Задайте сотне человек на улицах простой вопрос: "Каковы основные принципы Эволюционной теории?" И в девяноста девяти случаях услышите в ответ: "Выживает - сильнейший". Вы с этим ответом согласны? Тогда я не знаю, чем вы занимались в школе на уроках биологии: играли в "крестики-нолики" или "морской бой", перебрасывались записочками с одноклассниками или одноклассницами, тайком поедали булочки с повидлом... А, может, вам просто не повезло с учителем - достался такой же безграмотный, воспитанный на "передовой мичуринской науке". Сочувствую и попробую помочь. Остальное уж от вас зависит.
Основные принципы Эволюционной теории, на самом деле, таковы:
--
Изменчивость живых существ;
--
Наследуемость признаков;
--
Естественный отбор.
Уже слышу возмущенный хор голосов: "Мы не поняли вопроса!" С присоединившимися к этому хору проблем будет больше, как всегда с людьми, неохотно признающими собственные ошибки. Значительно тише звучат смущенные голоса: "Мы опустили менее значимые принципы и сразу перешли к ключевому!" С этими - чуть меньше возни. Хотя, впрочем... Похоже, и у них такая каша в голове, что я бы попросил особо не выступать, а повторить азы.
Нужно ли пояснять, что без способности к изменениям живых организмов остальные принципы эволюции не имеют смысла? Если бы первая зародившаяся в праокеане клетка могла остаться неизменной внешне и внутренне, то, пардон, зачем огород городить: заниматься питанием, ростом, размножением - плавай себе и плавай в первобытном бульоне, наслаждайся, так сказать самим фактом собственного существования. Однако всем понятно, что ничего вечного и неизменного в природе не существует: ветер дует, вода испаряется или выпадает дождем, облака закрывают солнце или уносятся прочь, гранитные скалы превращаются в песок, метеориты падают, Вселенная расширяется. Клетка, будучи частью природы, не могла оставаться неизменной, но всякую ли изменчивость живых организмов использует эволюция?
Предоставляю время подумать и над содержанием вопроса, и над формулировкой ответа, чтобы снова не вопить: "Мы не поняли!"
Не менее важным принципом Эволюционной теории является наследуемость признаков. Предупреждая всякие разночтения, сразу сообщу, что в содержание термина "признак" вкладывается нечто более фундаментальное, нежели простой отличительный признак конкретной особи. На Земле существуют 7 миллиардов людей - 7 миллиардов непохожих совокупностью признаков человеческих существ. Они различаются полом, возрастом, цветом кожи, волос и глаз, длиной и толщиной носов, формой ушных раковин и глубиной пупков, степенью оволосения груди, ног и рук, длиной ногтей и знанием языков, пристрастием к алкоголю, табакокурению и просмотру государственных телеканалов, местом проживания и образованием, семейным положением и расположением родинок. А еще списком перенесенных болезней. И уровнем гемоглобина в крови. И наличием сережек в ушах. Местами работы и размерами банковских счетов. Ну и, понятно, именами, фамилиями и (там, где таковые приняты) отчествами. И еще тысячей признаков, более или менее значимых.
Если уже стало понятно, что не все из упомянутых признаков наследуются и участвуют в эволюционном отборе, предлагаю поразмыслить, какие из вышеперечисленных ему (отбору) без надобности.
Ну, и для тех самоуверенных граждан, что готовы признать неполноту знаний об Эволюционной теории, но отстаивают правоту своего понимания принципа естественного отбора, вынужден на нем остановиться.
Вот вы говорите, что "выживает сильнейший". Прошу сравнить силу диплодока или тираннозавра с человеческой. Однако где те диплодоки - в палеонтологических музеях наборами окаменевших костей? Сравните человека с тараканом - от кого мокрое место останется в схватке "один на один и без оружия"? Чего-то не так в вашем постулате, не находите? Какие-то несовпадения с окружающей нас действительностью.
Ах, вы под "сильнейшим" имеете в виду "наиболее приспособленный"! Вау! Оригинальнейший прием подмены следствием причины: так как же выживший оказался "самым приспособленным", каким-таким хитроумным способом?
(Отвлекусь: ситуация напомнила мне древний анекдот.
Журналист спрашивает у старенького мультимиллионера: "Как вы получили свой первый миллион?" Тот начинает снисходительно рассказывать: "В мое время детей учили бережливости и деловой хватке. Как-то раз отец дал мне никель и сказал: "Потрать его с толком, сынок!" Я пошел и купил яблоко. Потом продал его за 10 центов и купил два яблока. Потом продал их за 20 центов и купил четыре яблока..." Журналист перебивает: "И так, на яблоках, вы и заработали миллион?" "Господи, - раздраженно воскликнул капиталист, - да причем тут яблоки! К концу недели умерла моя бабушка и оставила мне миллион долларов наследства!")
