Похвала «глупости» хромосомы. Исповедь непокорной молекулы

А. Лима-де-Фариа
ПОХВАЛА
«ГЛУПОСТИ»
ХРОМОСОМЫ
Исповедь
непокорной
молекулы
ПОХВАЛА
«ГЛУПОСТИ»
ХРОМОСОМЫ
PRAISE OF
CHROMOSOME
«FOLLY»
Confessions of an Untamed
Molecular Structure
Antonio Lima-de-Faria
Lund University, Sweden
World Scientific
NEW JERSEY • LONDON • SINGAPORE • BEIJING • SHANGHAI • HONG KONG • TAIPEI • CHENNAI
А. Лима-де-Фариа
ПОХВАЛА
«ГЛУПОСТИ»
ХР
ХРОМОС
ОМОСОМЫ
ОМЫ
Исповедь
непок
непокорной
орной
молек
молекулы
улы
. . . . -. , ,
. . . 2-е издание (электронное)
Москва
БИНОМ. Лаборатория знаний
2015
УДК 578+576
ББК 28.0
Л58
Лима-де-Фариа А.
Л58
Похвала «глупости» хромосомы. Исповедь непокорной молекулы [Электронный ресурс] / А. Лимаде-Фариа ; пер. с англ. — 2-е изд. (эл.). — Электрон.
текстовые дан. (1 файл pdf : 315 с.). — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — Систем. требования: Adobe
Reader XI ; экран 10".
ISBN 978-5-9963-1994-7
Книга написанная известным шведским ученым, рассказывает о молекулярной организации хромосом, об их строении
и свойствах, а также о проблемах эволюции. Хорошо проясняют
предмет тщательно подобранные красочные иллюстрации. Книга
вносит значительный вклад в общую дискуссию о строении,
свойствах хромосом и об эволюции живых организмов.
Для специалистов-генетиков, эволюционистов, молекулярных биологов, биотехнологов и цитологов, а также для аспирантов, студентов и интересующихся проблемами клеточного
генома.
УДК 578+576
ББК 28.0
Деривативное электронное издание на основе печатного аналога:
Похвала «глупости» хромосомы. Исповедь непокорной молекулы / А. Лима-де-Фариа ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2012. — 312 с. : ил. — ISBN 978-5-9963-0148-5.
Первый тираж осуществлен при финансовой поддержке
Российского фонда фундаментальных исследований по проекту
№ 10-04-07120
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных техническими средствами защиты авторских прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения
убытков или выплаты компенсации
c 2008 by World Scientific Publishing
Copyright ○
Co. Pte. Ltd. All rights reserved.
This book, or parts thereof, may not
be reproduced in any form or by any
means, electronic or mechanical,
including photocopying, recording or
any information storage and
retrieval system now known or to be
invented, without written permission
from the Publisher.
Russian translation arranged with
World Scientific Publishing
Co. Pte. Ltd., Singapore.
c Перевод на русский язык, БИНОМ.
○
Лаборатория знаний, 2011
ISBN 978-5-9963-1994-7
Содержание
К читателю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Вступительное слово . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
Часть 1
Источник «глупости» и причина исповеди . . . . . . . . . . . . . . .
1. Я — неприметное и непривлекательное создание,
накрашенное губной помадой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Говорят, я похожа на сосиску . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Клетка — мой зáмок и моя темница, но,
как одалиске в гареме, мне дозволено плавать и танцевать . . . .
4. Мой стриптиз, или как я облачаюсь и разоблачаюсь
при каждом делении клетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Я создала свой собственный мир, полный хитростей,
черных ходов и новинок — я необузданный изобретатель . . . . .
6. Мое происхождение скромно — в моем устройстве
отметины противоречивой природы материи . . . . . . . . . . . . . .
7. Источник моей «глупости» — раздвоение личности . . . . . . . . .
8. Что побуждает меня к исповеди . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9. Я оскорблена и обижена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10. Мудрость глупости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11. Научные концепции меняются со временем —
природа науки требует замены старых идей, когда новые
технологии позволяют проникнуть глубже в тайны материи . . .
12. Казавшееся нелепым когда-то, оказывается верным
годы спустя. Считалось, что ген состоит из белка,
но сейчас известно, что это нить ДНК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13. За последние двадцать лет количество генов человека
сократилось с 200 000 до 32 000,
и это число продолжает вызывать сомнение . . . . . . . . . . . . . . .
14. Модели хромосом радикально менялись со временем . . . . . . .
Цитированная литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Источники иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
9
11
13
15
19
21
23
28
30
33
37
40
41
42
46
49
306
Оглавление
Часть 2
Кого волнует гравитация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
15. Хромосома, ее устройство и работа, идут
своим путем — они не подчиняются законам гравитации,
магнетизму, теории вероятностей или естественному отбору .
16. Определение гравитации. Законы Ньютона хороши
и для планет, и для яблок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17. Что такое сила? Четыре фундаментальные силы . . . . . . . . . . .
18. Законы Ньютона неприменимы в квантовой механике . . . . .
