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.

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.