Так вот, господа "миллионеры", механизм естественного отбора - ровно противоположный вашим представлениям, и заключается он в том, что "наименее приспособленные к сложившимся условиям существования имеют наименьшую возможность продолжения рода". Все понятно? Повторяю грубее, но четче: "Слабейшие - умирают молодыми".
На этом этапе я прощаюсь со всеми, научившимися считать до "одного" (пальца) и посчитавшими, что дальше - уже "много".
При случае, щегольните знаниями перед знакомыми - это облегчит выживание.
Палец 2-й. Отступление для разбега
Поговорим об изменчивости живых существ.
Существуют два понятия: фенотип - совокупность телесных признаков (анатомических, морфологических, функциональных и др.) и генотип (совокупность наследственных факторов организма, в узком понимании - генов). Нет, неправильно начал, так не допрыгнуть. Начну издалека.
На Земле существует две империи живых существ: доклеточные и клеточные организмы. Доклеточные, к которым относятся вирусы и фаги, к живым относятся условно, поскольку не в состоянии обеспечить собственное существование и размножение. Они 100-процентные (облигатные) паразиты, в ходе Эволюции либо избавившиеся от хлопотного внутриклеточного хозяйства, либо не сумевшие им обзавестись. Вирусы и фаги представляют собой нечто вроде бутылок с запертыми внутри джинами, где роль тары играет белковая оболочка (капсид), а злого духа - цепочки ДНК, РНК, или той и другой вместе. Существуют и еще более простые образования: инфицирующие белковые молекулы (прионы) и инфицирующие нуклеиновые кислоты (вирионы) - но это уже и вовсе не живые существа, а именно что "образования".
Клеточные организмы выделены в два "надцарства": безъядерные и ядерные. Первые (прокариоты) - много древней вторых (эукариотов), генетический аппарат - нуклеиновые кислоты - не отграничен от окружающего клеточного пространства, а располагается рыхлым комком, плохо различимым при микроскопии. Иногда выделяют отдельную группу прокариотов - археобактерии - одноклеточные организмы, приспособившиеся к самым суровым условиям существования: часть из них выживает при температурах до 150 градусов Цельсия, часть - в кислых средах при pH 1-5, часть, напротив, в резко щелочных при pH 9-11, при давлениях до 700 атмосфер, в соляных растворах с концентрацией до 25-30 процентов NaCl, в почти безводных средах...
Ядерные организмы бывают одноклеточными и многоклеточными, подразделяясь на царства растений, животных и грибов.
Прямо жду вопроса: к чему столь отвлеченный пассаж, посвященный сухой и скучной классификации? А вот анекдот, тоже старенький, на эту тему:
Однажды сын-школьник подошел к отцу и задал вопрос: "Папа, что такое "окисление железа"?" Отец отвечает: "Это очень просто. Например, ты откусываешь яблоко, и железо, находившееся внутри него, контактирует с воздухом. Молекулы кислорода присоединяются к железу, окисляя и превращая в ржавчину - оксид железа. Понял?" Сын, внимательно слушавший отца, кивнул и спросил: "Пап, а ты с кем сейчас разговаривал?"
Так вот, я просто хочу быть уверенным, что говорю на понятном языке, и неизвестный мне одинокий читатель, увидев в тексте выражение "ядерная клетка" не представляет в уме помещение из сварной арматуры с атомным реактором посередине...
Принципиальным фактором отличия многоклеточных организмов от одноклеточных является специализация составляющих его клеток. Действительно, есть одноклеточные, живущие тесными колониями, но при этом сохраняющие способность к самостоятельному размножению. Как только в сообществе клеток выделяются единицы, ответственные за образование новых поколений (генеративные), а остальные теряют такую способность полностью или в значительной степени (называясь после этого соматическими, т.е. телесными) - можно говорить о едином организме.
Высшие животные, растения и грибы в значительной степени сохранили эту первичную дифференциацию, появившуюся более 2-х миллиардов лет назад. Известно выражение, например, что "Нервные клетки не восстанавливаются". На самом деле, это не совсем так. Сами зрелые клетки мозга (их 3 вида: нейроны, астроциты и олигодендроциты), действительно, после созревания могут лишь расти и отмирать, но не делиться. Однако в области мозговых желудочков еще с зародышевой стадии хранятся нейрональные стволовые клетки, в полной мере сохраняющие способность к размножению и последующему превращению во все типы клеток мозга. Что и постоянно происходит: нейрональные стволовые клетки делятся, дифференцируются, мигрируют внутри полужидкого мозга на довольно большие расстояния (измеряемые в сантиметрах!), встраиваются в его ткань и начинают работать.