19. Не все предметы падают без опоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20. Подъем древесного сока — другой необъясненный феномен. . . .
21. Неизвестный процесс определяет, какая клетка будет
расти по направлению силы тяжести, а какая — против . . . . .
22. Физики строят антигравитационные устройства,
заставляющие парить лягушек и растения . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23. Атомы скрывают множество свойств, способных объяснить
механизмы процессов в живой материи, или жидкий гелий
может бить из колбы фонтаном . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24. Левитация металлов — невозможное
становится возможным . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25. Животные, как и растения, создали приспособления,
противодействующие тяготению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26. Между сердцем и головой жирафа — больше двух метров . . .
27. Хромосомы не следуют законам Ньютона —
движение хромосом «обходит» силу тяжести . . . . . . . . . . . . . . .
28. Хромосомы движутся во все стороны света . . . . . . . . . . . . . . . .
29. Направление движения запрограммировано в организме . . .
30. Устройства, благодаря которым хромосома движется . . . . . . .
31. В ядре хромосомы движутся, как рыбки
в аквариуме, без помощи нитей веретена . . . . . . . . . . . . . . . . .
32. Автономия хромосом многогранна — концы хромосом
могут перехватывать у веретена функцию подвижности . . . .
33. Хромосомы, унаследованные от отца, могут быть направлены
в другой «отсек», нежели унаследованные от матери . . . . . . . .
34. Как нормально двигаться без путеводных звезд и центросом . . .
35. Репликация ДНК пренебрегает тяготением . . . . . . . . . . . . . . .
36. Кристаллизация минералов также пренебрегает
тяготением и включает стадию массового копирования . . . . .
51
52
54
56
57
57
60
63
64
66
67
69
72
73
73
75
77
78
80
80
82
83
Оглавление
307
37. Содержимое яйца вращается, а клетки эмбриона
мигрируют, независимо от тяготения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38. Раковины улиток могут быть закручены вправо или влево —
направление определяется генами, которые устанавливают
ось клеточного деления независимо от тяготения . . . . . . . . . .
39. Откровение: хромосоме не нужны сильные магниты
и сверхнизкие температуры, чтобы ускользнуть
от действия тяготения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40. Богини не следуют земным законам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Цитированная литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Источники иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
86
88
88
90
92
Часть 3
Кого волнует случайность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
41. Сначала случайность была чужда науке . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42. Случайность — экономическая
концепция XVII столетия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43. Случайность — синоним незнания: «глупость вероятности» . . . .
44. Понадобилось 20 лет, чтобы показать, что считавшиеся
случайными события, происходящие с хромосомами,
на самом деле запрограммированы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45. Передача наследуемых признаков —
от путаницы до предсказания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46. Мутация — главный пример случайного события . . . . . . . . . . . . . .
47. Как господствующий стиль привел к стильным результатам,
или как случайные мутации оказались неслучайными . . . . .
48. Случайные перестройки
направляются мобильными элементами . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49. Повторяющиеся элементы человеческого генома
оказались не мусором, а кладезем информации . . . . . . . . . . . .
50. Гены со сходными функциями не обязательно
расположены рядом — случайные мутации
и перестройки разрушат любой возможный порядок . . . . . . .
51. Оказывается, гены состоят из высокоорганизованных
последовательностей «станций» ДНК, ограниченных
явными сигналами начала и конца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52. Ген никогда не одинок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
96
101
102
103
104
104
107
108
109
111
116
308
Оглавление
53. Периодическая упаковка ДНК в хромосомах
оказалась предсказуемой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54. Надлежащее движение хромосом
при клеточном делении обеспечивается
коррекцией неверных присоединений
к аппарату подвижности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55. Клетки чувствуют и останавливают бесконтрольные
деления, обусловлненные сигналами раковых опухолей.
Более того, РНК могут выключать гены . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56. Предотвращение неверного спаривания
и рекомбинации хромосом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57. Броуновское движение — ловушка для физика . . . . . . . . . . . .
58. Клетка считалась гороховым супом,
но у большинства молекул есть адрес . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59. «Генетический код, определенно, не случаен» . . . . . . . . . . . . .
60. В беспорядке — шум, в порядке и единстве — музыка . . . . . . .
61. Разница между генетическим шумом
и генетической музыкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62. Встречаются не все возможные «ошибки» . . . . . . . . . . . . . . . . .
Цитированная литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Источники иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
117
118
119
122
123
124
127
127
128
129
131
Часть 4
Кого волнует естественный отбор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
63. Естественный отбор — концепция политическая,
а не научная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64. Три мифа в науке: флогистон в химии,
эфир в физике, отбор в биологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65. Определения естественного отбора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66. Отбор — не материальная субстанция,
которую можно измерить . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67. Различие между эволюцией и дарвинизмом . . . . . . . . . . . . . . .
68. Достоинства и ограничения дарвинизма . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69. Объяснение эволюции
на основе физико-химических процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70. Как хромосома избегает отбора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71. Хаотичная хромосома не может избежать отбора,
а организованной ничего не остается, кроме как обойти его . . . .
