Разные секреты [Мирра Евсеевна Аспиз] (epub) читать онлайн
Книга в формате epub! Изображения и текст могут не отображаться!
[Настройки текста] [Cбросить фильтры]
[Оглавление]
Разные секреты
ГЛАВА ПЕРВАЯ. О разных способах изучения клетки, о передаче рецепта белков и об умножении путем деления
МИР МАЛЫХ ВЕЛИЧИН
ОПЕРАЦИИ НА КЛЕТКАХ
МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ЗАВОДЫ
РАСШИФРОВКА КОДА
ДОЧКИ- МАТЕРИ
УМНОЖЕНИЕ ПУТЕМ ДЕЛЕНИЯ
ГЛАВА ВТОРАЯ. О клетках, которые вырабатывают чернила и другие вещества, ведают окраской и свечением, а также о присвоении животными чужих клеток
РАЗНЫЕ СЕКРЕТЫ
ПЕРЕДАЧИ НА РАССТОЯНИЕ
ЖИВАЯ ПАЛИТРА
СВЕТИТ, НО НЕ ГРЕЕТ
ЛОВКО УСТРОИЛИСЬ
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. О движении клеток в определенном направлении, о клетках — блюстителях порядка и пожирателях микробов
КУДА ПОПЛЫВЕТ ИНФУЗОРИЯ?
ШИПЫ С КУСТА РОЗЫ
ЧИСТОТА И ПОРЯДОК
ОХОТНИКИ ЗА МИКРОБАМИ
ЗАЩИЩАЮЩИЕ НАС НЕВИДИМКИ
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. О биологических часах, превращении небылиц в были, о тайнах отращивания лапок, о клетке и урожае, а также о неизбежности в науке «белых пятен»
ВНУТРЕННИЕ ЧАСЫ
БЫЛИНЫ И НЕБЫЛИЦЫ
ТАИНЫ ОТРАСТАНИЯ
СВОИ И ЧУЖИЕ
КЛЕТКА И УРОЖАЙ
«БЕЛЫЕ ПЯТНА»
Эту книгу написала для вас доктор биологических наук Мирра Евсеевна Аспиз. В книге рассказывается о клетках, из которых состоит все живое. Вы узнаете о клетках, которые меняют окраску хамелеона, помогают гусям выходить сухими из воды, сражаться с микробами, светятся в темноте, а также о клетках других «профессий».
ББК28.5 58
Рецензент: доктор биологических наук В. БРОДСКИЙ
Клетки организма выполняют разные обязанности. Одни из них участвуют в движении, другие — в пищеварении... У клеток много профессий!
Но клетка живет не сама по себе. Жизнь отдельной клетки связана со всем организмом. Поэтому, рассказывая о клетках, нельзя не сказать об организме.
О клетках известно очень много. Написаны тысячи научных книг, посвященных не только клеткам, но и отдельным их частям. Но чем больше узнают о клетке, тем больше остается невыясненных вопросов. Это значит, что в науке о клетке — цитологии,— как и в любой другой науке, всегда есть возможность новых открытий.
Может быть, прочитав эту книгу, кто-нибудь заинтересуется клетками и захочет сам раскрывать их секреты. Для каждого, кто решит заниматься исследованием клеток — стать цитологом,— дел хватит на всю жизнь.
Доктор биологических наук М. Аспиз
Аспиз М. Е.
А90 Разные секреты/Худ. А. Панин.— М.: Дет. лит., 1988.— 64 с.: ил.
ISBN 5—08—001331 — 1
В книге рассказывается о клетках, из которых состоит все живое. Читатель узнает о клетках, которые меняют окраску хамелеона, помогают гусям выходить сухими из воды, сражаются с микробами, светятся в темноте и т. д.
ГЛАВА ПЕРВАЯ. О разных способах изучения клетки, о передаче рецепта белков и об умножении путем деления
МИР МАЛЫХ ВЕЛИЧИН
ыба, лягушка, ящерица, слон, воробей... 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.
Не видимая 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 — микрометрами, сокращенно — мкм. Обычно клетки бывают величиной от 0,2 до 10 мкм. В одном кубическом миллиметре поместится целый миллиард кубических микрометров!
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 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 1 и приставьте 15 нулей — вот сколько 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 неизменными 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 мкм 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. Конечно, делают это специальным клеем. Он совершенно прозрачный и не изменяет цвета. Когда клей подсохнет — 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 100 000 раз! В нем видны отдельные молекулы. Для электронного микроскопа нужны срезы толщиной в сотые доли микрометра. 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 помешать его точной работе.
На препаратах определяют, какие вещества имеются в клетке и как они в ней распределены.
Можно даже вычислить количество этих веществ.
Разумеется, 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.
Существуют и краски, которые окрашивают живые клетки и отдельные их части. При повреждении живых клеток окрашивание их изменяется. Таким образом удается судить о состоянии клеток при различных на них воздействиях.
Разве расскажешь обо всех способах, которыми пользуются исследователи, чтобы узнать строение и жизнь клетки! Об одном из них — об оперировании живых клеток — мы расскажем подробней.
ОПЕРАЦИИ НА КЛЕТКАХ
ри слове «операция» сразу вспоминаешь хирурга, операционный стол, сверкающие металлические инструменты. Но есть операции, при которых операционным столом служит небольшое, величиной с копейку, углубление в стекле или маленькая стеклянная камера. А инструменты намного тоньше волоса. Это бывает, когда проводят операции на клетках. Их-то и увидеть простым глазом невозможно: они ведь почти в сто раз меньше точки в конце этой фразы. И все же клетки разрезают, удаляют из них отдельные части или пересаживают им новые. Одним словом, делают самые настоящие хирургические операции. Проводят их под микроскопом. Поэтому называются они микрохирургическими, или микрургическими. По-гречески «микрос» — «малый». И первая часть сложных слов, обозначающих что-то мелкое или что связано с изучением малых предметов, начинается с «микро». Вспомни: микробы, микроскоп, микротом.
Мы уже говорили, что операции на клетках — один из способов их изучения. Чтобы знать, от чего зависят особенности живых существ, чем вызываются их изменения, что им вредно или полезно, нужно изучать не только целые организмы, но и клетки, из которых они состоят. Важно даже знать, каково значение каждой отдельной части клетки. Какую роль, скажем, играет ядро? Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно удалить из клетки ядро и посмотреть, как она будет без него обходиться. Такую операцию проще проводить на одноклеточных организмах. Например, на амебе или ацетабулярии. Весь их организм состоит из одной-единственной клетки. Это клетки-организмы.
Для получения безъядерных амеб даже не обязательно удалять из них ядра. Можно разрезать амебу на две части, чтобы в одной из них было ядро. Так и сделали. Часть с ядром ничем не отличалась от кооперированной амебы. Она так же двигалась, питалась, росла. Только была меньше. А когда дорастала до размеров, при которых амеба обычно делится, то начинала делиться. Безъядерная же часть вскоре после операции переставала двигаться и питаться. Какое-то время она еще продолжала дышать и переваривать находившуюся в ней до операции пищу. Но постепенно жизнь в ней угасала, и она погибала. Эти операции показали значение ядра во всех жизненных процессах клетки.
Другие операции на амебах продемонстрировали роль ядра в передаче наследственных свойств. Брали двух амеб разных видов, отличающихся размерами ядер, способом передвижения и некоторыми другими особенностями. У каждой амебы извлекали ядро и пересаживали ей чужое. Гибридные амебы прекрасно себя чувствовали и делились. Изучая потомство этих гибридов, можно было судить, какие признаки передаются следующим поколениям ядром, а какие остальной частью клетки.
Операции на одноклеточной водоросли ацетабулярии дали ученым новые сведения о значении ядра в передаче наследственных свойств. Ацетабулярия — это прямо-таки гигантская клетка. Она имеет вид длинного стебелька, достигающего иногда пяти сантиметров. На одном его конце находится ядро, на другом — зонтик. Разные виды ацетабулярий различаются формой своих зонтиков. От двух ацетабулярий разных видов отрезали стебельки с ядрами и соединяли их между собой. На таких стебельках-гибридах образовывался зонтик, похожий и на один и на другой виды. Он как бы совмещал в себе признаки обоих видов.
Делали и другую операцию. От молодого стебелька, на котором еще не вырос зонтик, отрезали часть с ядром и пересаживали на него часть с ядром от другого вида. И тогда на стебельке вырастал зонтик того вида, от которого брали для пересадки ядро. Если такую же операцию делали непосредственно перед образованием зонтика, то вырастал зонтик того вида, которому принадлежало прежнее ядро.
Ученые объяснили, в чем тут дело. Они установили, что при развитии клетки из ее ядра выделяется вещество, свойственное только этому виду водоросли. Оно движется по стебельку, и от него зависит форма зонтика. Когда ядро удаляли задолго до образования зонтика, то вещество не успевало подняться по стебельку, и формой зонтика управляло уже новое ядро. Когда же ядро удаляли незадолго до возникновения зонтика, вещество успевало накопиться в достаточном количестве, и зонтик вырастал своего вида.
Так удалось точно установить, что сигналы идут от ядра. Значит, от ядра зависит образование белков, составляющих зонтик. Но что же это за вещество, которое движется по стебельку и передает от ядра сигнал? И это было выяснено, но уже не операционным, а химическим путем. Им оказалась особая кислота с длинным названием — рибонуклеиновая. Для простоты ученые обозначают ее всего тремя буквами — РНК. Молекулы РНК, несущие команду для образования зонтика, могут долго сохраняться в клетке и после того, как из нее будет удалено ядро. Все это присуще не только ацетабуляриям, но и всем клеткам живых организмов.