Наиболее ярко специализация клеток на соматические "рабочие" и генеративные "материнские" видна, конечно, на примере кроветворения. Со школьной скамьи должно быть известно, что клетки крови образуются не в сердце или сосудах, за гемопоэз (образование форменных элементов крови) ответственны совсем другие органы: красный костный мозг (выработка эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов), лимфатические узлы (лимфоциты и плазматические клетки), и селезенка (образование лимфоцитов, а также захват и утилизация старых эритроцитов). В процессе образования красных кровяных телец происходят последовательные метаморфозы и деления (стволовая клетка - базофильные проэритробласты - макробласты - нормобласты - ретикулоциты - эритроциты), в результате которых из 1-й начальной клетки получается 32 эритроцита. Они настолько "заточены" под единственную функцию переноса молекул кислорода и углекислого газа, что оказываются полностью лишены ядра - средоточия наследственного материала. Безусловно, это сказывается на продолжительности существования эритроцита (практически нет возможности поддерживать внутриклеточный синтез - расти, вести ремонт внутренних и наружных мембран), но зато была приобретена форма двояковогнутого диска, обладающая максимальной площадью поверхности при минимальном внутреннем объеме, - а эритроцит работает именно поверхностью.
Итак, должно быть ясно, что каждая из составляющих живой организм клеток непрерывно изменяется как в процессе роста и созревания, так и в процессе жизнедеятельности. Биологические системы относятся к открытым, и непрерывно обмениваются с окружающей средой энергией (теплом) и материей (поглощают и выделяют газы, минеральные и/или органические вещества). Но эти явления направлены либо на поддержание гомеостаза - некоего баланса внутренней среды, либо на адаптацию - приспособление конкретной особи к изменяющимся условиям внешней среды в узких рамках имеющихся в организме возможностей. Так, при похолодании человеческая кожа покрывается "мурашками" и бледнеет - попытка сэкономить внутреннее тепло за счет сокращения притока к наружным покровам; затем начинается дрожь - почти неконтролируемые мышечные сокращения и расслабления для активизации обмена и усиления выработки тепла; если действие холода не прекращается, происходит остановка периферийного кровообращения - кровь перераспределяется в пользу жизненно важных органов: сердца, мозга, почек... На последних стадиях замерзания наступает охранительное торможение центральной нервной системы: исчезает болевая чувствительность, падает артериальное давление, мозг погружается в сноподобное состояние, а вскоре может наступить и смерть. Но ни отрастить в случае мороза шерсть, ни покрыться пухом, ни превратить мышцы в толстый подкожный жировой слой, ни даже переработать в тепло все имеющиеся в теле запасы жира и углеводов человек не может - это выходит за рамки адаптации. Барьеры же установлены на много более глубоком уровне, нежели органы и системы, ткани и клетки - на уровне генетического материала, сосредоточенного в клеточных ядрах.
Но далеко не все генетические изменения попадают в поле действия Эволюции.
Палец 3-й. Разбег
Как уже упоминалось, даже у доядерных клеток имеется аппарат, ответственный за изменчивость и наследственную передачу признаков - нуклеоид. На 60 процентов он состоит из единственной, свернутой кольцом молекулы ДНК, но включает также и РНК, и белковые молекулы, способствующие более компактному размещению ДНК, стягивающие ее.
Ядерные клетки не отказались полностью от "опыта" более древних родичей, но продвинулись дальше: ДНК в них линейные (не замкнуты в кольцо), но также представляют комплекс с белковыми молекулами-гистонами, свернутыми клубками и собранными в комки по 8 - "октомеры". Последние соединяются между собой, образуя нечто вроде бус, и вот вокруг этих-то бус и закручивается длинная молекула ДНК, образуя хромосому. К слову, белков используется всего 5 типов, и их аминокислотные последовательности почти идентичны для любых эукариот, в какие бы организмы они ни входили - от грибов до млекопитающих.
Впрочем, нуклеотиды, входящие в состав молекулы ДНК и состоящие из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы, базируются тоже всего на 4-х видах оснований: аденине, гуанине, тимине и цитозине. Всего четыре "буквы" использовано природой для записи огромного числа вариантов синтезируемых клеткой веществ - прежде всего, белков, - и регулирования этих процессов. Впрочем, удивляться "скупости" Эволюции не стоит: достаточно задуматься, сколько слов можно составить из четырех символов, не будучи сколько-нибудь ограниченным правилами буквосочетаний и длине комбинаций!