133
136
138
139
140
141
141
142
143
Оглавление
309
72. Для самосохранения, новаций и исследований
хромосома не нуждается в отборе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
73. Механизмы репарации обеспечивают поддержание порядка,
действуя на разных молекулярных уровнях, —
синтез ДНК, РНК и белка контролируется по-разному . . . . . . 144
74. Человек не может существовать без репарации ДНК . . . . . . . 145
75. Целостность РНК, необходимая для нормального
функционирования клетки, поддерживается
особым типом репарации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
76. РНК-надзор — дополнительный механизм,
улучшающий безопасность путем контроля качества . . . . . . . 149
77. Молекулярные шапероны — это белки,
обеспечивающие преобладание правильной сборки молекул . . . 150
78. Как сбить с толку эволюциониста.
Яйцо учит курицу: предковая РНК может
восстановить исходную последовательность ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . 154
79. Новаторство через создание новых генов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
80. Разведка новых функциональных возможностей ведется
изменением генетических путей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
81. Как плазмиды и вспомогательные хромосомы
избегают отбора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
82. Есть гены, способные «жульничать»
с естественным отбором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
83. Хромосома может «чувствовать» и регулировать
количество генов, и переключаться на гены,
способствующие выживанию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
84. Множество защитных механизмов, созданных хромосомой,
«делают естественный отбор невозможным» . . . . . . . . . . . . . . . 160
85. Агрегация и клеточная адгезия слизевика Dictyostelium
использует те же химические решения,
что и эмбрионы высших организмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
86. Яйцо — это кладезь информации, приготовленный
материнскими хромосомами; так гарантируется
идентичность строения тела потомка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
87. Генетический код не содержит прямой информации
для построения организма — создание этой
«дорожной карты» в руках других молекулярных
процессов, направляющих развитие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
88. Координацией информационных РНК
занимаются малые клеточные РНК,
которым раньше не уделяли внимания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
310
Оглавление
89. Экспериментально продемонстрирован
механизм, ответственный за постоянство формы . . . . . . . . . . .
90. Радикальные преобразования
в зародыше управляются определенными белками . . . . . . . . .
91. Клетки одной группы меняют форму,
темп и направление развития своих соседей . . . . . . . . . . . . . .
92. Хромосома обеспечила организму защиту не только
от внутренних ошибок, но и от внешних врагов . . . . . . . . . . . .
93. Смерть клетки так же запрограммирована, как и жизнь . . . .
94. Клетки могут совершить самоубийство,
но амеба потенциально бессмертна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95. И у клетки, и у хромосомы безошибочная память . . . . . . . . . .
96. Невеста Людовика XV могла родить… кролика . . . . . . . . . . . . .
97. Почему женщина не рожает мышь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Цитированная литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Источники иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
165
166
168
172
173
174
175
177
181
183
189
Часть 5
Кого волнует магнетизм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
98. Магнетизм и электричество —
два проявления одного явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
99. Бактерии, пчелы и голуби
ориентируются по магнитному полю . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
100. Клетки вырабатывают электричество
и создают магнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
101. Если магнит разделить на части, каждый фрагмент
ведет себя как целый магнит с новыми северным
и южным полюсами, а из малых магнитов
можно собрать один большой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
102. Если оплодотворенное яйцо разделить на
отдельные клетки, каждая клетка ведет себя как
целое яйцо, давая начало отдельному зародышу . . . . . . . . . . . . . . . . 199
103. Отдельные зародыши, слитые вместе,
образуют один нормальный организм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
104. Если хромосому разделить на части, каждый фрагмент
ведет себя как целая хромосома, при необходимости
создавая новые теломеры и центромеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Оглавление
105. Хромосомы могут объединяться и распадаться,
сохраняя свои генетические свойства — у оленя
может быть 35 или только 3 хромосомы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106. У муравья может быть одна-единственная хромосома,
а может и 94 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
107. Растения одного рода могут иметь и 4, и 36 хромосом . . . . . . .
108. У одноклеточного может быть две хромосомы, но может и 500 .
109. Малые хромосомы обязательно присутствуют в
наборе хромосом птиц и растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
110. Разделение хромосом на меньшие, равно как
их объединение, следует вполне определенным правилам . . .
111. Общие свойства магнитов и хромосом могут иметь корни
в полярности, заложенной на уровне ДНК . . . . . . . . . . . . . . . .
Цитированная литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Источники иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
311
205
209
210
211
211
212
214
217
219
Часть 6
Биологический порядок есть результат самосборки,
а самосборка есть результат
узнавания на атомарном уровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
112. Чем часы и прочие машины отличаются от клеток . . . . . . . . .
113. Определение самосборки и ее основные свойства . . . . . . . . . .
114. Механизм, ответственный за самосборку,
не зависит от внешней информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
115. Самосборка фермента происходит столь быстро,
что занимает меньше времени, чем синтез его
полипептидной цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116. Никто не верил в способность вирусов к самосборке. . . . . . . . .
