Увиденное невидимое

Мир малых величин

Рыба, лягушка, ящерица, воробей, слон… Все они дышат, едят, двигаются, растут, производят потомство. Имеют глаза, сердце, почки, печень и другие органы. Органы состоят из тканей. Каждая ткань образована клетками. Клетка — это как бы единица жизни.

Невидимая простым глазом клетка настолько мала, что даже трудно вообразить ее размеры. Измерять клетку миллиметрами все равно что рост человека выражать в километрах. А ведь миллиметр составляет всего 1/1000 часть метра! Клетку приходится измерять тысячными долями миллиметра — микронами. Обычно клетки бывают величиной от 0.2 до 10 микрон. В одном кубическом миллиметре поместится целый миллиард кубических микрон!

Несмотря на такие крошечные размеры, клетка необычайно сложно устроена. В каждой клетке постоянно идут тысячи разных химических реакций. Недаром клетку сравнивают с химическим заводом. У клеток есть разные специальности: одни клетки участвуют в пищеварении, другие в движении, третьи воспринимают раздражения, четвертые защищают от заразных болезней, пятые… Всего не перечислить. Клетки разных профессий тесно связаны между собой и зависят друг от друга.

В организме несметное число клеток. Только в мозгу человека около 20 миллиардов нервных клеток. А всего в теле человека… словами и не скажешь, какое это число — 1015. Напишите 10 и приставьте 15 нолей — это и будет количество клеток в теле человека.

Под микроскопом ткани и составляющие их клетки рассматривают на препаратах. Все, наверно, видели в поликлинике препараты крови — окрашенные стеклышки, на которых тонким слоем размазана взятая из пальца капля крови. На таких же стеклышках готовят препараты "твердых" тканей. Сначала маленькие кусочки ткани обрабатывают жидкостями, которые убивают клетки, но сохраняют неизмененными их части. Но как бы ни был мал взятый кусочек, он все же слишком толстый, в нем клетки расположены в несколько слоев. На специальном приборе — микротоме — кусочки тканей режут на ломтики толщиной в 5-10 микрон и приклеивают на стеклышки. Потом их красят. Имеются краски, окрашивающие клетки разных тканей в различные цвета. Есть краски, которые красят только определенные части клетки.

Какие только цвета не увидишь под микроскопом: красный, синий, зеленый, оранжевый, черный! На окрашенные срезы приклеивают маленькое стеклышко — и препарат готов. Он может храниться десятки лет. В любой момент его можно достать и рассматривать под микроскопом, увеличивающим изображение каждой клетки в 1500 раз.

А электронные микроскопы увеличивают в 100000 раз! В нём видны отдельные молекулы. Для электронного микроскопа нужны срезы толщиной в сотые доли микрона. Прибор, который так тонко режет клетку, установлен обычно в подвале, где меньше всяких помех. Когда он работает, вешают табличку: "Не входить. Включен ультратом". Стук двери, шаги могут мешать его точной работе.

На препаратах определяют, какие вещества имеются в клетке и как они в ней распределены. Можно даже вычислить количество этих веществ.

Конечно, наиболее точное представление о строении и работе клеток дает изучение живых клеток. Теперь есть много способов искусственного выращивания — культивирования — кусочков тканей и отдельных клеток вне организма. Для этого их помещают в особые сосуды с питательной средой. При культивировании клетки сохраняют присущие им свойства. Меняя питательную среду, пересаживая клетки и ткани, некоторые культуры удается сохранять десятки лет. Под микроскопом наблюдают живые культивируемые клетки. Их даже снимают на кинопленку. Уже создано много фильмов о жизни клеток. На экране видно, как клетки двигаются, соединяются друг с другом, как происходит их деление…

Ученые научились оперировать живые клетки. Они пересаживают части от одной клетки в другую, удаляют из клетки отдельные ее части, вводят в нее разные вещества и смотрят, как они влияют на клетку.

Разве расскажешь обо всех способах, которыми пользуются исследователи, чтобы узнать строение и жизнь клетки!

Микроскопические заводы

Шаровидные и овальные, похожие на кубики и цилиндры, на звезды и диски… Клетки бывают различной, часто необыкновенно причудливой формы. Но даже самые непохожие друг на друга клетки поразительно сходны по своему устройству.