Оперировать на отдельных клетках многоклеточного организма невозможно. Даже если отрезать совсем ничтожный по размерам кусочек какого-нибудь органа, в нем окажется несметное количество клеток. В одном кубическом миллиметре содержится около 15 миллионов клеток! Специальными веществами разрушают связи между клетками. А чтобы клетки не погибли, приходится обеспечивать их питанием, поддерживать привычную для них температуру. Да еще позаботиться, чтобы они не заразились микробами. Поэтому клетки вне организма выращивают, или, как говорят, культивируют, в стерильных условиях, при постоянной температуре, в питательных жидкостях. Эти жидкости, или среды, различают по номерам. Каждый номер среды имеет свой определенный набор аминокислот, углеводов, липидов, витаминов, ферментов, минеральных солей и других веществ, необходимых для жизни клеток. В состав среды № 199, например, входит 60 различных веществ!
В клеточной культуре клетки растут, делятся и распластываются по стеклу. Такие однослойные культуры клеток используют для разнообразных наблюдений над клетками. С их помощью ученые исследуют особенности обмена в живых клетках, потребность в питании, чувствительность к разным веществам. Для опытов берут клетки здоровых тканей и опухолей. Исследуют, в чем их отличие. Пытаются найти способы, которые подавляли бы развитие опухолевых клеток. На культуре клеток испытывают действие новых лекарств. Вакцины против оспы, кори, полиомиелита готовят на клеточных культурах.
Культуры клеток можно длительно хранить замороженными. В таком виде их даже перевозят в другие города и страны. Ну и, конечно, на клетках, растущих вне организма, делают операции: удаляют из них отдельные части, вводят микробы и вирусы, наблюдая, что при этом происходит с внутриклеточными частями. Некоторые операции делают с целью определения физических свойств клеток. Так, по скорости перемещения в магнитном поле введенных в клетку металлических частичек судят о ее вязкости.
Особенно интересных результатов ждут от операций по пересадке клеточных ядер. Они уже проводятся на клетках лягушек. Исследователи из икринок удаляют ядра и пересаживают в них ядра из кишечных клеток. Оперированные икринки успешно развиваются, из них вырастают головастики, которые при исключительно удачных операциях превращаются даже в лягушат. Вполне вероятно, что ядро любой клетки организма может при определенных условиях обеспечить развитие всего организма.
Как же оперируют клетки? Разумеется, даже самый замечательный хирург, какими бы искусными руками он ни обладал, не может вручную проводить операции на клетках. Их делают на специальном приборе — микроманипуляторе. Главные его части — микроскоп и штативы с винтами, зажимающими инструменты. С их помощью можно перемещать инструменты на тысячные доли миллиметра. Для микрургических операций обычно используют стеклянные инструменты. Чтобы их изготовить, требуется исключительное умение и точность движений. Заготовками для них служат стеклянные палочки и трубочки, концы которых не толще десятой части миллиметра. Но по сравнению с клеткой — это толщенные палки и трубы. В микрокузнице заготовки раскаляют. Потом расплавленное стекло растягивают, вытягивают, изгибают, выдувают. Ему придают форму игл и пипеток, петель и крючков, скальпелей и шпателей. Все это делают под микроскопом. Кончики готовых микрургических инструментов толщиной всего в один или несколько микрометров. Поэтому и названия их начинаются с «микро»: микроиглы, микропипетки... С их помощью можно резать, укалывать и и захватывать клетки, впрыскивать им разные вещества.
В качестве инструментов используют и совсем невидимые иглы — пучки лучистой энергии. Тогда операции проводят лучевым уколом. Экспериментатор направляет луч в точно намеченное место клетки и регулирует просвет щели, через которую проходят лучи. Поврежденная лучом клетка быстрей приходит в себя. Послеоперационный период у нее протекает лучше, чем при операциях, проводимых стеклянными инструментами.
Микроманипуляторы все время совершенствуются. В приборах старых конструкций приходилось попеременно работать тремя винтами, чтобы перемещать инструменты в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В новых микроманипуляторах инструменты можно двигать лишь одной ручкой. Кроме того, инструменты в них перемещаются в ту же сторону, что и руки экспериментатора, а в прежних приборах эти движения происходили в разных направлениях. Чтобы представить себе, насколько это затрудняло работу, встаньте перед зеркалом и попробуйте начертить на бумаге квадрат, глядя в зеркало.
Самые усовершенствованные микроманипуляторы соединены с телевизионными экранами. Это значительно облегчает проведение клеточных операций.
Клетку, предназначенную для операции, помещают в углубление стекла, куда капают питательную жидкость. Но для клетки и одна капля — громадное озеро. Излишки жидкости отсасывают микропипеткой. Теперь клетка становится более или менее неподвижной. В «ванне» не очень-то поплаваешь! Можно клетку и придержать микрокрючком. Левой рукой хирург удерживает клетку, а правой... А правой делает то, что было намечено: или вводит в нее микропипеткой какое-то вещество, или выталкивает микроиглой ядро, или захватывает микропипеткой ядрышко, а то и отдельную хромосому, или...
Проводят операции в стеклянных камерах с питательной средой, в которых оперированные клетки смогут потом длительное время жить.
В нашей стране сконструировали целый комплекс, состоящий из пяти приборов. Каждый из них можно использовать и отдельно. А вместе они обеспечивают все этапы микрохирургических операций. В комплексе имеется и стеклодувная мастерская. До начала операции сам хирург может изготовить в ней необходимые ему инструменты. Для этого даже не надо обучаться тонкостям стеклодувного дела. Стоит лишь нажать на кнопку... остальное сделает сам прибор. За несколько минут он вытянет, отрежет и сложит стеклянные заготовки такого размера, который заранее запрограммировал исследователь. Не требует специальных навыков и превращение заготовок в готовые инструменты на микрокузнице. С помощью особых устройств можно выбрать клетку и перенести ее в операционную камеру, где уже проводятся намеченные операции.
Ученым важно не только хорошо провести операцию, но и суметь проследить за ее результатами. Никто, конечно, не в силах вести непрерывные наблюдения за клетками после операции. Да и уловить происходящие в них постепенные изменения просто невозможно. Здесь помогает киносъемка. Клетки становятся киноактерами. Кинокамера запечатлевает все, что с ними происходит. Уже создано много фильмов о жизни клеток. На экране видно, как клетки двигаются, соединяются друг с другом, как происходит их деление... Киносъемка позволяет увидеть за несколько секунд на экране процесс, идущий в клетке часами. И наоборот, быстрый процесс может на экране быть замедленным, и в нем удается разглядеть детали, которые без киносъемки неизбежно ускользнули бы от самого внимательного исследователя.
Результаты микрохирургических операций ученые сопоставляют с данными, полученными при других способах изучения живых и неживых клеток. Только многосторонние исследования и дают полное представление о клетках, составляющих организм.
МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ЗАВОДЫ
аровидные и овальные, похожие на кубики и цилиндры, на звезды и диски... Клетки бывают самой различной, часто необыкновенно причудливой формы. Но даже совершенно 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 это ядро,— цитоплазмы. Но оказалось, что эти главные клеточные компоненты, в свою очередь, состоят из множества очень важных и сложных частей.
Ограничена клетка оболочкой, кожицей. «Кожица» — на латинском языке «мембрана». В науке очень многие слова взяты из латинского и греческого языков. Это произошло потому, что в древности и в средние века почти все научные книги писали именно на этих языках. И сейчас новые слова в науке часто продолжают образовывать от латинских и греческих. Очень удобно, когда живущие в разных странах и говорящие на разных языках ученые пользуются одинаковыми словами.
Окружающая клетку мембрана настолько тонкая, что ее 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 перерывов, без выходных дней. 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 настоящем заводе, в клетке имеется своя силовая станция, различные согласованно работающие цеха. В цитоплазме находится цех, снабжающий энергией все клеточные процессы. Впрочем, это не один-единственный цех. В клетке печени, например, 2500 таких цехов. Их называют митохондрии. Длина каждой митохондрии обычно не больше десятых долей микрометра. В этих цехах образуется вещество, при распаде которого освобождается энергия. Это аденозинтрифосфорная кислота. Сокращенно — АТФ. В научном языке ученые очень 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
ще в прошлом веке под обыкновенным микроскопом в клетке увидели прямые и изогнутые палочки. Они ярко окрашивались некоторыми красками и поэтому получили название «хромосомы». В переводе с греческого это значит «красящиеся тельца». Ученые обратили внимание, что в любой клетке организма имеется одинаковое количество таких окрашенных палочек. Причем 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.
В каждой клетке человека около 800 000 молекул ДНК. Каждая из них построена из 40 000 нуклеотидов. Молекула ДНК — это молекула-гигант. Из хромосом только одной клетки молекулы ДНК составят нить длиной почти в два метра. А из всех клеток одного человека — в 1 800 000 000 000 километров. Это в 4,5 миллиона раз больше, чем расстояние от Земли до Луны. Такой нитью можно было бы обмотать по экватору нашу планету 45 миллионов раз. Но эта нить такая тонкая, что ее никто бы и не заметил.