117. Программа самосборки фага Т4 описана
до мельчайших деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
118. Самосборку рибосом можно провести в пробирке . . . . . . . . . . .
119. Самосборка хромосомной фибриллы и других структур
хромосомы, участвующих в ее движении . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120. Отдельная клетка губки содержит всю информацию
для образования полноценного организма . . . . . . . . . . . . . . . .
121. Гидра с ее сложными тканями
может собраться из суспензии клеток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
221
222
224
226
228
229
231
232
234
234
312
Оглавление
122. Cлизевик Dictyostelium — впечатляющий пример
способности клеток к самоорганизации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
123. Самосборка клеток при формировании
ткани напоминает кристаллизацию из раствора . . . . . . . . . . . 237
124. Самосборке присущи безошибочная сила и точность —
ядерная оболочка аккуратно восстанавливается
несчетное количество клеточных делений . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Цитированная литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Источники иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Часть 7
Откуда взялась хромосома и что с ней будет . . . . . . . . . . . . . 245
125. «Откуда мы пришли? Кто мы? Куда мы идем?»
Картины происхождения жизни и хромосомы . . . . . . . . . . . . .
126. Происхождение клетки и хромосомы неизвестно . . . . . . . . . . .
127. Возникновение хромосомы может восходить
к периодичности свойств химических элементов . . . . . . . . . . .
128. На уровне химической периодичности
есть аномалии, но альтернатив немного . . . . . . . . . . . . . . . . . .
129. Уникальное положение атомов, составляющих клетку
и хромосому, в таблице Менделеева. Нет никаких
данных о том, что законы природы внезапно
изменились при появлении хромосомы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
130. Эволюционные решения перед появлением на сцене ДНК . . . .
131. Роль ДНК в наследовании не так велика,
как мы привыкли верить . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
132. Весь человеческий геном
можно упаковать в одну хромосому. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
133. Куда движется хромосома? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
134. В физике еще не все открыто, но она
может подсказать ключ к поведению хромосомы . . . . . . . . . . .
Цитированная литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Источники иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
245
248
250
254
255
257
262
264
265
266
270
273
Словарь терминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
К читателю
Начинать книгу с обращения к читателю, возможно, не
совсем уместно, однако название книги настолько нетрадиционно, что требует некоторого объяснения.
Почему столь серьезная тема, как молекулярная организация хромосомы, представлена в форме сатиры? Причина проста, хотя и не очевидна.
С одной стороны, за двумя Мировыми войнами последовал длительный период холодной войны, характеризовавшийся жестокой экономической и политической конфронтацией, сузившей пространство «интеллектуального
маневра».
С другой стороны, глобализация привела к значительному экономическому и технологическому росту, сделавшему возможной реализацию крупномасштабных проектов.
Однако необходимым элементом этих проектов является
получение практической пользы, что потребовало направить научные усилия в определенное русло.
Следующими шагами стали поглощения малых научных издательств ведущими международными издательскими концернами, а также слияния самих этих издательских
гигантов, что повлекло за собой снижение разнообразия
мнений. То же происходило и с научными журналами. Возможности для публикаций сократились до нескольких ведущих журналов, а статьи из низкоранговых не цитируются.
Отсутствие альтернатив для публикации результатов
выдающиеся ученые из США и Великобритании, понимая
сложившуюся ситуацию, предложили некоторые изменения. Но их воплощение в жизнь столкнулось с проблемами. Лоуренс в 2003 году констатировал: «Журнал Nature
сейчас получает около 9000 рукописей статей в год (что
вдвое превосходит аналогичный показатель 10 лет назад)
и вынужден отклонять около 95% биомедицинских ста-
6
К читателю
тей» [2]. «Множество проблем при публикации научных
статей, – добавляет ученый, – Способствует формированию
антинаучной культуры».
Ситуация еще больше осложняется, когда в дело вступают правительственные интересы. В свете таких стремительных изменений журнал New Scientist не смог не опубликовать
в 2007 году редакторскую колонку под заголовком «Грязные
игры. Если наука не вписывается в ваше политическое кредо — подавляйте ее» [1]. Эта статья ссылается на «Атмосферу
давления» — доклад, опубликованный в 2007 году Союзом
обеспокоенных ученых (Union of Concerned Scientists) и Правительственной программой подотчетности (Government Accountability Project). Колонка заканчивалась выводом: «Все
мы знаем, что результаты научных исследований используются или игнорируются правительствами в зависимости от идеологических задач». То же самое делают и исследователи, чьи
работы финансируются государственными фондами.
По-видимому, сложившийсяв западном обществе идеологический вакуум, который проявляется в различных культурных и научных аспектах, обусловлен несколькими факторами.
Эта книга для тех, кто осознал, что научное познание — непрерывный процесс, который в каждый конкретный момент
предлагает только частичное объяснение известных явлений.
Книга адресована тем пытливым умам, которые испытывают
сомнения в правильности доминирующих красиво сформулированных идей и ищут альтернативные объяснения.
Дорогой читатель, если твой разум замкнут на традиционные позиции в науке, отложи эту книгу. Более того,
если твоя позиция — эскапистская и ретроградная, это не
та книга, которую ты искал.
