Эволюция на пальцах. 3

          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.