Отдельные участки молекулы ДНК — 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 молекул 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, двух. Нет, двух мало. Ведь из двух нуклеотидов получается только 16 разных сочетаний: 42 = 16. Этого мало для всех аминокислот. А если кодирующим числом предположить 3? 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 — рибонуклеиновую, также состоящую из нуклеотидов. Ее, как мы уже говорили, сокращенно называют 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
е правда ли странно, что у высокого взрослого человека и у совсем крошечного ребенка клетки одинакового размера? Просто у взрослого значительно больше клеток. Организм растет, и число клеток в нем все 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? Клетки делятся: из одной получается две. Причем новые две клетки ничем не отличаются друг от друга и от той, из которой они получились. Только поменьше. Обе новые клетки — дочери, или сестры. Их и в науке называют дочерними, или сестринскими, клетками. Они немного подрастут и сами станут материнскими клетками. Дочки-матери! Каждая из них опять разделится на две одинаковые клетки. Да еще 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 разделится 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. Заключается оно в том, что еще до деления клетки каждая молекула ДНК удваивается. Поэтому и хромосомы оказываются удвоенными. Около каждой хромосомы возникает ее точная 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. Пока они еще держатся парами. Парами и движутся на середину клетки. Делящуюся клетку сравнивают с глобусом: говорят об ее экваторе и полюсах. У экватора выстраиваются пары хромосом. Им предстоит разойтись так, чтобы партнеры каждой пары оказались по разным сторонам экватора. Для их транспортировки в клетке к этому времени образуется тянущий аппарат. Построен он из тонких нитей. Одни из них проходят между полюсами, а другие соединяют каждую хромосому с полюсом. На хромосомах есть особые участки, к которым «привязываются» нити тянущего аппарата. Состоят нити из отдельных белковых частичек. Разными способами удалось установить свойства этих белков и показать, что большинство их возникает в клетке непосредственно перед ее делением. Удивительным оказалось то, что клетка не использует эти белки при ближайшем своем разделении, а откладывает их про запас. Лишь через одно клеточное поколение в основном из этих белков будет строиться тянущий аппарат. Такой задел не застанет клетку врасплох при каких-нибудь неблагоприятных для нее обстоятельствах.
Как же работает тянущий аппарат? Межполюсные его нити постепенно удлиняются — к ним присоединяются новые частички. При этом увеличивается и расстояние между полюсами. А нити, привязанные к хромосомам, наоборот, теряют свои частички и становятся короче. По мере их укорочения хромосомы все ближе подтягиваются к полюсам. Высчитали даже скорость их движения: за одну минуту хромосома продвигается к полюсу примерно на тысячную долю миллиметра.
По-гречески «нить» — «митос». Поэтому деление клетки с распределением хромосом благодаря нитям тянущего аппарата назвали «митозом».
После достижения хромосомами полюсов тянущий аппарат исчезает. Он свою работу выполнил и больше клетке не нужен. Вокруг хромосом на полюсах клетки возникает ядерная оболочка — ядра готовы. А посередине клетки, по ее экватору, образуется перегородка. Так и получаются вместо одной клетки две новые с тем же количеством хромосом.
Деление клетки, или митоз, 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 митоза. 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.
УМНОЖЕНИЕ ПУТЕМ ДЕЛЕНИЯ
онечно, не об арифметическом курьезе здесь пойдет речь. Уже говорилось, что количество клеток увеличивается благодаря их делению. Вот и получается: умножение путем деления! Что же влияет на клеточное умножение? От чего оно зависит?
Деление клетки, как и вся ее жизнь, зависит от состояния всего организма. Если перерезать нерв, удалить или подвергнуть раздражению один из участков нервной системы, то это скажется не только на работе различных органов, но и на клеточных делениях. Опыты на мышах, крысах, кроликах, кошках и морских свинках показали, что на количество митозов влияют разнообразные внешние причины. Если в лаборатории специально создать непривычный для животных шум, то у них снижается количество делящихся клеток. Уменьшается число митозов и от испуга, страха. Достаточно подопытных мышей принести в комнату, где находится кошка, как в разных их органах снижается количество митозов.
То же самое происходит, если нанести животному травму, охладить его, вызвать чувство тревоги. Даже несильная боль отражается на митозах. Стоит лишь слегка пощипать пинцетом хвосты мышей или крыс, и количество делящихся клеток уменьшается. Причем не только в клетках хвоста, но и ушей, пищевода, роговицы глаза, надпочечников и других органов.
Однако такая картина наблюдается только у млекопитающих. Количество митозов у лягушек и птиц всегда остается на том же уровне при самых разнообразных внешних раздражениях.
Ни шум, ни тревога, ни испуг, ни боль никак не влияют на умножение их клеток.
Но и у млекопитающих реакция клеточных делений на раздражения не является врожденной. У новорожденных мышат и крысят не происходит снижения митозов, сколько ни пугай их кошкой или ни дергай за хвостики. Только через шесть дней после рождения в ответ на раздражения у них уменьшаются клеточные деления. Способность к подобному снижению митозов у кошек и морских свинок появляется раньше — уже в первые сутки после рождения.
Возникает вопрос: каким образом страх или боль влияют на митозы? Известно, что при этих раздражениях надпочечники начинают выделять в кровь гормон адреналин. Может быть, именно в этом причина? Для проверки этого предположения поставили опыты. В одних опытах животным делали операцию — удаляли у них надпочечники. В других — животных не оперировали, но вводили им вещества, подавляющие выход в кровь адреналина. В обоих случаях у подопытных животных ни страх, ни боль уже не отражались на изменении количества митозов. Значит, действительно дело в адреналине. Пробовали адреналин капать на роговицу одного глаза мыши. В ней снижалось количество делений по сравнению с роговицей другого глаза. Но при таком способе воздействия андреналин оказывал исключительно местное влияние. Чтобы изменить деление клеток разных органов, он должен циркулировать в крови.
Деление клеток зависит не только от адреналина, но и от режима питания, состава пищи, содержания в ней витаминов, а также и от других гормонов. Так, гормоны щитовидной железы, в отличие от адреналина, наоборот, увеличивают количество клеточных делений, причем их воздействия меняются в зависимости от возраста животного, яркости освещения, времени суток.
Да и вообще количество митозов в разных органах меняется в течение суток. У крыс и мышей в ночные часы мало митозов, а по утрам их клетки интенсивно делятся. Так бывает вообще у всех ночных животных, то есть у тех, которые по ночам бодрствуют, а днем предпочитают отсыпаться. Клетки же всех дневных животных и человека, наоборот, делятся преимущественно ночью.
Ну, а что будет, если попробовать перепутать день и ночь — содержать ночных животных ночью при искусственном освещении, а днем — в полной темноте? Такие опыты проводили больше месяца на мышах и крысах. При этих условиях у животных поменялись местами время сна и бодрствования. Вместе с тем как бы перешли на место друг друга и часы максимума и минимума митозов: наибольшее количество клеточных делений в большинстве органов стало приходиться на вечерние часы, а наименьшее — на утренние. Стало все шиворот-навыворот. В чем тут дело? Может быть, это связано именно с двигательной активностью животных? Проверить это не составило особой сложности. Подопытных животных поместили в специальные клетки, где каждыйих пробег от «спальни» в «столовую» регистрировался. Оказалось, что между движением животного и делением его клеток существует обратная зависимость. При отдыхе и покое у животных наблюдалосьнаибольшее число митозов, а в часы наиболее частого посещения кормушки клетки почти не делились. Когда животное активно двигается, в его кровь выделяется и много адреналина.
Значит, деление клеток находится как бы под контролем всего организма. Но это касается только нормальных, здоровых клеток. А опухолевые клетки выходят из-под такого контроля. Отсюда и их неограниченный рост.
Некоторые ученые считают, что клетки каждой ткани имеют и свои собственные регуляторы деления. Их называют «кейлоны» — что в переводе с греческого означает «гасить». Эти вырабатываемые клеткой белковые вещества как бы гасят, подавляют митозы. Когда по краям царапины идет энергичное умножение клеток — это значит, что концентрация здесь кейлонов незначительна, их мало, и они не тормозят клеточных делений. При затягивании ранки кейлонов становится все больше, они передают клеткам сигналы о необходимости прекратить делиться. Стоп! Клеток достаточно!
Чужих сигналов клетка не принимает. Кейлоны, выделенные из разных тканей, оказывают влияние только на клетки своей ткани. Причем не имеет значения, от какого животного эти кейлоны получены. Клетки печени мыши перестают делиться при действии на них кейлонов из печеночных клеток не только мышей, но и человека, свиньи, кролика, морской свинки и даже трески. Но они не прекращают делиться в присутствии кейлонов из почек, легких или других органов. Но и кейлонная регуляция деления связана со всем организмом. Без адреналина, о котором уже говорилось, кейлоны не действуют.
ГЛАВА ВТОРАЯ. О клетках, которые вырабатывают чернила и другие вещества, ведают окраской и свечением, а также о присвоении животными чужих клеток
РАЗНЫЕ СЕКРЕТЫ
се знают, что секрет — это тайна.
Здесь речь пойдет, конечно, не о тайнах, которые тихонько поверяют другу и просят держать их в секрете. Это рассказ о клеточных секретах. И у клеток много тайн, много разных секретов, которые ученые и пытаются разгадывать.
Но когда в науке говорят о секретах клеток, то понимают еще и другое. Секреты клеток — это то, что они выделяют из себя: слюна, слезы, пот, желудочный сок... Секреты образуются в клетках и выделяются из них. В науке эти клетки называют секреторными, или железистыми. Они располагаются в разных местах тела то поодиночке, то целыми скоплениями, а иногда составляют самостоятельный орган — железу.