Цитированная литература
1.
Editorial (2007) Dirty tricks. If science doesn’t suit your political
viewpoint, suppress it. New Sci (Feb. 3rd 2007): 5.
2.
Lawrence P. A. (2003) The politics of publication. Authors, reviewers and editors must act to protect the quality of research. Nature
422: 259–261.
Вступительное слово*
Я постарался по возможности не использовать специальных терминов. Там же, где избежать этого не удалось, все
термины объяснены. Цитология — это изучение структуры
и функций клетки, а генетика занимается наследственностью. В 1960-х годах благодаря появлению новых биохимических методов исследования в сочетании с электронной
микроскопией и методом введения радиоактивных меток
цитология и генетика были объединены на этой новой
почве, в новую дисциплину — молекулярную цитогенетику. Двумя десятилетиями позже это научное направление
стало широко известно как молекулярная биология.*
Хромосома — наиболее важная их всех клеточных органелл, основной носитель генетической информации. У организмов, клетки которых лишены ядер (такие существа
называются «прокариоты»), например у бактерий, хромосома — это кольцевая молекула ДНК, свободно плавующая
в цитоплазме. С некоторыми ее частями связаны молекулы белков. У организмов, имеющих клеточное ядро («эукариоты»), хромосома — нитевидная структура, состоящая из
скелетных белков, основных белков (которые называются
«гистоны») и ДНК. Именно ДНК несет генетическую информацию. Помимо ядра, в эукариотической клетке есть и другие органеллы — митохондрии и хлоропласты, содержащие
свои собственные хромосомы в виде кольцевых молекул
* Внимательный читатель, безусловно, будет озадачен некоторыми несоответствиями и нестыковками, в том числе фактического характера. Разумеется, это не ускользнуло и от нашего внимания. В некоторых случаях
эти неточности явно допущены автором сознательно, в целях упрощения
чтения и понимания книги. Иногда мотивы не столь ясны. Тем не менее
после длительных раздумий мы решили не вмешиваться в авторский текст
и переводить его как есть. Воля автора — закон для переводчика. — Андрей Быстрицкий, Сергей Разин.
8
Вступительное слово
ДНК, которые также несут генетическую информацию.
Как правило, эти хромосомы меньше, чем расположенные
в ядре. В любом случае генетическая информация закодирована последовательностью оснований в цепи ДНК.
Передача генетической информации с ДНК происходит
путем создания информационной РНК, последовательность оснований которой комплементарна таковой в ДНК.
Этот процесс носит название «транскрипция» и в свою очередь, приводит к синтезу определенного белка («трансляции»). Процесс может быть обращен вспять, когда РНК
транскрибируется в молекулу ДНК с помощью фермента
обратной транскриптазы; эти события происходят при некоторых вирусных инфекциях.
Антонио Лима-де-Фариа
Часть 1
Источник «глупости»
и причина исповеди
1.
Я — неприметное и непривлекательное
создание, накрашенное губной помадой
Я столь неприметна, что никому не различить меня невооруженным глазом. Моя длина обычно от 0,001 до
0,01 мм.
Столетиями никто не подозревал о самом моем существовании. Вот почему меня не разыскать на древнеегипетских настеных росписях о травах и зверях. Вот почему меня не найти в Сикстинской капелле на фресках
Микеланджело о сотворении мира. И вот почему уже в новые времена меня нет ни на одной из 20 000 работ Пикассо.
Никто не подозревал о моем существовании, пока не был
изобретен микроскоп, способный увеличить вещи в 1000 раз.
Но это был нелегкий путь. Надо было разбить органы
и ткани растений и животных до тех «атомов живого», которыми являются клетки. И клетки тоже надо было разбить,
чтобы в самых их недрах найти меня в компании с другими неуловимыми молекулярными структурами (рис. 1.1).
Заточенная в этой темнице, повсюду окруженная толстыми мембранами и стенами, я смотрюсь бледной и прозрачной, и сложно отличить меня от окруженья моего.
Важные дамы из высшего общества накрашивали щеки
и губы кармином, который добывали из букашек, обитаю-
10
1. Источник «глупости» и причина исповеди
щих на кактусах тропической Америки. А если каплю кармина капнуть на раздавленную клетку, я становлюсь розовой — и различимой.
Клетка
Oрганеллы
Ядро
Митохондрии
Хлоропласты
Надмолекулярные
ансамбли
Масса частиц
106–109
Ферментные комплексы
Рибосомы
Сократимые структуры
Макромолекулы
Мол. масса 103–109
Нуклеиновые
кислоты
Белки
Полисахариды
Липиды
Сложные мономеры
Мол. масса
100–350
Мононуклеотиды
Аминокислоты
Простые
сахара
Жирные
кислоты,
глицерин
Промежуточные
соединения
Мол. масса
50–250
Рибоза,
карбамоилфосфат
α-Кетокислоты
Фосфопируват, малат
Ацетат,
малонат
Простые
соединения
из окружающей среды
Мол. масса
18–44
CO2
H 2O
N2
1. Источник «глупости» и причина исповеди
11
Кармином красились уже русская императрица Екатерина Великая (1729–1796) и маркиза де Помпадур (1721–1764).
