Ядро, как и клетка в целом, составлено из большого числа различных веществ. Некоторые химические вещества при добавлении в воду, в которую помещена пластина с тканью, могут проникнуть в клетки и соединиться с некоторыми, но не со всеми веществами, которые там находятся. Полученные химические соединения иногда окрашены в тот или иной цвет. Добавляя необходимое химическое вещество в клеточную ткань, мы окрашиваем некоторые части клетки и оставляем нетронутыми другие ее части. Когда, например, препарат под названием реактив Feulgen добавляется в клетку, рассеянные части ядра приобретают ярко-красную окраску (окраска по Фельгену). Эти части называют хроматином (от греческого слова, означающего «цвет»). Если препарат добавляется в клетки на различных стадиях деления, поведение хроматина может стать видимым для нас, и именно его поведение и является ключом к интересующей нас ситуации.
Как делятся клеткиВ самом начале процесса деления клетки хроматин ядра начинает собираться в маленькие нитевидные формы. Эти нити хроматина называют хромосомами. Число хромосом разное в клетках различных видов животных. У мухи, например, только восемь хромосом в ее клетках, а у лангуста — более ста. Все клетки любого животного одного вида (об исключениях мы будем говорить в следующей главе) имеют то же самое число хромосом. В человеческих клетках, например, хроматин во время процесса деления клетки собирается ровно в 48 хромосом.
Поскольку хроматин в течение деления клетки собирается в небольшие нитевидные формы, процесс деления клетки называется митозом, от греческого слова «нить».
После того как сформировались хромосомы, ядерная мембрана исчезает, и вещества из ядра смешиваются с цитоплазмой. Хромосомы тем временем вытягиваются поперек клетки посередине.
Это — решающий момент. Его называют метафазой. Хромосомы остаются в середине клетки, и через некоторое время каждая хромосома внезапно дублируется хромосомой-компаньоном, выстраивающейся в линию рядом с первоначальной хромосомой. В делящейся клетке человека число хромосом, таким образом, увеличивается с 48 до 96 в метафазе.
После метафазы все происходит довольно-таки быстро. Сначала хромосомы отделяются друг от друга. Один набор в 48 хромосом (в человеческих клетках) перемещается в один конец клетки. Другой набор в 48 хромосом — в другой конец клетки.
Хромосомы в каждом конце клетки затем охватываются новыми ядерными мембранами. В течение короткого времени клетка обладает сразу двумя ядрами. В пределах каждого ядра хромосомы начинают развертываться и теряют свою нитевидную форму. Но они не распадаются и не растворяются. Это можно сравнить с тем, как если бы сильно натянутая струна, после того как ее отпустили, вдруг ослабла и стала бы длинной и закручивающейся. Именно так хромосомы развертываются в хроматин и пребывают в ожидании следующего разделения клетки, когда они еще раз формируют хромосомы.
После того как эти два ядра сформировались в противоположных концах клетки, клетка начинает в середине суживаться. Середина становится все более и более узкой, пока клетки не обособятся. У protozoa две получившиеся клетки отсоединяются друг от друга и становятся двумя отдельными индивидуумами. У metazoa две дочерние клетки остаются на месте. Новая клеточная мембрана, однако, теперь отделяет две части того, что когда-то было одной клеткой.
Теперь вернемся к метафазе. Одна необычная вещь, которая может нас заинтересовать в процессе митоза, — удвоение хромосом. Все остальное — просто вопрос деления вещества клетки на две равные части и отделение их друг от друга мембраной.
Вы можете спросить: «Не происходит ли то же самое и с хромосомами? Не делится ли каждая хромосома просто по ее длине, становясь двумя хромосомами?»
Чтобы ответить на этот вопрос, нам недостаточно заниматься рассмотрением только самой клетки или даже ядра. Мы должны обратить наше внимание на саму хромосому.
Внутри хромосомыТеперь мы имеем дело с объектами, которые являются настолько крошечными, что мы должны остановиться, чтобы обдумать, до сколь маленьких размеров мы вообще можем так или иначе добраться. Как все мы, живущие в век атомной бомбы, вероятно, знаем, весь мир состоит из атомов. Атомы — чрезвычайно малые объекты. Хромосома, которая является достаточно большой, чтобы быть замеченной с помощью микроскопа, содержит в себе много миллиардов атомов.