(Кстати, в фантастической комедии "Эволюция", вышедшей на экраны не так давно, в 2001 году, инопланетная жизнь, занесенная на Землю, базировалась в плане наследственности на 10 азотистых основаниях. Авторы фильма именно этой "щедростью" объясняли невероятную скорость эволюционирования инопланетной жизни: мол, количество кодирующих символов напрямую связано с богатством вариантов, а оно, в свою очередь, позволяло в считанные часы проходить дистанции от одноклеточных организмов до многоклеточных, за пару дней достигать уровней членистоногих и пресмыкающихся, за неделю формировать разум. Наверное, будет неплохо еще раз вернуться к этому фильму в другой главе (хотя, стоит ли критиковать голливудские поделки, пусть и с Д.Духовны в главной роли?), но очевидно, что сам по себе набор символов почти ничего не значит. Иначе самым богатым языком и литературой славился бы Китай (более 80 тысяч знаков-иероглифов), Древний Египет (около 700 знаков) и какие-нибудь Микены, использовавшие слоговое письмо (примерно 200 знаков и пиктограмм) В конце концов, в машинном коде используется всего два символа, "0" и "1", что не накладывает ограничений на сложность компьютерных программ - все дело в емкости носителя, на который пишется программа, и скорости ее обработки).
Молекулы ДНК очень длинные и, к тому же, попарно сшиты водородными связями. Только за счет спирального скручивания и обвития гистонов они могут компактно разместиться в ядре клетки. Если же суметь, надрывая химические связи, их растянуть в прямую линию, то длина ДНК составит около 5 сантиметров.
Кажется, что в такой большой молекуле должно быть "зашифровано" гигантское количество информации. А если еще учесть, что молекул ДНК в каждой клетке человека (за вычетом, конечно, безъядерных эритроцитов и половых клеток с уполовиненным набором) целых 46! А клеток в организме - 100 триллионов!
Ничего это особенного не значит. Да, в процессе расшифровки человеческого генома (проект начался в 1990 под руководством Джеймса Уотсона - того самого лауреата Нобелевской премии, одного из первооткрывателей роли ДНК, - и в целом закончился в 2003 году), выяснились многие важные вещи. Например, что во всех хромосомном наборе содержится всего 3 миллиарда пар оснований нуклеотидов. И еще, что все они кодируют примерно 25 тысяч генов - число вполне обозримое, да ведь и не каждый ген отвечает за что-то действительно важное. А бывает, что за действительно важное отвечают сразу несколько генов...
Вообще, 46 хромосом, 25 тысяч генов - это много или мало? Наверняка многие думают, что чем сложнее устроен организм, чем выше он расположен в ветвях эволюционного дерева, тем более сложным и даже громоздким должен быть его наследственный аппарат.
Вынужден разочаровать читающих. Человек, к примеру, существо довольно сложно устроенное, многие даже считают его вершиной земной эволюции. У него, у Homo Sapiens, 46 хромосом (точнее, 23 пары - от папы и от мамы). А у гориллы хромосом 48, у макаки - 42. У кошки - 38 (погладьте, читатель, себя по голове - вот, насколько вы, должно быть, круче кошки!). А у собаки - 78 и у лошади - 64 (недаром, похоже, считают, что у собак и лошадей самые умные глаза!). Но вот у утки 80 хромосом, а у коровы - 120, это уж, простите, ни в какие ворота не лезет!
Да ладно, хромосомы! Может, их у коровы много, да все они мелкие и некачественные! Посчитаемся по числу генов, ведь у человека их вон сколько - 25 тысяч! Это так. И, к сожалению, геномы коровы с уткой до сих пор не расшифрованы. Известно только, что у крошечного рачка дафнии генов примерно на 5 тысяч больше, чем у человека - покруче в генетическом плане оказался рачок...
Гораздо поразительнее тот факт, что более 98% человеческого генома вообще не задействовано в синтезе белков! В 1972 году американский генетик японского происхождения Сусуму Оно, открывший данный факт, предложил считать "пассивную" часть наследственного материала "мусорной ДНК" (junk DNA), свалкой эволюционных отходов: следами и фрагментами предыдущих экспериментов природы, последствиями инородных (вирусных, например) вторжений в генетический код.
Нужно учесть и тот факт, что, пусть соматическая (обычная, "телесная") клетка и несет в себе потенциал в 25 тысяч генов, но чрезвычайно редко задействует его целиком. Да, клетка печени теоретически способна вырабатывать родопсин - зрительный пигмент, - но категорически этого не делает. И почечная ткань не изготавливает гормон инсулин, и в мозгу не образуются пищеварительные ферменты. Потенциал есть (как у каждого рядового солдата, по словам А.В.Суворова, в ранце хранится маршальский жезл), но от возможности до реализации - дистанция огромного размера!