И тогда же натуралисты нашли на снежных склонах Альп
прекрасные синие цветы горечавки. Экстракт этих цветов придает мне выразительный пурпурный цвет. А позже я надевала роскошные красный, фиолетовый, зеленый
цвета и даже, в наше время, сверкающие флуоресцентные.
Я представала столь же яркой, как оперение тропической
птицы (рис. 1.2)!
Мне так к лицу эти модные одежды, что немецкий цитолог Вальдейер назвал меня «хромосома» от греческих слов
«хрома» — «цвет» и «сома» — «тело» [42]. Было это в 1888
году. Это имя настолько подошло мне, что меня зовут так
и по сей день.
2.
Говорят, я похожа на сосиску
Но еще до покраски меня пропитали спиртом, формалином и другими веществами, чтобы сохранить мое тело.
По сути меня забальзамировали, как бальзамировали
египетские мумии, чтобы сохранить их на тысячелетия
в саркофагах. Столь решительное обхождение спутало
мою внутреннюю структуру, а внешнюю поверхность сделало гладкой, как саркофаг мумии. Во время клеточного
деления, когда я лучше всего видна, я была похожа на
вытянутый цилиндр (рис. 1.2).
◄ Рис. 1.1. Последовательные уровни организации клетки.
Предшественниками крупных молекул являются простые соединения в окружающей среде. Затем из сложных мономеров образуются макромолекулы — нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды и липиды, из которых в свою
очередь формируются надмолекулярные ансамбли, такие как рибосомы, где
идет биосинтез белка. Следующий шаг — органеллы, и, наконец, сама клетка.
Хромосомы есть в ядре, митохондриях и хлоропластах. Митохондриальные
и хлоропластные хромосомы — маленькие рудиментарные структуры; основная генетическая информация организма содержится в хромосомах ядра
12
1. Источник «глупости» и причина исповеди
Я похожа, если позволено будет прибегнуть к гастрономическим терминам, на сосиску или даже на связку сосисок с перетяжкой посередине, там, где расположена моя
центромера — место, важное для моего движения. Эта
перетяжка делит мое тело на то, что цитологи называют
а
б
в
1. Источник «глупости» и причина исповеди
13
«плечами» — хотя у меня нет ни плеч, ни рук, ни ног. И более того, если у сосиски есть кожица, то у меня, на удивление, нет даже внешней мембраны. Много лет цитологи
были уверены, что у меня со столь четко очерченным телом
должна быть плотная оболочка. Этим я отличаюсь от прочих клеточных органелл. Мои границы — продукт моего
внутреннего молекулярного устройства.
3.
Клетка — мой зáмок и моя темница, но, как
одалиске в гареме, мне дозволено плавать
и танцевать
Клетка — мой замок, но и, несомненно, моя тюрьма: мне
никогда не выбраться, и никогда я не знала другого обиталища. Я приговорена к этому вечному заточению. Но не
так все мрачно: в этих стенах я развлекаюсь множеством
забав.
◄ Рис. 1.2. Окрашенные хромосомы и перемещения хромосом при де-
лении клетки.
a — в центральной части расположена так называемая метафазная пластинка — все 46 хромосом человеческой клетки (по 23 от матери и от отца) в состоянии наибольшей компактности разместившиеся в экваторилаьной части
клетки перед тем, как разойтись по дочерним клеткам. Применена окраска,
при которой большинство хромосом слабо окрашено в синий цвет, а некоторые пары хромосом окрашены ярко: хромосомы 12 — в желтый цвет,
хромосомы 1 — в красный и хромосомы 4 — в зеленый. Слева видны три,
а справа — два ядра дочерних клеток на разных стадиях формирования и расхождения. В ядрах хорошо различаются области, занимаемые разными хромосомами. Фотография любезно предоставлена H. Scherthan, Мюнхен, ФРГ.
б — хромосомы делящейся клетки пыльцы лилии. Своей средней частью, где
расположена центромера, хромосомы присоединяются к нитям веретена деления, которые тянут дочерние хромосомы к противоположным полюсам
клетки. Как и у других растений, у лилии нет астеров веретена и центриолей.
в — деление животной клетки. По сравнению с растениями появились два
новых компонента веретена: звезды (нити, расходящиеся от полюсов веретена
во все стороны, а не только к хромосомам) и центриоли (парные органеллы
на полюсах, от которых расходятся и нити веретена, и звезды)
14
1. Источник «глупости» и причина исповеди
Рис. 1.3. Хромосомы так же заточены в клетке, как рыбы в аквариуме.
Хромосомы процветают в своем мирке, но гибнут за его пределами. «Красные
рыбки» французского художника Анри Матисса (1869–1954), работа 1911 г.
Посреди клетки — большой бассейн наподобие шара.