Секреты всегда приносят пользу тому организму, в котором они образуются. Они делают свое полезное дело не только внутри организма, но и вне его. Секрет клеток желудка или слюнных желез помогает перевариванию пищи внутри организма. А вот у паука секрет его паутинной железы — паутина — служит животному вне его тела.
Каких только желез не бывает! Потовые и сальные, слюнные и слезные. По их названиям можно судить об их секретах. Также сразу понятно, что в клетках молочной железы образуется молоко, которым вскармливают детенышей.
А вот поди догадайся, что за секрет в чернильной железе! Может быть, в ней готовые чернила? Да, почти так. В этой железе вырабатывается чернильная жидкость. Она погуще чернил и скорее похожа на пасту для шариковых ручек. Пожалеешь, что у нас нет такой железы!
Обладателями чернильной железы являются морские «десятирукие» моллюски — каракатицы. Секрет этой железы хранится у них в специальном складе, соединенном с кишкой.
Пока животному опасность не угрожает — секрет не выделяется. Но как только возникает опасность, каракатицы резким сокращением мышц сдавливают чернильную железу, и из склада выбрасывается через кишку струя чернил, которая расплывается по воде темным облаком. Такая черная завеса легко скрывает животное от врага.
Не беда, если на складе у каракатицы накопился небольшой запас секрета чернильной железы; он такой густой, что достаточно и нескольких капель, чтобы вода стала мутной.
Некоторые моллюски поступают еще хитрее. Своим чернильным секретом они создают не дымовой заслон, а... своего двойника. Их секрет не растворяется в воде, а повисает в виде темной сосульки, очень похожей на самого моллюска. Этим животное сбивает с толку своего преследователя и само благополучно уплывает.
Из секрета чернильной железы пользу извлекают не только моллюски, но и люди. Краску сепию, которую используют в живописи, готовят из высушенного секрета чернильной железы каракатиц.
Просто невозможно представить себе, сколько времени сохраняются красящие вещества этого секрета! Если мокрыми пальцами потрогать остатки ископаемых каракатиц, живших несколько десятков миллионов лет назад, то пальцы окрасятся.
«Как с гуся вода» — так говорят о человеке, которому все нипочем. Но отчего его сравнивают с гусем? Да потому, что гуси выходят сухими из воды. Как же это им удается? Оказывается, у гуся клетки надхвостовой железы вырабатывают секрет в виде жирной смазки. Птица клювом выдавливает его и смазывает им перья. Не только гуси, но и утки, и все птицы, плавающие в воде, имеют такие железы. Иначе бы они быстро промокли и не смогли плавать.
А вот у птиц, жизнь которых проходит на земле — у голубей, кур,— надхвостовая железа развита значительно слабее. Никому и в голову не придет сказать: «Как с курицы вода». Наоборот, с мокрой курицей обычно сравнивают испуганных, растерянных людей.
У живущих в степях дроф надхвостовая железа совсем отсутствует. Плохо приходится этим птицам весной и осенью, когда после оттепелей и дождей наступают морозы. Перья дроф тогда промерзают, и птицы не могут летать. Вот как важно иметь при себе жирную смазку!
Строение секреторных клеток связано с особенностями их работы. С одной стороны, им нужен постоянный приток «строительных материалов», необходимых для образования секрета. С другой — надо, чтобы секрет без труда выходил из клетки и попадал куда следует. Иначе и толку от него никакого не будет.
В самом деле, зачем секреторным клеткам желудка выделять свой секрет, если он не попадет в желудок, где его ожидает необработанная пища? И действительно, нижняя и верхняя половинки секреторной клетки неодинаковы. В нижней половинке оболочка извилистая. Это увеличивает ее поверхность и позволяет большему количеству веществ войти в клетку. Здесь находятся и те части клетки, которые вырабатывают секрет; тут располагается эндоплазматическая сеть со сборочными цехами — с рибосомами. А в верхней половинке клетки из секрета выжимается лишняя вода и происходит его «упаковка».
Выходит секрет из клетки разными путями. В одних секреторных клетках мелкие комочки секрета проходят через отверстия клеточной оболочки. В других — вся верхняя половинка клетки отрывается вместе с находящимся в ней секретом.
Есть клетки, которые целиком заполняются своим секретом,— все их содержимое полностью превращается в секрет. Такие клетки, можно сказать, жертвуют собой на пользу всему организму.
Передышку в работе секреторные клетки используют, чтобы восстановить свои истраченные части и накопить силы для производства новой порции секрета, необходимого организму.
ПЕРЕДАЧИ НА РАССТОЯНИЕ
предыдущем рассказе говорилось о разных секретах. Но все они приносят пользу тому организму, в котором возникают: каракатице помогают уйти от преследования, гусю — выйти сухим из воды. Но есть секреты, которые не оказывают никакого влияния на тот организм, в котором образуются. Они нужны животным лишь для передачи разных сообщений на большие расстояния. Подобно тому как люди сообщают о себе телеграммой или общаются по телефону.
Телеграмма, телефон... Какие еще похожие на них слова? Например, телескоп или телевизор. Первая часть этих слов — «теле» по-гречески означает «далеко». И многие слова, которые обозначают что-то связанное с большим расстоянием, начинаются именно так. Вот почему и выделяемые животными пахучие секреты, которые действуют на других животных на значительном расстоянии, иногда называют телергонами (от слов «теле» — «далеко» и «эргон» — «воздействие»). Но больше эти секреты известны под названием феромоны (от греческих слов, означающих «переносить» и « возбуждать»).
Феромоны нужны животным для привлечения особей своего вида к месту питания. Когда комнатная муха садится на лакомый для нее кусочек, она выделяет пахучий секрет, который привлекает мух того же вида. Характерный запах постельных клопов также влечет этих насекомых к определенному месту. Короеды и лубоеды при помощи своих феромонов собирают в зараженных ими деревьях огромное количество этих жуков.
Феромоны используются и для привлечения особей противоположного пола. Описан случай, когда в течение ночи возле одной самки бабочки большого ночного павлиньего глаза собралось 125 самцов. Когда закрыли окна, то самцы проникали в помещение через дымоход. Эти бабочки воспринимают феромон на расстоянии до девяти километров. Причем они улавливают чрезвычайно малые дозы секрета — всего лишь одну или несколько молекул пахучего вещества в одном кубическом миллиметре воздуха.
Ученые стараются выяснить химический состав феромонов. Зная его, можно искусственно синтезировать феромоны и использовать их в пахучих ловушках для борьбы с вредными насекомыми.
У многих животных феромоны служат химическим средством защиты. В этом случае животные отталкивают своих врагов запахом феромонов, но не используют их для добывания пищи. А пауки и многоножки применяют феромоны в качестве химического оружия, парализуя и умерщвляя свои жертвы.
Большинство видов муравьев оставляют пахучие следы вдоль «муравьиных дорог». Они наносят феромоны на поверхность почвы, прикасаясь к ней время от времени брюшком или кончиком жала. Передвигаются муравьи только по следам насекомых своего муравейника.
С помощью ферономов многие животные подают сигналы тревоги, дают указания к бегству или нападению. Выделяемый при ужаливании медоносной пчелы феромон вызывает тревогу и ярость у другие пчел, которые стараются ужалить около того же места, куда внесла жало первая пчела. Феромонами отмечаются границы, занимаемые одним животным, семьей или стадом, у собак, волков, лисиц, хорьков, барсуков и других млекопитающих. Их пахучие метки сохраняются длительное время и действуют на значительные расстояния. Вот сколько делается полезных вещей благодаря феромонам, которые вырабатываются секреторными клетками и выделяются на разных участках тела животного.
ЖИВАЯ ПАЛИТРА
ро человека, который ради своей выгоды меняет мнение, презрительно говорят: хамелеон! И все из-за того, что эта безобидная ящерица меняет свою окраску, приспосабливая ее к цвету того места, где она находится.
В траве хамелеон зеленый, на песке он становится желтым, а на стволе дерева коричневым. Такая маскировка очень полезна хамелеону: врагу трудно его обнаружить, а сам он может оставаться незамеченным для облюбованной им добычи.
Хамелеон вовсе не единственное животное, обладающее таким удобным свойством. Маскироваться, меняя свою окраску, умеют и рыбы, и раки, и насекомые. Но способность изменять свой цвет люди заметили раньше всего именно у этой небольшой ящерицы. Заметили-то давно, еще в древности, но прошло много веков, пока поняли, как это происходит. Разгадать, почему хамелеон меняет свой цвет, помог микроскоп, когда научились рассматривать в нем клетки, из которых состоят все организмы.
Мы уже знаем, что клетки бывают самые разные. Есть и такие, которые заведуют окраской. Цвет перьев, кожи и отдельных частей тела зависит от этих клеток. В них находятся зерна красящих веществ, или, на научном языке, зерна пигментов. Поэтому и клетки эти называются пигментными. Они имеют еще и второе название — хроматофоры, что в переводе с греческого языка означает «краску несущие». У разных животных хроматофоры неодинаковы. Они различаются своей формой, размерами, цветом и свойствами пигментов. Но все хроматофоры сильно разветвлены, имеют множество отростков. Каким образом эти клетки управляют цветом?
В одних хроматофорах много пигмента, в других — мало. Ясно, когда его больше, то окраска более яркая. Но дело не только в количестве пигмента. Важно еще, как он расположен в клетке. Пигмент может быть разбросан по всему хроматофору, находиться во всех его разветвлениях, а может быть собран в одну кучку в середине клетки. Пигментные зерна не прикреплены к постоянному месту, они могут перемещаться по хроматофору. Мало того, и сами хроматофоры могут то опускаться в глубь кожи — и тогда кожа бледнеет, то приближаться к ее поверхности — и кожа становится более яркой.
