайн природы.
Автор: И. И. Кикнадзе.