Его называют «ядро». Основное время я там, плаваю из стороны в сторону, как рыбка в аквариуме (рис. 1.3). Я блистала в фильмах, элегантно кружа, как одалиска в восточном
гареме, в том, что называют «ядерный сок».
Но все течет, все меняется. Однажды стены этого уютного
аквариума падут, и я окажусь в неприветливой цитоплазме. Она гораздо более вязкая, чем моя предыдущая обитель.
1. Источник «глупости» и причина исповеди
15
Мне не остается ничего другого, кроме как постараться как
можно быстрее выбраться из этого положения. Вместе с товарищами мы приступаем к танцу, хореография которого отточена веками [32]. Мы начинаем, обзаведясь лентами, и двигаемся вперед и назад в середине клетки. Как в балете под
звуки Венского вальса, мы танцуем и под конец расходимся
в противоположные углы клетки. Затем музыка смолкает,
и части оболочки ядра, оставшиеся в цитоплазме в ожидании конца представления, собираются со всех сторон. Они
стремятся к нам и быстро соединяются в новое ядро. Внезапно я вновь заточена в своем персональном аквариуме, скрытая от судорожных химических реакций, бурлящих в клетке. Ничего подобного не происходит в тихом мирке ядра, где
я могу создать свою копию и приготовить наследника в восхитительной тиши. В моем положении масса преимуществ,
несмотря на такое же множество препон.
Если бы я приняла обличье вируса, то могла бы сбежать
из клетки, обретя структуру кристалла. Но бегство — иллюзия. Для воспроизводства мне придется вновь войти в клетку, и только в ее молекулярной мастерской смогу я создать потомство [28]. Возврат в тюрьму клетки неизбежен
(рис. 1.4).
4.
Мой стриптиз, или как я облачаюсь
и разоблачаюсь при каждом делении клетки
Есть и другая, прямо-таки глупая, сторона моего поведения.
Нескромные режиссеры, установив кинокамеры на
микроскопы, засняли мою личную жизнь. На этих кадрах
с растительными и животными клетками видно, как я постоянно меняю наряды [4].
Плавая в ядре, я даже не одеваю купальник. Меня ни прикрывает ни одна мембрана, в отличие от прочих органелл.
При делении клетки я устраиваю настоящий стриптиз,
но наоборот — начинаю обнаженной и последовательно облачаюсь. Затем я вновь раздеваюсь, возвращаясь к костюму Адама и Евы, даже без фигового листка.
16
1. Источник «глупости» и причина исповеди
Рис. 1.4. Аквариум как символ пределов жизни.
Матисс, как никакой другой художник, был пленен этим сюжетом. В его холстах и эскизах он встречается не менее восьми раз. Дважды из-под его кисти
выходили женщины, поглощенные созерцанием плененных в аквариуме рыб.
«Женщина перед аквариумом», 1921 год
Во время этого шоу я изобретательна, как цирковой
клоун. В начале мое платье собирается из витиеватых маленьких украшений, называемых «хромомеры», в то время
как мои нити закручиваются в маленькие спирали. Я незамечена публикой, и через минуту на мне уже следующий
наряд, а в это время я, словно акробат, удлиняюсь и сокращаюсь (рис. 1.5). По мере того как деление клетки продвигается, меня извергает из моего «аквариума» в холодную
негостеприимную цитоплазму. Радостная, но дрожащая,
я спасаюсь съеживанием, и будто бы укутываюсь в меха
(рис. 1.6). Когда же я достигаю полюсов веретена и замираю там, приходит время разоблачаться. Но я иду даже
1. Источник «глупости» и причина исповеди
17
Масштаб
5 мкм
а
1
б
2
3
Рис. 1.5. В ходе индивидуального развития организма форма
и размер хромосомы изменяются очень сильно.
а — хромосома 4 плодовой мушки D. melanogaster в клетках слюнных желез
достигает в длину 16 мкм, а в клетках-предшественниках — лишь долей микрометра (вверху справа, указана стрелкой).
б — хромосомы акулы Pristiurus на разных стадиях развития яйца (все рисунки
в одном масштабе). 1 — максимальный размер; 2 — промежуточная стадия;
3 — перед вылуплением
18
1. Источник «глупости» и причина исповеди
дальше и становлюсь невидимой, делая это столь искусно,
как неподвластно ни одному волшебнику. Во время «покоящегося ядра» никто не в состоянии увидеть меня, хотя
я здесь и готова к новому представлению, как только поднимется занавес следующего деления (рис. 1.7).
А
Б
В
Г
Д
Е
Ж
З
И
К
Л
М
Н
10 мкм
О
П
1. Источник «глупости» и причина исповеди
19
Поразительно, но этот спектакль, где я танцор, клоун,
акробат и маг в одном лице, идет с появления первой клетки простейших, бессчетное число раз. Как мюзиклы, месяцами идущие на Бродвее, это шоу — деление клетки — не
сходит со сцены уже миллионы лет.
5.