Но ведь у хамелеона меняется не только яркость окраски кожи, а и цвет ее. Это происходит из-за того, что в хроматофорах хамелеона имеются разного цвета пигментные зерна. Сидит хамелеон в зеленой траве — хроматофоры с зеленым пигментом поднимаются на поверхность кожи, а с пигментами других цветов лежат в глубине. Влез хамелеон на ствол — и клетки с зеленым пигментом начинают спускаться в глубину кожи, а к поверхности устремляются хроматофоры с коричневым красящим веществом.
Изменять окраску могут, как мы уже говорили, не только хамелеоны. Просто хамелеон больше всех других этим прославился.
А вот о насекомом, которого зовут палочник, мало кто знает, что он меняет цвет при изменении температуры. При температуре воздуха плюс 15° палочник черного цвета, с повышением температуры он светлеет и при 25° становится зеленым.
Какая польза палочнику становиться более светлым, когда теплеет? Да такая же, как нам от светлой одежды в жару,— в ней не так жарко, она меньше поглощает солнечной энергии, чем темная.
Изменения окраски бывают очень сложными. Есть крабы, которые могут приобретать четыре разных цвета: на черном фоне они черные, на белом — белые, на красном — красные, на желтом — желтые. А некоторые раки приспосабливаются не только к разным цветам, но даже к их оттенкам.
Окраску под цвет фона выгодно принимать малоподвижным животным: они не могут быстро убежать от опасности или быстро погнаться за добычей.
Рыба камбала, которая лежит на дне моря, может менять свою окраску на красном, зеленом, желтом и синем фоне. Более того, камбала подражает не только цвету, но даже рисунку. На песчаном дне она одноцветная, на галечном становится рябой и неотличимой от гальки.
Камбалу можно заставить приобрести совсем необычный для нее рисунок. Для этого рыбу надо поместить... на шахматную доску. Тогда на ее коже возникают такие же чередующиеся светлые и темные участки, как и квадраты на доске.
Камбала явно перещеголяла хамелеона!
Особое влияние на хроматофоры у разных животных оказывает свет. Ученые установили, что обычно свет сначала действует на глаза животного. Если хамелеону или камбале залепить глаза воском, то они перестают изменять свой цвет при изменении цвета фона, на котором они находятся.
Способность изменять цвет теряется у животного и при повреждении у него зрительного нерва. Значит, свет через глаза действует на нервную систему и только через нее уже на хроматофоры. От мозга к хромато- форам идут нервы. По ним поступают сигналы: «Изменить форму и расположение хроматофор».
После такой команды на коже камбалы появляется рисунок, который она увидела.
СВЕТИТ, НО НЕ ГРЕЕТ
огда приходится идти в темноте, то фонарик всегда кстати. С ним и тропинку найдешь, и встречного разглядишь. Фонарики имеются и у животных. Название жуков — светляки — говорит само за себя. Искорки, вспыхивающие летними вечерами в темноте и мелькающие в воздухе,— это свет от фонариков светляков. Чтобы увидеть эти фонарики, не обязательно поймать испускающего свет жука. Они видны и у несветящегося светляка. Их можно рассмотреть даже у мертвого, высушенного жука, который наколот на булавку в коллекции. На нижней стороне брюшка выделяется прозрачное место. Вот здесь-то, под тонкой пленкой, и находится фонарик светляка — его светящийся орган. Конечно, светится он только у живых насекомых.
Как всякий орган, фонарик состоит из отдельных клеток. Клетки эти не похожи ни на какие другие. Дело в том, что в клетках светящегося органа имеются два вещества — люциферин и люцифераза. Названия их происходят от слова «люцифер», что по- латыни значит «носитель света». Когда эти вещества соединяются, возникает свечение. Для этого в клетках должен быть кислород. Вот почему к светящимся органам подходит так много дыхательных трубочек с находящимся в них воздухом. Они густо оплетают клетки светящегося органа и отдают им кислород. На солнечном свету свечение фонарика светляка совсем не видно. Но если светляка поместить днем в темное помещение, то он там светит. Может быть, фонарик непрерывно «горит» и просто на ярком свету его свечение незаметно? А может быть, он засветился, когда жук оказался в темноте? Чтобы ответить на эти вопросы, ученые ставили опыты. Они попробовали в темном помещении освещать только голову жука. Тогда фонарик, светившийся в темноте, пока и вокруг головы было темно, угасал. Когда, наоборот, освещали только туловище жука, а голова его была в темноте, фонарик включался. Значит, включение и выключение фонарика у светляка связано со зрением. Через глаза свет влияет на нервную систему светляка, а через нее уже на клетки светящегося органа. Сигнал от нервной системы к включению фонарика приходит только в темноте!
Среди сухопутных животных очень мало светящихся. В основном это разные жуки. А вот среди обитателей морей и океанов свечение очень распространено. Светящиеся животные чаще живут на большой глубине, куда не доходит солнечный свет. Там светятся черви, моллюски, но особенно много светящихся рыб.
У многих животных светящиеся органы состоят не только из светящихся клеток, но и из таких, которые поглощают и отражают свет или же преломляют его. Такие сложно устроенные органы свечения скорее похожи не на фонарики, а на прожекторы.
Но светиться можно и не имея своих собственных светящихся органов — за чужой счет. Это бывает у многих животных, на теле которых живут светящиеся микроорганизмы. С ними животное светится непрерывно: оно ведь не может заставить микроорганизмы светиться по своему желанию. Но, как вы сейчас узнаете, бывают и исключения.
Рыба-фонареглаз свои светящиеся органы с бактериями может прикрывать специальной кожной шторкой вроде века. Надо включить свет — шторка открывается. Фонареглаз «мигает» своими фонариками и этим привлекает добычу. А у рыбы-удильщика один-единственный ее фонарик находится не на теле, а на конце своеобразной удочки, растущей от лба. Этот фонарик со светящимися бактериями рыба может зажигать и гасить по своему усмотрению — расширяя или сжимая подходящие к нему кровеносные сосуды. Сам «рыболов» висит в воде почти без движения и лишь изредка подергивает удочкой со светящейся приманкой. Ее свет привлекает других рыб и рачков. За свое любопытство они платят жизнью: стоит им только приблизиться к фонарику, как рыба-удильщик заглатывает добычу.
Свечение глубоководные животные используют, вероятно, по-разному. Можно думать, что при помощи своих фонариков они различают в темноте, что происходит вокруг. Фонарики используются, наверно, и для привлечения добычи, как это делает рыба- удильщик. Свечение может служить и сигналом предостережения: «Внимание! Опасность близка!»
Мы пишем «вероятно... можно думать... наверно...», потому что пока это еще только предположения ученых о пользе свечения глубоководных животных. В будущих подводных лабораториях проведут специальные наблюдения, поставят опыты на светящихся животных. Но это в будущем. А пока с достоверностью известно только о значении фонариков светляков. Это и понятно. Ведь исследования намного проще проводить на сухопутных животных.
Оказалось, что свет необходим светлякам, чтобы находить друг друга. Вспышки света у жуков разных видов различаются по частоте, длительности, цвету. Жуки знают и помнят свои вспышки. В брачный период самка отвечает только на сигнал самца своего вида.
Светляки испускают холодный свет: при свечении клеток их светящихся органов почти вся энергия превращается в световую. Значит, фонарик светляка гораздо экономичнее, чем электрическая лампочка, большая часть энергии которой идет совсем не по назначению — превращается в тепловую.
Проводя одним светляком по строчкам книги, можно читать в темноте!
ЛОВКО УСТРОИЛИСЬ
акие только приспособления не имеют животные для собственной защиты и нападения на свою добычу! Острые когти и мощные зубы, сильные лапы и отвратительные запахи, устрашающие позы и маскировочная окраска...
Оказывается, что обязанности защиты и нападения могут выполнять не только органы, состоящие из тысяч клеток, а и отдельные клетки.
Трудно себе представить, как микроскопические клетки успешно действуют в одиночку. Такие клетки имеются в теле гидры. Впрочем, «тело» — громко сказано: гидра длиной всего около одного сантиметра. Живя в озерах и прудах, она не плавает, а ведет сидячий образ жизни. То есть просто- напросто прикрепляется к водным растениям. Трудно ей приходится: как защитить себя и как поймать добычу? Ведь гидра не может ни уплыть от преследователя, ни погнаться за добычей.
Вот тут-то и приходят на помощь особые клетки, не похожие ни на какие другие. Внутри этих клеток содержатся стрекательные капсулы с ядовитым секретом и со свернутой в спираль нитью. А на поверхности клеток имеется вырост — волосок. Прикосновение к нему вызывает «взрыв»: нить выворачивается из стрекательной капсулы и распрямляется, как стрела. К тому же она усажена еще обращенными назад шипами, удерживающими ее в теле жертвы. Уколы нитей настолько ядовиты, что вызывают у мелких животных паралич. Такие клетки получили название «стрекательные». Особенно много стрекательных клеток на щупальцах гидры, где они образуют целые стрекательные батареи. Это и понятно — ведь именно щупальцами захватывает гидра свою добычу.
Некоторые медузы тоже обладают стрекательными клетками, и их ожоги могут причинять неприятности купающимся. Из-за этого приходится иногда на длительный срок закрывать для купания обширные пляжи Австралии. Медузы, живущие в морях нашей страны, вызывают лишь ожоги, не сильнее ожогов крапивы. Кстати, стрекательные клетки иногда и называют крапивными.
