Книга Дикие гены - Хельга Хофман-Зибер

Проведем небольшой мысленный эксперимент. Представьте себе, что эта книга – ген, а вы – белок, который должен прочитать этот ген (РНК-полимераза). Так уж получилось, что вы понятия не имеете о том, где в данный момент находится книга. Ее надо найти в квартире. И вот вы в этом бедламе перерываете все вдоль и поперек, но в конце концов находите. Теперь можно поудобнее устроиться на диване и углубиться в чтение, то есть заняться производством мРНК. Усложним эксперимент. Если ваша квартира площадью 80 квадратных метров соответствует бактерии, то клетка эукариота будет иметь размер крупного торгового центра, более чем в пять раз превышающего по объему гамбургский пассаж «Европа». Вот в нем-то и спрятана книга. Тому, кто хочет ее прочесть, придется как следует постараться.

К счастью, эукариоты не просто больше бактерий, но еще и лучше организованы. Их гены не разбросаны как попало, а сосредоточены в ядре. Поэтому в отделе галантереи и кафе-мороженое можно даже не искать. Вы идете сразу в книжный отдел. Согласен, он тоже занимает немалую площадь, но и книги в нем размещаются в строгом порядке. А те, которые никому не нужны, лежат в упаковках на складе.

Итак, ядро клетки устроено практично и упорядоченно. Благодаря мембране ядра, отделяющей наследственный материал от остального содержимого, клетка работает значительно эффективнее.

А если и этого недостаточно, то всегда имеется возможность увеличить количество копий гена. Люди и большинство представителей животного мира имеют два набора хромосом: один от отца, а второй от матери. Это уже дает нам две копии на каждую клетку (хотя на самом деле не в каждом гене используются обе копии). Некоторые гены, которые постоянно находятся в деле, в процессе эволюции научились размножаться с целью увеличения своей численности. В частности, это относится к генам рРНК. Они являются важной частью рибосом, то есть машин, производящих все белки клетки. Без них просто никуда, поэтому в нашем наследственном хозяйстве имеются сотни копий данных генов! Но самый экстремальный случай можно наблюдать в яйцеклетках некоторых амфибий: они не просто обзаводятся парой сотен генов рРНК, но и в случае необходимости размножают их на кольцевых участках ДНК. Как следствие, их количество может достигать нескольких миллионов. В результате гены рРНК могут занимать 70 процентов в составе ДНК в клеточном ядре. Когда начинается развитие эмбриона, эти кольца передаются клеткам потомства, и таким образом количество генов в клетке снова снижается до нормального уровня.

Страус является обладателем необычного двойного рекорда. Он несет самые большие яйца среди всех ныне живущих птиц, но они же являются самыми маленькими, если сопоставить их с размерами самого страуса. И действительно, чем крупнее птица, тем относительно меньше размер ее яиц. У курицы (например, у породы белый леггорн) масса яйца составляет 3,3 процента от массы птицы (50 граммов / 1,5 килограмма), а у страуса – всего 1,4 процента (1,4 килограмма / 100 килограммов). Но еще более разительным представляется соотношение массы тела матери и массы яйца у динозавров. Диплодок, длина которого доходила до 33 метров, а вес составлял от 10 до 16 тонн, откладывал яйца, по размеру не намного превышающие страусиные. Соотношение составляет около 0,01 процента. Если бы динозавры были размером с курицу, их яйца весили бы около 0,15 грамма.

Наши клетки во много раз превосходят бактерии по сложности и размерам. И это наводит на вопрос: а до какого размера вообще могут вырасти клетки? На него нельзя ответить однозначно, но несколько кандидатов на звание самой гигантской клетки мы вам все же представим.

Если говорить о длине клетки, то победителем здесь являются нейроны клетки нервной системы. Человеческие нейроны, простирающиеся от нижнего окончания спинного мозга до большого пальца ноги, могут достигать одного метра в длину. В мире микробиологии большой палец ноги – это ужасная глушь, находящаяся на невообразимом расстоянии. Вы только представьте себе: для поддержания энергии нейрона митохондрии необходимо доставлять до крайнего окончания клетки. Чтобы они вообще могли туда попасть, их тянут на себе специальные белковые волокна с максимальной скоростью около 1,7 сантиметра в час. Таким образом, чтобы добраться из одного конца клетки в другой, митохондрии приходится проводить в пути несколько дней. А теперь представьте себе, как это происходит у жирафа или голубого кита. Чтобы такие нейроны вообще могли функционировать, соседние клетки снабжают их питательными веществами и, возможно, даже мРНК (на этот счет ученые пока не пришли к единому мнению).

Самый большой диаметр среди человеческих клеток имеет женская яйцеклетка. Он составляет от 100 до 130 микрометров, и эти клетки можно видеть невооруженным глазом. По сравнению с другими они вообще выглядят гигантами. Яйцеклетки готовятся к оплодотворению и к тому, чтобы сразу после стартового выстрела начать деление. Для этого они предварительно запасаются всем необходимым на первое время, поскольку после оплодотворения у них не будет свободного времени для наращивания массы. У некоторых видов животных гигантская яйцеклетка в течение кратчайшего времени непрерывно делится. При этом новые клетки становятся все меньше в размерах, сохраняя практически изначальный общий объем.

Самая большая яйцеклетка, известная нам на сегодняшний день, – страусиное яйцо. Это и в самом деле всего одна клетка, имеющая ядро, мембрану ядра и гигантский запас продовольствия. Всю эту провизию она накапливает не в одиночку: ее ядро не справилось бы с производством такого количества белков. В этом ей оказывают помощь клетки печени.

Еще одна возможность роста клеток заключается в том, чтобы плыть против течения и не делиться, как все, а, наоборот, объединяться друг с другом. Такой способ предпочитают наши мышечные клетки. В процессе развития мелкие одиночные клетки сливаются друг с другом, образуя гигантские мышечные волокна со множеством клеточных ядер. Это дает им достаточное количество генного материала, чтобы при длине до 15 сантиметров работать в полную силу.

Этим же фокусом пользуются и некоторые одноклеточные организмы. Самым известным из них является водоросль-убийца Caulerpa taxifolia. Выглядит она вполне безобидно, словно ярко-зеленый ковер из мелких листочков, раскинувшийся на средиземноморском мелководье. Плохо то, что эта водоросль завезена сюда из других мест, несъедобна и вытесняет местные виды растений и животных. Как и мышечные клетки, она представляет собой одну слившуюся клетку с огромным множеством ядер. Этот одноклеточный организм, достигающий размера нескольких метров, приобретает формы, которые выглядят как листья и корни, хотя таковыми не являются. Иногда создается впечатление, что природа таким образом развлекается, испробуя самые абсурдные трюки.

Подведем итог. Существуют гигантские клетки, и природа постоянно находит обходные пути, чтобы обмануть физику. Но подавляющее большинство клеток имеют микроскопически малые размеры и не видны вооруженным глазом. Объединение крохотных клеток в большинстве случаев функционирует лучше, чем одна большая.