Атомы бывают ста различных типов, некоторые из них являются более простыми, чем другие. За редкими исключениями атомы связаны вместе в группы. Иногда такая группа состоит из атомов только одного вида. Чаще группа состоит из двух или более различных видов атомов. Иногда эти группы могут быть составлены только из двух атомов каждая, иногда из полдюжины, иногда из нескольких миллионов. В любом случае, группу атомов, состоит ли она из одного вида или из многих, содержит ли она два атома или два миллиона, называют молекулой.
Каждый из различных типов известных нам веществ (а таких — многие сотни тысяч) состоит из молекул своего собственного вида. Каждый из различных видов молекулы имеет свой собственный набор свойств и характеристик.
Например, если вы делите кусок того или иного вещества, например сахара, надвое, каждая его часть все еще будет сахаром. Если вы продолжаете делить сахар на меньшие и меньшие части, каждый фрагмент — все еще сахар. Даже если было бы возможно делить сахар так точно, чтобы разделить его на отдельные молекулы (миллиарды триллионов молекул), каждая молекула оставалась бы сахаром. Молекула, однако, — наименьшая частица, которая может сохранить характеристики вещества, которое она составляет. Если бы вы должны были разделить молекулу сахара надвое, вы остались бы с двумя группами атомов, каждая из которых представляет собой половину размера первоначальной молекулы. Пи одна из новых групп, однако, уже не была бы сахаром.
Это то же самое, как если бы вы взяли класс из 16 учеников и разделили бы его на два. Вы тогда бы имели два класса по 8 учеников в каждом. Вы могли продолжить и сделать 4 класса но 4 ученика в каждом, 8 классов по 2 ученика в каждом или даже 16 классов по 1 ученику в каждом. Но на этом вы должны были бы остановиться. Если бы вы попробовали продолжить этот увлекательный процесс и сформировать 32 класса по половине ученика в каждом, вы остались бы без классов вообще, без каких-либо учеников, но зато с серьезными неприятностями с полицией.
Теперь позвольте нам вернуться к хромосоме. Хромосома составлена из вещества, названного нуклеопротеином. Нуклеопротеиновая молекула имеет огромный размер но сравнению с большинством молекул. Она в миллион или более раз больше, чем, например, сахарная молекула. (Даже и в этом случае все еще слишком маленькая для того, чтобы быть замеченной под обычными микроскопами.) Хромосома — нить из нескольких тысяч этих гигантских нуклеопротеиновых молекул, соединенных вместе.
Теперь вообразите себе, что случилось бы, если бы каждая хромосома должна была расколоться посередине в метафазе и стать двумя хромосомами. Это походило бы на разрыв жемчужного ожерелья. Вы не имели бы больше двух жемчужных ожерелий, просто два набора из кучек жемчуга, и больше ничего.
Теперь мы можем ответить на вопрос, которым закончили предыдущий раздел. Хромосомы так просто не разделяются посередине, становясь двумя хромосомами в метафазе. Если бы хромосома была раздроблена посередине, каждая нуклеопротеиновая молекула была бы разрушена. Вместо того чтобы иметь две хромосомы, мы не имели бы ни одной.
Следовательно, для того чтобы каждой хромосоме стать уже двумя хромосомами в метафазе, одна из них должна быть создана заново из более простых материалов.
Как это делается? Точно не знает никто. Многие ученые изучают этот процесс. Как только они получат полный ответ, они будут иметь в своем распоряжении один из важных ключей к знанию природы самой жизни.
В грубом приближении тем не менее это, кажется, осуществляется следующим образом: протоплазма в клетке содержит различные простые вещества, которые могут быть соединены, чтобы сформировать хромосому. (Подобно частям мозаики, когда вы видите, какая из них при правильном соединении с другими может составить большую картину.) Некоторые из этих веществ называют аминокислотами. Другие называют пуринами, пиримидинами, пентозами и ионами фосфата. Некоторым образом эти простые вещества вытягиваются из протоплазмы и выстраиваются в линию около различных хромосом. Расположение веществ таково, что каждая аминокислота в каждой хромосоме имеет подобную аминокислоту рядом с собой; каждый пурин соседствует с подобным же пурином и т. д. Когда построение закончено, все эти маленькие молекулы и ионы соединяются вместе, и в итоге мы имеем вторую хромосому рядом с первой. Так как вторая хромосома составлена из точно таких же молекул и ионов, что и первая, и выстроена в линию в том же самом порядке, то мы имеем точный дубликат первой хромосомы. Первая хромосома действовала как своего рода модель, но которой вылеплена вторая.