Стрекательные клетки есть и у живущих в воде ресничных червей, которые, как гидры и медузы, мгновенно поражают свою жертву выбрасывающейся нитью.
Тут надо сказать, что гидра и медуза довольно близкие родственники, а вот черви им совсем не родня. И поэтому было несколько удивительно, что такие необычайные клетки имеются у столь различных животных. Еще более странным казалось то, что у червей никогда не бывает молодых стрекательных клеток. У гидры и медузы всегда можно найти стрекательные клетки на разных стадиях развития. Но у червей при самых тщательных поисках находили только полностью готовые стрекательные клетки. Как же они образуются?
Тайна происхождения этих клеток у червей все же была раскрыта. Выяснилось, что черви присваивают себе чужие клетки! Кого и как обкрадывают черви? Ученые расследовали эту детективную историю. Законными владельцами стрекательных клеток оказались гидры, которых едят черви. Мы знаем, что любая пища переваривается, кроме отбросов, от нее ничего не остается. Значит, и гидра, попадая в кишечник червя, должна в нем перевариться. Так и есть: вся гидра переваривается, за исключением стрекательных клеток. Они-то остаются целы и невредимы. Мало того, они проделывают фантастический путь по телу червя.
Сначала стрекательные клетки гидры попадают в клетки кишечника червя. Они благополучно проходят через них и входят в другие клетки, которые не только сами путешествуют по телу червя, но и переносят в себе стрекательные клетки гидры.
Клетки-переносчики доставляют стрекательные клетки на поверхность тела червя, где они устанавливаются, как у гидры, волоском наружу. И здесь стрекательные клетки приступают к выполнению своих обязанностей. Роль защитников и нападающих они выполняют одинаково и у гидры, и у червя. Им безразлично, где действовать.
Что же будет, если черви перестанут питаться гидрами? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые поставили опыты. Они содержали несколько поколений червей на «безгидровой» диете. Не получая с пищей гидр, черви и не имели стрекательных клеток. Интересно, что когда червям дают вдоволь гидр, то сначала они едят их охотно. Но когда в теле червя накапливается достаточно стрекательных клеток, черви отказываются питаться гидрами: сыты, мол, по горло!
Выходит, что за чужой счет можно не только светиться (о чем говорилось в предыдущем рассказе), но и становиться обладателями клеток, выполняющих роль защиты и нападения. Однако не следует думать, что лишь ресничные черви присваивают себе чужие клетки. Оказывается, что и некоторые моллюски способны это проделывать. Поэтому стрекательные клетки таких животных называют клептокниднями; по-гречески «клепто» — «ворую», «книде» — «крапива ».
Ловко устроились!
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. О движении клеток в определенном направлении, о клетках — блюстителях порядка и пожирателях микробов
КУДА ПОПЛЫВЕТ ИНФУЗОРИЯ?
аждый неоднократно видел, как летят на свет ночные бабочки и как комары отлетают от сетки, смоченной диметилфталатом. Одних привлекает свет, других отпугивает запах. Ничего удивительного в этом мы не находим. Ведь они видят, нюхают. У них есть специальные органы зрения и обоняния — глаза и усики, которые воспринимают световые раздражения и чувствительны к химическим веществам.
Гораздо удивительней, что к чему- то приближаются или, наоборот, от чего-то удаляются и организмы, состоящие всего из одной-единственной клетки, а также отдельные клетки, входящие в состав многоклеточных. Именно об этом здесь и будет говориться. То есть речь пойдет о таксисах. На греческом языке это слово означает «порядок», «расположение». Поэтому и назвали так клеточные движения под влиянием света, пахучих веществ или каких-либо других раздражителей. Если раздражителем является свет, то движение в его сторону или в противоположную носит название фототаксис, если химическое вещество — хемотаксис, температура — термотаксис, электрический ток — гальванотаксис... Названия таксисов можно без конца перечислять. В общем, в зависимости от природы раздражителя существует множество таксисов.
Обо всех, конечно, рассказать невозможно.
Прежде всего надо сказать, что ученые договорились называть движение по направлению к раздражителю положительным таксисом, а от него — отрицательным. В первом случае о раздражителе говорят, что он аттрактант (в переводе с латинского «притяжение»), во втором — что он репеллент (в переводе с латинского «отталкивающий»). Вот почему на пузырьках с жидкостью, предохраняющей от укусов комаров, часто бывает надпись: «Репеллент».
Теперь, когда вы узнали и запомнили все эти названия, можно начать рассказывать о таксисах одноклеточных организмов. В рассказе об операциях на клетках мы уже говорили о таких клетках-организмах.
Всегда, когда имеешь дело с живыми организмами, все не так-то просто. Сейчас вы увидите, что и с таксисами не легко разобраться. Во-первых, один и тот же раздражитель для одних видов может быть аттрактантом, а для других — репеллентом. Так, одноклеточная эвглена всегда стремится двигаться к источнику света. Значит, у нее положительный фототаксис, и свет, следовательно, является для нее аттрактантом. А инфузория-трубач старается подальше уплыть от света. У этой инфузории отрицательный фототаксис, и свет для нее — репеллент. Во-вторых, оказывается, не всегда это можно утверждать так определенно. Потому что один и тот же раздражитель даже у одного и того же вида может вызывать и положительный, и отрицательный таксис. Например, фототаксис при слабой интенсивности света может быть положительным, при значительной — отрицательным, а при средней и вовсе не проявляться. Отрицательный гальванотаксис (отрицательным условились считать гальванотаксис, когда движение осуществляется в сторону катода) у инфузории-туфельки при возрастании силы тока становится положительным — туфелька начинает плыть к аноду. А уж с термотаксисом у этой инфузории совсем сложно обстоит дело.
Если туфелек поместить в горизонтальную трубку, вдоль которой температура разная, начиная от плюс 40°С на одном ее конце и кончая плюс 15°С на другом,— то через некоторое время все инфузории скопятся в том месте трубки, где температура плюс 26—27°. Здесь для них, видимо, самое приятное место: ни жарко, ни холодно. Вот и выходит, что у туфелек, которые находились в трубке при температуре ниже плюс 26°,— положительный термотаксис, а у тех, которые были, где температура выше плюс 27°,— отрицательный.
Таксисы имеют большое значение в жизни одноклеточных организмов. С их помощью они отыскивают пищу, уходят из участков, менее благоприятных для их существования, в места с более подходящими условиями обитания: где светлее или темнее, холоднее или теплее, больше или меньше кислорода, где посуше или повлажнее. Благодаря таксисам они находят особей своего вида и удаляются от вредоносных воздействий. О таксисе лейкоцитов — отдельных клеток многоклеточных организмов — будет рассказано дальше.
ШИПЫ С КУСТА РОЗЫ
уществует множество легенд о внезапных открытиях. Стоило будто бы Ньютону увидеть падение яблока, как появился закон всемирного тяготения. Достаточно было попасть в комнату Флемминга плесени, из-за которой погибли растущие у него в специальных чашках микробы, и человечество получило целебный пенициллин... Но так ли открытия неожиданны и случайны? Ведь нет человека, который бы не видел падающего с дерева яблока. А плесень, наверно, много раз портила опыты ученых. Но почему-то на этот раз те же события привели к выдающимся открытиям.
На самом деле каждое открытие готовится многолетними работами ученого. Оно подготавливается сотнями опытов, чтением многих книг, бессонными ночами... Требуется сопоставить разные явления природы, обдумать все, что уже сделано другими исследователями. Иногда кажется, что не хватает самой малости. Но без этой «малости» не появляется открытие. А потом оно возникает «вдруг», случайно.
Об одном таком, казалось бы, случайном открытии мы здесь расскажем. Сделал его замечательный русский ученый Илья Ильич Мечников еще в прошлом веке, в конце 1882 года или в самом начале 1883 года. Это оказалось возможным установить благодаря новогодней елке. Впрочем, как вы узнаете дальше, это была необычная елка.
С осени 1882 года до весны следующего года уже известный к тому времени 37-летний зоолог Мечников жил в Италии. Он снимал домик с маленьким садом на берегу Мессинского пролива. В море здесь было полно всякой живности, необходимой для его исследований. Работал Илья Ильич всегда очень много — по 10—12 часов в сутки, без отдыха в воскресные и праздничные дни. Мечников не любил ходить в гости, избегал званых обедов и постоянно отказывался от всяких развлечений. Так было и на этот раз, когда его жена со своими младшими братьями и сестрами отправились в цирк смотреть дрессированных обезьян. Илья Ильич остался дома один и, по своему обыкновению, смотрел в микроскоп.
На этот раз он наблюдал за личинками морских звезд. Они прозрачны, как вода, и поэтому хорошо видно, что внутри них происходит. У этих личинок нет крови, а значит, и нет сосудов, по которым она движется. Но зато у них есть подвижные клетки. Они блуждают по всему телу личинки. Когда Мечников вводил в личинку красную краску кармин, то эти клетки захватывали зернышки порошка кармина и окрашивались в красный цвет. Мечников подумал: если эти клетки поглощают краску, то, может быть, они также поглощают любые посторонние вещества? Может, они выполняют в организме защитную роль? Он предположил, что клетки двигаются, чтобы противостоять вредным воздействиям. Эти соображения очень взволновали ученого. Он не находил себе места. Если его предположение правильно, то заноза, вставленная в тело личинки морской звезды, должна быть за короткое время окружена подошедшими к ней блуждающими клетками.