Я создала свой собственный мир, полный
хитростей, черных ходов и новинок —
я необузданный изобретатель
Быть независимой, никогда не поддаваться чужому мнению
или действию — вот мой девиз, точнее, принцип, которому
я всегда следую. Как мне удалось выжить в миллиардах
и миллиардах делений, скопировав себя в неисчислимом
количестве потомков, постоянно меняя одежды и кров, и не
погибнуть в юности? Если бы не это кредо, я уже давно
лежала, сраженная, меня бы просто не было.
Мне следует полагаться прежде всего на свои силы, но,
чтобы выжить, мне надо прибегать к хитростям, не пренебрегать черными ходами и не чураться новшеств.
◄ Рис. 1.6. Хромосома может меняться в размере в 15 раз —
от 107 до 7 мкм.
У растения Ornithogalum virens только 3 хромосомы. Так они выглядят на
разных стадиях клеточного деления в разных тканях: хромосома I (A–Д),
II (Е–К) и III (Л–П). В первой профазе мейоза каждая хромосома сильно растянута, и в каждой различимы более 100 хромомеров (A, Е, Л). Во второй
профазе мейоза пыльцевой клетки хромосомы значительно меньше, но характерная последовательность хромомеров все еще хорошо различима (Б, Ж,
М). В поздней профазе (диакинезе) (В, З, Н) спаренные хромосомы начинают
расходиться, значительно уменьшившись в размерах. В метафазе митоза они
выглядят, как маленькие стержни (Г, И, О). Наконец, в метафазе I мейоза хромосомы крайне конденсированы (Д, К, П). В последующих делениях хромосомы
вновь становятся большими, и цикл повторяется вновь и вновь. Мейоз —
это клеточное деление, при котором образуются половые клетки (см. рис.
1.8), а митозом делятся большинство остальных клеток организма. Профаза
и метафаза — ранняя и поздняя стадии этих процессов соответственно
20
1. Источник «глупости» и причина исповеди
Митохондрии
Комплекс Гольджи
Гранулы
гликогена
Ядерная
мембрана
Лизосома
Ядерная пора
Ядро
Хроматин
Эндоплазматический
ретикулум
Рис. 1.7. Хромосомы могут быть невидимками.
Электронная микрофотография клетки печени крысы. В центре крупного покоящегося ядра отчетливо видно ядрышко (см. также рис. 1.8), но не хромосомы. Это обычная ситуация — в ядрах дифференцированных клеток хромосомы
становятся неразличимы. Сравните с рис. 1.2, где с помощью специальной
методики удалось выявить отдельные хромосомы
Хитростей множество. Упомяну только некоторые. На заре
эволюции, живя в бактериях, я не нуждалась в концах, так как
я была кольцевой. Но когда появилась ядро, а я стала линейной, я столкнулась с проблемой: как поступить с моим новым
обретением — концами? Для начала я надела на них защитные колпачки — тепломеры. Затем я придумала и сделала
себе специальные места, которыми я цепляюсь за ленты веретена, и путешествие к полюсам клетки во время деления стало
гораздо комфортабельнее. Эти места — центромеры, раньше
я о них даже и не задумывалась. Подобно скарабею, собирающему шарики навоза и упорно катящему их в свою норку день
за днем, я тоже создала большой шар из рибосомных РНК
[...]
Минимальные системные требования определяются соответствующими требованиями программы Adobe Reader версии не ниже 11-й
для платформ Windows, Mac OS, Android, iOS, Windows Phone
и BlackBerry; экран 10"
Научно-популярное электронное издание
Лима-де-Фариа Антонио
ПОХВАЛА «ГЛУПОСТИ» ХРОМОСОМЫ.
ИСПОВЕДЬ НЕПОКОРНОЙ МОЛЕКУЛЫ
Ведущие редакторы канд. хим. наук Т. И. Почкаева
и канд. биол. наук Т. Е. Толстихина
Художник Н. А. Новак
Технический редактор Е. В. Денюкова
Компьютерная верстка: К. А. Мордвинцев
Подписано к использованию 19.03.15.
Формат 125×200 мм
Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний»
125167, Москва, проезд Аэропорта, д. 3
Телефон: (499) 157-5272
e-mail: info@pilotLZ.ru, http://www.pilotLZ.ru
Эта книга для пытливых умов, подвергающих сомнению нерушимость
господствующих идей и ищущих новых объяснений.
При изучении хромосомы на молекулярном уровне оказывается, что
она, как необузданный изобретатель, создала свой собственный мир,
полный хитростей, черных ходов и инноваций. Своим поведением
хромосома десятилетиями путала генетиков. Пластична ли она, метаясь в бесконечных мутациях и перестройках, или статична, сохраняя
основы своей структуры и функций с самой зари клеточной жизни?
Молекулярные биологи, озадаченные поведением хромосомы, называли ее мусором и даже паразитом. Более того, хромосома считалась пассивной клеточной органеллой, подверженной случайным
мутациям и отданной на милость отбора.
Опираясь на достижения молекулярной биологии, автор увлекательно рассказывает о конфликте двух крайностей, лежащих в основе
«глупости» хромосомы, и представляет оригинальный взгляд на эту
органеллу и неожиданные следствия из него, касающиеся физики,
генетики и теории эволюции.