Выходит, что ядерный материал клетки в подавляющей доле представляет собой не нужный в повседневности хлам: вообще пассивную часть (98% процентов - "мусор"), и даже теоретически активные участки ДНК задействованы не полностью. Ненужное тащится вперемешку с необходимым, потому что... А почему, кстати? И не нужно выдумывать, что биологическим объектам не под силу избавиться от лишнего и вредного: пресмыкающиеся не мучаются с пересыхающими жабрами, млекопитающие не рожают потомство замурованным в скорлупу, люди, в основном, тоже без хвостов обходятся. На внутриклеточном уровне механизмов также вполне достаточно: известно, что ДНК находятся в "постоянном ремонте" - поврежденные участки одной цепи восстанавливаются по второй (зеркальной), встроенные вирусами фрагменты обнаруживаются и вырезаются, плюс, наконец, клетки с необратимо поврежденным наследственным аппаратом просто обнаруживаются иммунной системой и уничтожаются целиком. Так, быть может, "молчащие" участки ДНК вовсе не бесполезны?
На этой посылке основана альтернативная гипотеза роли "мусорной" ДНК как не кодирующей синтез, но выполняющей регуляторные функции (как если бы в неактивной части хранились ключи, запускающие тот или иной ген в активной части - в зависимости от специализации клетки).
Еще одна теория рассматривает "мусорную" ДНК в качестве "эволюционного котла" - в этих локусах идут непрерывные мутации, которые иногда "подставляются" на проверку случайным образом и отбрасываются, если оказываются неблагоприятными для организма.
Вполне оригинальна идея А.П. Акифьева с коллегами (группа мутагенеза Института общей генетики им.Н.И.Вавилова РАН), согласно которой избыточная ДНК повышает генетическую уникальность видов, способствует сохранению их наследственных портретов на протяжении ряда поколений. То есть, излишек молекулярного кода имеет решающее значение не для конкретной особи (потому он не работает после начала онтогенеза - индивидуального развития организма, - блокируется на гистонах или вовсе вырезается из ДНК и выбрасывается гранулами в ядерное пространство), но для вида в целом - участвуя в синапсисе гомологичных хромосом (отцовских и материнских).
Наверное, понять вышесказанное с налету затруднительно, но представьте себе 2 близкородственных вида (тех же любимых дарвиновских вьюрков с Галапагосских островов): они похожи внешне, имеют равные хромосомные наборы, - что мешает не так давно "разошедшимся" родственникам снова слиться путем скрещивания? С точки зрения Акифьева и его коллег - именно уникальные монотонные последовательности и длины участков "мусорной" ДНК. Вроде бы подходящие формой гомологичные (соответствующие) хромосомы разновидовых родителей не смогут образовать полноценную зародышевую клетку по причине несовпадения обширных участков-локусов: хромосомы либо не смогут объединиться в пары (конъюгировать), либо не разойдутся в процессе деления - мейоза. Именно из-за этого межвидовые зародыши оказываются нежизнеспособными, стерильными - как мулы, лошаки, зубробизоны, пизли (гибрид белого и бурого медведей), лигры и тигоны (гибриды львов и тигров) и т.д., либо, в редких случаях сохранения способности к размножению, будут давать в потомстве значительное количество больных и уродливых особей.
Вообще, существует около 15 различных гипотез о роли неактивной ДНК в наследственном механизме. Материала для однозначных выводов в пользу той или иной теории пока недостаточно, экспериментальные техники генной инженерии слишком грубы (что бы там ни писали в популярных журналах). Требуется продолжать работы и ждать открытий. На это может уйти и десять лет, и тридцать. Главное, что проблемы понятны.
Палец 4-й. Ускорение
Представив, пусть и в самых общих чертах, как устроен механизм хранения наследственности, предлагаю на этом качественно более высоком уровне вернуться к вопросу о ее проявлении, реализации в виде целого организма.
К настоящему времени нам точно известно, что живое существо может состоять из одной или более клеток. Так же ясно, что в случае многоклеточного организма входящие в его состав структурные единицы проявляют специализацию даже в том случае, когда мы имеем дело с наипростейшими по устройству существами. Поначалу специализация разделяет клетки всего на два типа: генеративные (ответственные за рост организма посредством увеличения общего числа клеток) и соматические (отвечающие за исполнение других функций), причем отголоски этого слышны до сих пор и обнаруживаются у высших организмов. В последующем специализация углублялась, приводя к формированию четко выделяемых типов тканей (покровных, мышечных, хрящевой и костной, соединительной, жировой и т.д.) и компактному объединению отдельных тканей в органы, а, параллельно, и функциональному связыванию органов в системы (сердечно-сосудистую, пищеварительную и выделительную, опорно-двигательную, нервную, иммунную и т.д.)
Специализация клеток, входящих в различные органы и системы, во многих случаях доходит до такой степени, что структурные единицы одного организма становятся почти ни в чем не похожи друг на друга. Одни имеют отростки до полутора и более метров (например, нейроны), другие - близкую к идеальной округлую форму. Одни являются многоядерными, у других ядро одно, но перетяжками разделяется на несколько сегментов, а третьи и вовсе лишаются наследственного материала, достигнув стадии зрелости. Одни четко фиксированы на месте, другие носятся по всему организму с током крови и лимфы, третьи обладают способностью к самостоятельному передвижению и даже "протискиванию" вглубь тканей.