Это надо было немедленно проверить! Но что использовать в качестве занозы, чтобы не повредить нежную личинку? Мечников ходил по саду, думая о проверке своего предположения. И тут ему бросилось в глаза мандариновое дерево, наряженное как рождественская елка. А рядом рос куст розы. Мечников сорвал с него несколько шипов и вставил их в личинку. Всю ночь Мечников не спал, с нетерпением ожидая результатов. А на следующий день, рано утром, он увидел, что шипы действительно окружены подвижными клетками. Его предположение оправдалось!
Илья Ильич назвал эти подвижные клетки фагоцитами, что в переводе с греческого означает «клетки-пожиратели». Эти клетки прямо-таки пожирают — фагоцитируют — посторонние частички, будь то простая заноза или болезнетворные микробы. Происходит фагоцитоз — захват фагоцитами разных частиц. Потом Мечников наблюдал фагоцитоз у рачков, лягушек, черепах, ящериц, а также у млекопитающих — морских свинок, кроликов, крыс и у человека.
Опыт на личинках морских звезд положил начало учению Мечникова о фагоцитозе, которому он посвятил последующие двадцать пять лет своей жизни.
ЧИСТОТА И ПОРЯДОК
е только в школе, дома и на улице требуется уборка. Чистота и порядок необходимы везде. Они должны соблюдаться и в организме.
На первый взгляд может показаться странным, о какой уборке в организме может идти речь. Какие посторонние частички попадают в организм и что за беспорядки могут быть у клеток? Но, подумав немного, можно ответить на эти вопросы. Пыль и даже мелкие кусочки угля заносятся вместе с вдыхаемым воздухом. А сколько заноз было у каждого из нас, и не сосчитать! Что касается беспорядка среди клеток... Он возникает при ушибе, царапине.
В организме чистоту и порядок соблюдают специальные клетки — фагоциты, о которых уже говорилось в предыдущем рассказе. Но стать таким блюстителем порядка может не любая клетка, а лишь лейкоциты — белые кровяные клетки и еще некоторые клетки соединительной ткани. Здесь надо сказать, что среди лейкоцитов различаются две основные группы. К первой, наиболее многочисленной, относятся лейкоциты, ядра которых состоят из нескольких долек. Ко второй — клетки с круглыми ядрами. Первые — это и есть собственно лейкоциты, вторые — это лимфоциты. Мечников показал, что именно лейкоциты первой группы являются фагоцитами. О лимфоцитах речь пойдет дальше.
Если в организме что-то не так, фагоциты тут как тут. Они бросаются наводить порядок, ловить и выкидывать из организма все ненужное. Но как же они делают это? Прежде всего, как они передвигаются? НоЖками, но непостоянными. То в одном месте клетки выступает ножка, и клетка как бы переливается за ней. То в другом месте возникает другая ножка, и опять клетка продвигается. Это так называемые ложноножки, или псевдоподии. Пусть и ложные, но с их помощью можно двигаться в определенном направлении. Ложноножками передвигались и клетки личинок морских звезд, за которыми наблюдал Мечников, когда они двигались к шипам розы. Точно так двигаются и амебы — микроскопические организмы, состоящие всего-навсего из одной клетки. Поэтому такое движение и стали называть амебоидным, а клетки с амебоидным движением — амебоцитами. У личинок морских звезд амебоциты, как уже говорилось, блуждают по всему телу, а у высших животных и у человека они циркулируют по сосудам, являясь частью крови. Лейкоциты, как амебы и амебоциты, с помощью ложноножек двигаются к посторонним частичкам. Они не всегда ограничиваются окружением; подойдя совсем близко к посторонней частичке, они могут втащить ее в себя и переварить. Клетки-пожиратели — фагоциты — поглощают не только посторонние мелкие частички, которые случайно попали в организм, но и удаляют из организма погибшие клетки — «клеточные трупы».
Кроме того, фагоциты следят, чтобы клетки находились там, где им положено. Вот красным кровяным клеткам — эритроцитам — надо двигаться по сосудам. Но если сосуд лопается и эритроциты из него выпадают, это уже не порядок. Вне сосудов они чужие. Их необходимо убрать, очистить от них этот участок. И фагоциты без промедления приступают к своим обязанностям. Те, что оказались вблизи, первыми достигают эритроцитов. За ними следуют более отдаленные. Заработали ложноножки. Скорей, скорей! Лейкоциты, которые раньше мирно текли по сосудам с эритроцитами, теперь выходят из неповрежденных сосудов и поглощают своих бывших соседей. О том, как «выкарабкиваются» лейкоциты из сосудов, вы узнаете дальше.
Вплотную подходят фагоциты к тому, что им надо убрать. Но как попасть внутрь фагоцита кусочку угля или мертвой клетке? Ведь сквозь его оболочку не пройти. Она, правда, не сплошная, в ней, как и в оболочках всех клеток, имеются кое-где отверстия, но они в тысячи раз мельче поглощаемых частичек. Их можно увидеть только в электронном микроскопе. Через них не смогут пролезть даже совсем маленькие частички. Вход в клетку надежно закрыт. Как же внутри фагоцита оказываются целые клетки или довольно крупные по сравнению с ним обломки клетки и разные посторонниечастички?
Как только поглощаемая частичка коснется фагоцита, ее сразу окружают ложноножки. Они будто ковшом захватывают ее. Постепенно ложноножки удлиняются и полностью смыкаются над нею. Все. Теперь никуда не денется!
В фагоцит можно попасть и другим путем. Постороннее тело в него иногда как бы вдавливается. Но и в этом случае над ним все равно сомкнутся свободные края фагоцита. Вот так и оказывается внутри фагоцита частичка почти с него величиной.
Клетки многоклеточных организмов не переваривают пищу внутри себя, как это происходит у клетки- организма амебы. Она переваривается у них в пищеварительном канале, и клетки всасывают уже готовые питательные растворы. Фагоциты — исключительные клетки: в них самих может происходить переваривание. Но оно нужно им не для питания, как у амебы, а только для защиты организма. Ну а если в фагоцит попадет что-нибудь несъедобное, например частичка угля, то он, разумеется, не может ее переварить. Но и в этом случае фагоцит защищает организм, изолируя частичку от остальных клеток. Фагоциты, заполненные непереваренными частичками, путешествуют по организму и, в конце концов, удаляются из него.
Благодаря фагоцитозу в организме поддерживается чистота и порядок. Кроме того, с его помощью идет и охота за микробами.
ОХОТНИКИ ЗА МИКРОБАМИ
ыло время, когда не только не знали, как бороться с микробами, но даже не подозревали об их существовании. Самым первым охотником за микробами был голландец Антоний ван Левенгук. Он достиг небывалого совершенства в искусстве шлифования оптических стекол. Это было его увлечением, его страстью. Левенгук, не окончивший даже школы, делал линзы лучше самых прославленных мастеров этого ремесла. Изо дня в день. Из года в год. Два десятилетия он изготовлял линзы и наводил их на все, что попадалось под руку. Жало пчелы, чешуйки собственной кожи, глаза быка, волосы овцы и многое другое рассматривал Левенгук сквозь увеличительные стекла. Он научился изготовлять линзы, которые давали увеличение в 300 раз. Это превосходило увеличение существовавших тогда микроскопов в 20—60 раз.
Такие линзы дали возможность Левенгуку обнаружить новый мир живых существ. В воздухе, в капле лужи, в пище, в организме животных и человека — повсюду Левенгук находил мельчайшие живые существа, которые невозможно увидеть простым глазом. Более трехсот лет тому назад, в 1674 году, в письмах в Лондонское королевское общество Левенгук сообщал об открывшемся перед ним мире: «Зрелище это я наблюдал с жадностью и ненасытностью». Настойчивость и труд обеспечили успех наблюдений Левенгука. Описания, которые он делал, отличались безукоризненной точностью.
Сам Левенгук ни разу не высказал мнения о возможной вредности открытых им существ, хотя он видел их и в питьевой воде, и во рту, и в кишечнике... Но открытия Левенгука помогли другим исследователям установить, что тысячи видов микроорганизмов — микробы — являются возбудителями разных болезней. Попадая в организм животного или человека, они заражают его.
Микробы гораздо опаснее таких посторонних частичек, как, допустим, пылинки или угольки. Каждый микроб выделяет вредные, отравляющие вещества. Но в организме есть охотники за микробами. Это — фагоциты. Пока они движутся по сосудам, они только готовятся к предстоящей охоте. Сигнал к началу ее дают сами же микробы.
Помните, в рассказе «Куда поплывет инфузория?» говорилось о хемотаксисе — движении в определенном направлении под влиянием химических веществ? Движение лейкоцитов по направлению к микробам — пример хемотаксиса. Выделяемые микробами яды служат приманкой, аттрактантом для лейкоцитов: по кровяному руслу направляются к месту заражения целые полчища лейкоцитов.
Хемотаксис лейкоцитов изучают и на животных, и на культивируемых лейкоцитах, когда они растут вне организма в питательной среде. Успешно проводится изучение его с использованием микрокиносъемки, когда съемка идет через микроскоп. Таким образом удалось определить, что под влиянием аттрактанта у неподвижного лейкоцита сразу же начинают появляться ложноножки. Причем возникают они на стороне, обращенной к аттрактанту. Значит, лейкоцит обнаруживает разницу в содержании аттрактанта по обеим сторонам своего тела, то есть на расстоянии примерно 10—20 микрометров (напомним, что один микрометр — это тысячная доля миллиметра). Теперь доказано, что у лейкоцитов есть особые чувствительные центры, которые связывают продукты выделения бактерий — главных аттрактантов лейкоцитов. Что собой представляют такие центры, пока неизвестно.