При первом взгляде на клетку может показаться, что она состоит только из ядра и того, что окружает ядро, — цитоплазмы. Но оказалось, что эти главные компоненты клетки, в свою очередь, состоят из многих очень важных и сложных частей.

Ограничена клетка оболочкой, кожицей. Кожица — по-латыни "мембрана". В науке многие слова взяты из латинского и греческого языков. Это потому, что в древности и в средние века почти все научные книги писали на этих языках. И сейчас новые слова в науке часто продолжают образовывать от латинских и греческих. Очень удобно, когда говорящие на разных языках ученые пользуются одинаковыми словами.

Окружающая клетку мембрана настолько тонкая, что её невозможно увидеть в обычном микроскопе. Но в электронном микроскопе в ней различили три слоя: два темных и между ними светлый. Даже определили, что темные слои состоят из молекул белков, а светлый — из молекул жиров. Такого же строения оказались и все мембраны вокруг различных внутриклеточных частей.

Сама клетка — это микроскопический завод. Он работает без выходных, без перерывов. Сырье, полученное организмом с пищей, перерабатывается в клетке в готовую продукцию. Она идет на построение растущих частей клетки, на ремонт и замену изношенных или поврежденных ее структур и на нужды всего организма.

Как и бывает на заводе, в клетке есть своя силовая станция, различные согласованно работающие цеха.

В цитоплазме находится цех, снабжающий энергией все клеточные процессы. Впрочем, это не один цех. В клетке печени, например, 2500 таких цехов. Их называют митохондрии. Длина каждой митохондрии обычно не больше десятых долей микрона. В этих цехах образуется вещество, при распаде которого освобождается энергия. Это аденозинтрифосфорная кислота. Сокращенно — АТФ. В научном языке часто пользуются сокращениями. В молекулах АТФ накапливается и хранится энергия до тех пор, пока она не понадобится. Вот почему митохондрии называют силовыми, или энергетическими, станциями клетки.

Под электронным микроскопом в цитоплазме видна сложная сеть каналов и полостей. Это так называемая эндоплазматическая сеть. На некоторых ее участках мембраны гладкие. Здесь образуются жиры и углеводы. А в некоторых местах сети на мембранах сидят округлые тельца — рибосомы. Это сборочные цеха клетки. На них происходит сборка белковых молекул из аминокислот. Одна аминокислота, вторая, третья… Целая цепочка из них составляет молекулу белка.

Вся продукция клеточного завода не только накапливается в эндоплазматической сети, но и передвигается по ней в следующий клеточный цех. Клеточный конвейер! В последнем, упаковочном, цехе из поступающих продуктов удаляется лишняя вода, они прессуются.

Все признаки и особенности клетки определяются главным образом ее белками. А белки различаются количеством составляющих их аминокислот и той последовательностью, в которой они соединены в цепочки. Белков в организме человека сотни тысяч, а аминокислот всего двадцать. Если каждую аминокислоту обозначить буквой, то получится двадцатибуквенный алфавит. Из него можно составить фразы из разного количества букв — 50, 100, 300… Каждая фраза соответствует какому-нибудь белку. Мы знаем, что перестановка букв меняет слово: "краб", "брак"… Вот так же перестановка аминокислот меняет белок. Записанные одними и теми же буквами, белки отличаются друг от друга по их расположению.

Сведения о том, какие аминокислоты и в каком порядке должны соединяться в молекулы белка, записаны в клетке. Записи хранятся в ядрах. Там находятся специальные сейфы для хранения зашифрованных рецептов образования белков — хромосомы.

Расшифровка кода

Ещё в прошлом веке под обыкновенным микроскопом в клетке увидели прямые и изогнутые палочки. Они ярко окрашивались некоторыми красками и поэтому получили название "хромосомы". По-гречески это значит "красящиеся тельца". Ученые обратили внимание, что в любой клетке организма имеется одинаковое количество таких окрашенных палочек. Причём количество их было одинаковым не только во всех клетках одного организма, но и во всех клетках у всех организмов данного вида. Не только у какой-то одной мушки дрозофилы 8 хромосом, а у всех таких мушек именно 8. У комаров — 6, у лягушек — 24, у собак — 22, у кошек — 60, у горилл — 48. А у человека 46 хромосом.