И при этом подавляющее большинство их (за исключением уже упоминавшихся зрелых эритроцитов и половых клеток - о них отдельный разговор) обладает полным набором генов для развития для развития в целый организм. Да так ли это?
Предшествующие наблюдения над природой давали много материала, подтверждающего обоснованность данного предположения. Опустим за полной ясностью обычное деление одноклеточных. Но и многоклеточные способны малой толикой своего организма дать начало новому - прежде всего, имеются в виду растения. Обломок свежей ветки, частица корня, единственный лист, подчас, - при попадании в благоприятные условия развивается в полноценный организм, обладающий всеми системами: корень формирует стебель, стебель пускает корни. Для низших животных вегетативный способ также не запрещен. Те же приснопамятные губки - любимый пример школьных учителей - могут размножаться путем фрагментации до единичных клеток (то есть можно полностью разрушить организм путем протирки сквозь сито до образования кашицы - и из всех мельчайших крупинок вырастут нормальные губки). Они же могут размножаться почкованием - образованием выроста тканей, отрывающегося и ведущего в дальнейшем самостоятельную жизнь.
По сути, все приведенные примеры не являются способом размножения, они иллюстрируют способности к восстановлению организма - регенерации. Она есть и у высших животных, включая человека. Безусловно, не так хорошо выражена (с уровня фарша не смогут восстановиться даже рыбы), но морские звезды, например, довольно быстро отращивают оторванные лучи, ящерицы - хвосты, саламандры и крабы - конечности. У человека неплохо регенерируют ткани печени и кости.
(Кстати, лично слышал рассказ хирурга-преподавателя, которому пришлось оперировать пациента с какой-то катастрофой в брюшной полости - уж не помню, с какой именно. Так вот, после выполнения доступа и ревизии внутренних органов (так полагается: попал в живот, осмотри все доступное!), он обнаружил на брыжейке кишечника россыпь багрово-красных опухолевидных образований размером от нескольких миллиметров до копеечной монеты. Естественно, сразу возникло предположение о злокачественных метастазах, при наличии которых, как должно быть ясно, сделать уже мало, что возможно. Однако взяли биопсию (отщипнули аккуратненько маленький кусочек одного такого "метастаза"), отослали на срочное гистологическое исследование, чтобы определить точно природу тканей - происхождение и степень злокачественности. Полчаса ждали у операционного стола приговора, получили заключение: "нормальная ткань селезенки без признаков малигнизации". То есть, никакого рака нет, а все эти "метастазы" - ничто иное, как маленькие селезенки. Пациенту еще в юности удалили селезенку после ее разрыва в результате падения с высоты - это было известно. Так вот, в процессе той еще, многолетней давности операции, селезеночные клетки (а орган этот рыхлый такой, кровью напитанный, да еще капсула с тканями порвалась) попали, видимо, в брюшную полость вместе с капельками крови, да и приросли пусть и в неположенных местах, да зато выполняя положенную функцию. Чем не пример регенерации "из состояния фарша"?)
Ладно, тут все понятно. Но возможна ли "регенерация" высших животных из единственной телесной клетки в полноценный организм? Достаточен ли ее генетический набор, не теряет ли некую таинственную животворную силу на этапах тканевой специализации?
Сейчас-то ответ кажется ясным, но не так давно это казалось весьма серьезной проблемой. И разрешили ее Ян Вилмут (Ian Wilmut) и Кейт Кэмпбелл (Keith Campbell) из Рослинского института (Шотландия) в 1996-м году. Конечно, мы говорим об овечке Долли и технологии клонирования.
Итак, что такое клонирование? Это способ искусственного получения жизнеспособных высших животных и растений на основе генетического материала соматических (неполовых) клеток. Долли была "произведена" с использованием ядерного материала, извлеченного из клеток вымени одной овцы (умершей к моменту эксперимента - ткани хранились в жидком азоте в замороженном состоянии) и помещенных в денуклеированную (лишенную ядра) яйцеклетку другой овцы. После выполненного экстракорпорального "оплодотворения" и стимуляции первичного деления, зародыш был подсажен в матку "матери", выношен и рожден естественным путем.
Долли выросла вполне здоровой овечкой, прожила 6,5 лет, родив 6 ягнят и будучи полным генетическим близнецом того самого животного, от которого оставались лишь замороженные ткани. Успех?
С точки зрения науки, безусловно - окончательно и не оставляя никаких теней сомнения, подтверждена роль ядерного наследственного материала (ядерной ДНК) в формировании живых организмов. Более того, поставлена и точка над "i" в вопросе полноценности ДНК соматических клеток - каждая из них содержит материал, не уступающий качеством тому набору оплодотворенной яйцеклетки, из которого первоначально развивался организм. Настолько не уступает, что генетических близнецов можно производить сотнями и тысячами.
Но вправду ли не уступает? Проблема оказалась в том, что овечка Долли оказалась слабенькой. Нет, развивалась она нормально, и ягнят приносила, но уже с пятилетнего возраста (а овцы обычно живут лет по 10-12, если раньше не отправляются "под нож") - у человека это соответствовало бы 35-40 годам - она страдала от болезней суставов, причем, настолько серьезных, что начала получать противовоспалительные средства. А еще через два года у нее начались проблемы с легкими, к которым присоединилась вирусная инфекция, приведшая к смерти.
Отвлечемся.
Технология клонирования показалась настолько фантастическим достижением, настолько бескрайние горизонты она открывала, что мимо нее никак не мог пройти Голливуд.
Фильм "Шестой день" (с А.Шварценеггером) 2000 года повествует о недалеком будущем, в котором запросто (в течение нескольких дней) клонируют любимых домашних животных. Сюжетная коллизия состоит в подмене главного героя, способного разоблачить преступные эксперименты с клонированием людей, его клоном-двойником. Оба они считают себя "подлинными", оба пытаются отстоять право на место в семье, но потом объединяются в борьбе против главного злодея.
В продолжении цикла Джорджа Лукаса "Звездные войны", названном "Эпизод 2. Атака клонов" и вышедшем на экраны в 2002 году, на далекой планете из клеток единственного человека, профессионального воина-убийцы, вырастили целую армию клонов. Лукас не повторил ошибок создателей "Шестого дня", он не придумывал невероятных аппаратов, способных доводить зародышевую клетку до уровня взрослого организма (да еще с памятью о не пережитом) в считанные недели, если не дни - у него клоны проходили младенчество, обучение и тренировки. Только были похожими друг на друга, и исполнительными, словно роботы.
В фантастическом боевике "Остров" (2005 год) фабула уже совсем правдоподобна. В некоем закрытом пространстве (поначалу зрителя уверяют, что речь идет о бункере-убежище) проживают несколько тысяч молодых людей, убежденных, что они единственные выжившие в глобальной катастрофе, происшедшей на планете. Однако одна влюбленная пара начинает испытывать сомнения, перерастающие в зловещие подозрения. Они совершают побег, в результате чего выясняют, что мир на поверхности Земли не уничтожен, и находится в полном порядке. Они же, все эти молодые люди, являются клонами богатых и высокопоставленных граждан, "живыми консервами" органов, которые могут понадобиться для пересадки
Наверняка есть и другие фильмы, где обыгрывается возможность клонирования человека, но я решил остановиться на самых известных.
Что объединяет все эти три работы, так это скептическое, стоит даже сказать - тревожное отношение к клонированию. У создателя "Звездных войн" это выражено в наименьшей степени (пусть даже проблема была вынесена в название фильма: "Атака клонов"), но особой глубиной его фантастика никогда не отличалась. А вот "Остров"... Этот фильм вполне адекватен. Недаром с 1996 года многие страны запретили или ограничили репродуктивное клонирование человека (приводящее к рождению генетического близнеца), то вводя, то вновь отменяя запреты на клонирование терапевтическое (обрывающее рост зародыша на стадии бластоцисты - примерно 100 клеток, используемых в медицине в качестве стволовых). Понятно, что наиболее непримиримыми противниками клонирования выступают страны с преимущественным распространением католицизма (Испания, Франция, Сальвадор, Мексика, Венесуэла). Хотя, справедливости ради нужно сказать об уголовном преследовании за человеческое клонирование в Японии, Германии, Великобритании и Эстонии. В России с 2002 года также действует временный запрет на репродуктивное клонирование человека.
Вернемся к судьбе овечки Долли. Анализируя ее состояние, исследователи почти сразу разделились на два лагеря.
Первые оставались уверены, что тяжелые болезни, преследовавшие ее на протяжении короткой жизни, связаны скорее с условиями содержания: экспериментаторы обрекли ее на малоподвижный образ жизни, ограничивая выгулы, мол, поэтому и развились артриты с легочными расстройствами. А противовоспалительные препараты, применяемые длительными курсами, как давно известно, негативно отражаются на иммунной системе - отсюда и скоротечная вирусная инфекция с летальным исходом.
Вторые резонно указывали на другие эксперименты с клонированием животных (а они, естественно, не заставили себя долго ждать): большинство зародышей погибали внутриутробно, среди родившихся смертность во младенчестве многократно превышала привычный уровень, особи росли ослабленными, продолжительность их жизни оказывалась в полтора-два раза ниже животных стандартов.