Построены хромосомы главным образом не из белков, как все остальные части клетки, а из ДНК. Так сокращенно называют дезоксирибонуклеиновую кислоту. Кислота с таким громоздким названием состоит из четырех типов нуклеотидов. Запомните, пожалуйста, это! Вы дальше увидите, как это важно, как много зависит от этих химических соединений.

В каждой клетке человека около 800000 молекул ДНК. Каждая из них построена из 40000 нуклеотидов.

Молекула ДНК — это молекула-гигант. Молекулы ДНК из хромосом только одной клетки составят нить длиной почти в два метра. А из всех клеток одного человека — в 1800000000000 километров. В 469 тысяч раз больше расстояния до Луны. Такой нитью можно было бы обмотать по экватору нашу планету 45 миллионов раз. Но эта нить настолько тонкая, что ее никто бы и не заметил.

Отдельные участки молекулы — гены — заведуют наследственными свойствами организма. Цвет волос и глаз, форма носа, группа крови, особенности всех белков организма определяются генами. На них и записаны рецепты белков: число и порядок аминокислот. В каждой молекуле ДНК сотни тысяч генов. Но не все они работают. В одной клетке работают одни гены, в другой — другие. Этим и объясняется разнообразие белков, клеток, организмов.

Из наблюдений стало ясно, что повреждения ДНК ведут к нарушению образования в клетке белков. Изменяется ДНК — изменяются и наследственные свойства организмов. Ученые переделывали одни бактерии в другие, меняя у них ДНК. Бактерии приобретали форму и химические особенности тех бактерий, от которых они получали ДНК.

Если разнообразие белков зависит от сочетаний 20 аминокислот, то разнообразие ДНК, все разнообразие живых существ зависит от расположения всего четырех нуклеотидов. Это кажется невероятным! Сочетание фраз при помощи 20 букв — куда ни шло. А вот как сделать запись всего четырьмя буквами? Но ведь по телеграфу можно передать текст любой длины и сложности, пользуясь даже не четырьмя, а только двумя знаками — точкой и тире. Надо только уметь его передать, принять и расшифровать. Телеграфный код расшифровывают телеграфисты. Код — это условные знаки. Зашифровать какой угодно текст можно и буквами, и цифрами, и разными символами.

Как же записан рецепт белков в ДНК? Каким кодом пользуется клетка? Каков ее генетический код?

Над расшифровкой генетического кода работали ученые разных специальностей: биологи, физики, химики, математики. Они ставили опыты, проводили расчеты, делали модели…

Если в состав белков входит 20 аминокислот, то код для них должен иметь по крайней мере 20 разных значений. Значит, буквой кода никак не может быть один нуклеотид. Вы запомнили, что их всего 4 типа. Выходит, что буквой кода может быть только сочетание нескольких нуклеотидов, расположенных вдоль молекулы ДНК. Предположим 2. Нет, двух мало. Ведь из двух нуклеотидов получается только 16 разных сочетаний: 42=16. Этого мало для всех аминокислот. А если кодирующим числом предположить З? 43=64. Такое количество сочетаний даже больше, чем надо. Расчеты, проведенные учеными, подтвердились и опытами. Три нуклеотида определяют, какая именно аминокислота присоединится в строящуюся молекулу белка.

Генетический код был расшифрован! Было разгадано и как передается запись из ядра в цитоплазму, каким образом состав нуклеотидов становится известным рибосомам, занятым сборкой белков.

Запись рецепта белка передается в два приема. Сначала он переписывается с молекулы ДНК на другую кислоту — рибонуклииновую, также состоящую из нуклеотидов. Ее тоже сокращают — РНК. При переписке сохраняется последовательность нуклеотидов. Потом РНК выходит из ядра и идет к местам образования белков — на рибосомы. Эта кислота является посредником между ДНК и рибосомами, она несет им сведения, информацию о порядке нуклеотидов. Ее так и называют: РНК-посредник, или информационная РНК.

Каждая аминокислота подходит только к определенному сочетанию трех нуклеотидов. Точнее, не она сама подходит, а ее приводит другая РНК — транспортная…

Перевод с языка генов на язык белков — очень сложный процесс. Его изучают многие исследователи. Они стараются научиться изменять гены, заставлять работать одни и подавлять работу других, чтобы менять наследственные свойства организмов. Даже делаются попытки замены генов, появляется новая наука — генная инженерия.

Дочки-матери

Клетки одинаковой величины и у человека высокого роста и у совсем низкого. Нет никакой разницы и в размерах клеток ребёнка и взрослого. Просто у высоких людей клеток больше, чем у низкорослых, а у взрослых количество клеток больше, чем у детей. Организм растет, и число клеток в нём всё время увеличивается. Рост — это и есть прибавление клеток. Новые клетки возникают и на смену погибшим. Ведь срок жизни большинства клеток значительно меньше, чем всего организма. Как же увеличивается количество клеток? Оказывается, умножение клеток происходит путем деления. Клетки делятся: из одной получается две. Причем новые две ничем не отличаются друг от друга и очень похожи на ту клетку, из которой они получились. Только поменьше. Обе новые клетки — дочери, или сёстры. Их и в науке называют дочерними, или сёстринскими, клетками. Они немного подрастут и сами станут материнскими клетками. Каждая из них опять даст две одинаковые дочерние клетки. С тем же количеством хромосом. До деления 8 и после деления 8, до деления 46 и после деления 46…

Каким же образом количество хромосом остается постоянным? Казалось бы, если клетка разделяется на две половинки, то каждая из дочерних клеток должна получить при этом лишь половину хромосом: вместо 8 — 4, вместо 46 — 23. Но ведь хромосомы заключают в себе наследственные свойства. Их надо сохранить и передать. И в природе выработалась такая способность: молекулы ДНК, составляющие хромосомы, обладают удивительным свойством самоудвоения. Ученые говорят: свойство самовоспроизведения.

Ещё до деления клетки каждая молекула ДНК удваивается. Поэтому и хромосомы оказываются удвоенными. Около каждой хромосомы возникает ее копия. Сначала старая и новая хромосомы находятся в паре. Они тесно прилегают друг к другу. Все это происходит в ядре.

Но вот начинается деление клетки. Ядерная оболочка разрушается. Между парами хромосом намечается трещина. Но они еще держатся парами. Парами и движутся на середину клетки. Делящуюся клетку сравнивают с глобусом: говорят об ее экваторе и полюсах. Так вот парные хромосомы собираются к экватору. В это время в клетке образуется "тянущий" аппарат. Его нити соединяют между собой полюса клетки и каждую хромосому с одним из полюсов. Назначение этого аппарата — тянуть хромосомы в разные стороны. Одна из парных хромосом оттягивается к одному полюсу, другая — к противоположному. На обоих полюсах вокруг хромосом образуется ядерная оболочка — ядра готовы. А посередине клетки, по ее экватору, возникает перегородка.

Так и получаются вместо одной две новые клетки с тем же количеством хромосом.

Ученые установили, что деление клетки продолжается всего полчаса-час. Гораздо дольше клетка готовится к нему. В перерыве между делениями ей надо не только удвоить свои хромосомы, но и подрасти, накопить энергию для будущего деления. Кроме того, в этот перерыв клетка работает по своей специальности, например выделяет желудочный сок. Подготовка к делению занимает, как правило, не меньше 10 часов. Иногда даже больше суток. Правда, в клетках, еще не имеющих никакой специальности, для которых главное — быстрее делиться, подготовка занимает минуты. Так бывает в клетках зародышей.

Не всегда деление клетки проходит гладко. То подготовка к нему оказывается неправильной, то само разделение клетки не удается. Случается, что не удваиваются какие-то хромосомы. Иногда парные хромосомы не разделяются и вместе отходят к одному из полюсов. Тогда в одной дочерней клетке будет больше хромосом, чем в другой. К неправильному расхождению хромосом приводит и повреждение нитей тянущего аппарата. Эти неполадки бывают редко, но могут привести к заболеваниям всего организма.

Может быть, из клеток с ненормальным количеством хромосом возникают опухоли? Ученые изучают этот вопрос. Вполне вероятно, что это именно так.