Объяснений напрашивалось два. Во-первых, генетический материал использовался, что называется, "бывший в употреблении" - с накопленными в течение жизни исходного животного повреждениями ДНК и мутациями. Подсадка его даже в молодую яйцеклетку эквивалентна установке в новый автомобильный кузов двигателя и трансмиссии, "отбегавших" половину, а то и две трети расчетного срока эксплуатации. На безупречную работу этих узлов и агрегатов, понятно, рассчитывать особо не стоит.
Во-вторых, генетики задолго до успешного осуществления клонирования занялись исследованием специфических образований на концах хромосом, названных теломерами. Выяснилось, что они выступают некими биологическими часами, отсчитывающими "дозволенные" акты митоза - клеточного деления, и (в случаях специализированных соматических клеток) укорачивающиеся с каждым таким актом. Понять это можно, проведя аналогию с песочными часами: до тех пор, пока в верхней половине колбы остается запас песка - он продолжает сыпаться, иллюстрируя течение времени; до тех пор, пока длина концевых участков хромосом достаточна - возможна репликация (удвоение) молекулы ДНК, необходимая для формирования генетического материала для новой клетки. Но вновь образованная хромосома оказывается короче "прародительницы" на 3-6 нуклеотидов, а следующая - еще короче, и так происходит до тех пор, пока длина теломер не достигает критически малой длины и клетка не потеряет способность к делению. Практически, речь идет о том, что теломеры отвечают за явление биологического старения, за конечность жизни многоклеточных организмов (в биологии это явление получило название "предел Хейфлика" по имени американского ученого, впервые открывшего его для дифференцированных человеческих клеток; "предел Хейфлика" составляет 50-52 клеточных делений). Использование генетического материала соматических клеток для клонирования - есть попытка создания "свежей" копии организма, изначально зараженной смертью, внутренне прошедшей значительную часть пути к ней.
Есть только два типа клеток, лишенных генетических ограничений по продолжительности жизни: половые клетки (о них мы поговорим позже) и стволовые - чрезвычайно низкого уровня дифференцировки, способные делиться неограниченное число раз, обеспечивая при этом как самовоспроизведение (одна получившаяся клетка сохраняет стволовые свойства), так и генерируя поколения будущих специализированных клеток (крови, мозга, печени, костной и соединительной ткани и т.д.) Только эти стволовые клетки имеют активно действующую восстановительную систему теломераз, постоянно надстраивающую укороченные концевые участки хромосом, "омолаживая" их до первоначального состояния.
К сожалению, запуск аналогичных систем в уже дифференцированных клетках свидетельствует не о начале "вечной молодости", а о злокачественном их перерождении - превращении в раковые клетки. Тем они и страшны - безудержным ростом, обкрадывании организма в питательных веществах и кислороде, потерей "чувства границ" - прорастанием за пределы исходных органов вплоть до разъедания стенок сосудов, полых органов (например, желудка и кишечника, пищевода и бронхов) или их сдавливания с развитием непроходимости. И еще, конечно, способностью отрываться от материнской опухоли и распространяться по всему организму - контактным способом, с током крови, лимфы или воздуха (с дыханием и кашлем - в случае расположения в дыхательной системе).
Итак, мы бегло рассмотрели проблемы хранения наследственности в клеточных ядрах соматических (телесных) клеток, и эксперименты, доказывающие возможность развития любой такой клетки в целостный организм.
Безусловно, технологии клонирования, даже столь несовершенные, каковые они есть в данный момент, - серьезный шаг в развитии генетики в частности и биологической науки вообще. Однако даже терапевтическое клонирование (не говоря о репродуктивном - создании генетических копиях людей) чревато наличием этических проблем. Много более простые операции - пересадки костного мозга (в основе - все те же стволовые клетки, только донорские) и трансплантации органов - выполняются штучно. Пусть тысячами и даже десятками тысяч, но всем ли нуждающимся? Оглянитесь вокруг себя и получите ответ.
Много говорится о применении клонирования в восстановлении исчезнувших видов животных (японцы, по слухам, всерьез примериваются к мамонтам, благо шанс получить генетический материал из замороженных трупов этих вымерших гигантов по-прежнему высок, а ближайшие родственники - слоны - все еще бродят по Африке и в Индии). Задача интересная, что и говорить, но - если вдуматься - зачем?
Мы еще помним фильм "Парк Юрского периода", в котором возрождение поголовья динозавров решалось с помощью и клонирования и генной инженерией, - и ради чего? Ради шоу? Ну-ну, мне бы, как говорится, ваши заботы. Других-то забот, наверное, нет. Подбрасываю идею: воскресить египетских фараонов по сохранившимся мумиям, Владимира Ульянова с Мао Цзэдуном, и - кто там еще на длительном хранении? - Ким Ир Сена им для компании...