Двигающимся по сосудам лейкоцитам не так просто выйти сквозь их стенки. Вот тут-то как нельзя кстати оказывается форма их ядер. Ведь по узким межклеточным пространствам гораздо легче пролезать лейкоцитам, ядра которых состоят из отдельных долек, соединенных тончайшими перемычками. Вот и протискивается одна долька, за ней другая, как мы пролезаем через дырку в заборе.
Вышедшие из сосудов лейкоциты готовы к фагоцитозу — к поглощению микробов и к последующему их перевариванию. Мечников назвал их микрофагами: «микро» — «малый», а «фагос» в переводе с греческого — «пожирающий».
Не только постоянно двигающиеся лейкоциты, микрофаги, но и некоторые вполне оседлые клетки соединительной ткани разных органов могут становиться фагоцитами. Одни из них, как только организму угрожает опасность, прекращают свою оседлую жизнь и с помощью ложноножек спешат к опасным участкам, например к месту воспаления, вызванного механическим повреждением, химическим веществом или микробами. Другие же остаются на своих обычных местах. Тех и других объединяет их общее свойство — способность к фагоцитозу. Эти тканевые фагоциты почти в два раза крупнее микрофагов (диаметр микрофагов 5—8 мкм, а макрофагов 15—20 мкм). Поэтому Мечников и назвал их макрофагами: «макрос» в переводе с греческого — «большой». Особенно много макрофагов в селезенке, печени, лимфатических узлах, костном мозге и в стенках сосудов. Микрофаги и «блуждающие» макрофаги сами активно нападают на «врагов», а неподвижные макрофаги ждут, пока «враг» проплывет мимо них в токе крови или лимфы.
Однако не следует думать, что фагоциты участвуют только в ликвидации каких-то болезненных явлений. Совсем нет! Они тут как тут и при закономерных перестройках в организме, не связанных с болезнью. Особенно заметна их роль при превращении головастика в лягушонка, когда, наряду с другими изменениями, постепенно исчезает хвост. Именно фагоциты уничтожают ткани длиннющего хвоста, направляясь к нему целыми полчищами.
Особенно важна для организма охота фагоцитов за микробами. Чем энергичнее работают фагоциты, тем успешней борется организм с заболеваниями. Микробы очень быстро размножаются. Иногда их становится так много, что фагоциты не в состоянии с ними справиться. Случается, что фагоциты поглотили всех микробов, но не могут их переварить. Более того, микробы могут продолжать размножаться внутри фагоцитов и даже переноситься вместе с ними в другие места организма. Бывает, что погибают и сами охотники. В неравной борьбе с микробами они оказываются побежденными. Гной — это и есть скопление погибших фагоцитов. К нему подойдут другие фагоциты и начнут заниматься уборкой до восстановления полного порядка.
Мечников предполагал, что в фагоцитах должны содержаться специальные вещества, с помощью которых идет переваривание захваченных ими частиц. И действительно, через семьдесят лет после открытия Мечникова в клетках были обнаружены «мешочки», содержащие такие вещества. Назвали их «лизосомы» — от греческих слов, означающих «растворение» и «тело». В них находится свыше сорока различных ферментов, способных расщеплять все классы биологически активных соединений — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды. Увидеть лизосомы можно лишь под электронным микроскопом.
Наука все время развивается. Она пополняется новыми научными фактами. Теперь доказано, что, помимо фагоцитоза, имеется и другой способ защиты.
ЗАЩИЩАЮЩИЕ НАС НЕВИДИМКИ
округ нас кишмя кишат различные микробы. Они поистине вездесущи.
Их великое множество в воздухе, которым мы дышим, в воде, которую мы пьем, в пище, которую мы едим. Мы постоянно сталкиваемся и с разными вирусами, и с химическими соединениями. Многие из них могли бы принести вред, если бы защитные силы организма не боролись с ними.
Здоровье организма зависит от быстрого распознавания проникшего в него «чужого» — так называемого антигена — и от скорейшего его разрушения, освобождения от него. Умение организма узнавать антигены и разрушать их называется иммунитетом (от латинского «иммунитас» — освобождение от чего-либо), а наука, изучающая его,— иммунологией.
Зарождение иммунологии можно отнести к 1778 году, когда английский врач Э. Дженнер сделал противооспенную прививку, использовав для этого нанесение на кожу человека «корочек» от оспинок больных коров.
Почти через сто лет, в 1881 году, французский ученый Л. Пастер предложил общий принцип предохранительных прививок от инфекционных болезней с помощью введения в организм ослабленных микробов. Иначе говоря, если снизить способность микробов вызывать ту или иную болезнь, то они не только не будут вызывать ее, но и смогут от нее защитить.
Но каким образом уничтожаются попавшие в организм микробы, до открытия Мечниковым фагоцитоза не знали. От его открытия, по существу, и началась иммунология.
Еще при жизни Мечникова некоторые ученые выступали против его фагоцитарной теории. Они полагали, что иммунитет осуществляется какими-то неизвестными веществами, содержащимися в крови и лимфе, без участия клеток. Это так называемая гуморальная теория (от греческого «гумор» — «жидкость»).
Особенно отстаивал такую точку зрения немецкий врач П. Эрлих. Он использовал в своих опытах яды растительного происхождения, смертельные в определенных количествах для мышей. Оказалось, что при введении этих ядов сначала в маленьких дозах, а потом во все больших количествах происходит «привыкание» к ним животных. В крови таких подготовленных мышей образуется антивещество, то есть вещество против введенного яда. Доказывалось это совсем просто: неподготовленным мышам вводили сыворотку крови от подготовленных, или иммунизированных, животных. И тогда они становились столь же устойчивыми к смертельным дозам яда, как и подготовленные мыши. Эрлих показал, что содержащиеся в сыворотке вещества действуют лишь на тот яд, против которого они образовались. Он назвал их антителами. Мечников считал, что антитела фагоцитарного происхождения и что теория Эрлиха не противоречит его взглядам. В 1908 году Мечников и Эрлих получили за свои работы Нобелевскую премию.
Последующее развитие иммунологии показало, что оба ученых в чем- то были правы, а в чем-то заблуждались. Их представления об иммунитете не противоречили, а дополняли друг друга.
Теперь мы расскажем, как сейчас рассматривается иммунитет.
В рассказе «Чистота и порядок» упоминались лимфоциты. Долгое время ничего не было известно об их роли в организме. Лишь сравнительно недавно — в шестидесятые годы нашего столетия — доказали, что именно лимфоциты вырабатывают защитные белки против всего «чужого», те самые антитела, которые обезвреживают чужеродные вещества — антигены. Антигенами являются микробы и вирусы, чужие клетки и даже молекулы. Антигенность присуща не только белкам, но и другим сложным веществам с крупными молекулами. Иммунная система узнает антиген по характерным для него участкам на поверхности молекулы или клеточной оболочки, с которыми и соединяются антитела.
Что же такое антитела?
Антитела — это особые белки. Их называют иммуноглобулинами. Они составляют около одного процента массы крови. В одном литре крови содержится десять граммов иммуноглобулинов. Это 5х1020 молекул (то есть 500 000 000 000 000 000 000!), каждая из которых может соединиться с антигеном и обезвредить его. При попадании в организм бактерий брюшного тифа возникают антитела только против них, а против возбудителей холеры — совсем другие антитела. Противотифозные антитела не трогают возбудителей холеры, а противохолерные борются лишь с холерным микробом.
Иммуноглобулины часто сравнивают с замками, к каждому из которых подходит только один ключ — один антиген. Ключ входит в замок и надежно удерживается в нем. Поэтому антитела так же разнообразны, как и антигены, которые могут попасть в организм. Сейчас насчитывают около десяти тысяч различных иммуноглобулинов, объединяя их в пять классов.
Вырабатывают антитела, как уже говорилось, лимфоциты. В крови человека циркулирует тридцать — сорок миллиардов различных лимфоцитов. Все они образуются из кровяных стволовых клеток костного мозга, но окончательно дозревают в разных органах лимфатической системы.
Хотя все лимфоциты по внешнему виду одинаковы, но выполняют они разные обязанности: одни являются предшественниками клеток, образующих антитела, другие дают сигналы для начала их синтеза. Но сигнала не последует, если антиген не будет прежде захвачен макрофагом. Тем самым макрофагом, который был открыт Мечниковым. Макрофаг участвует в борьбе с «чужим» не только при фагоцитозе, но и при выработке антител.
Так происходит при попадании в организм инфекции — при инфекционном, или гуморальном, иммунитете, который можно перенести из одного организма в другой с сывороткой крови, содержащей антитела.
Кроме такого иммунитета, существует еще и трансплантационный, с которым врачи давно столкнулись, пытаясь трансплантировать, то есть пересаживать, на обожженный участок взятый от другого человека кусок кожи. Такой кожный лоскут всегда отторгался. То же самое происходило, когда пересаживали любой другой орган — почку, печень или сердце. А ведь как было бы хорошо получить новый орган взамен своего, пришедшего в негодность!
Отторжение органа вызывают не антитела, а особые лимфоциты (конечно, тут как тут и фагоциты, участвующие в разрушении чужеродной ткани). На поверхности этих лимфоцитов имеются специальные участки — рецепторы, которыми они распознают чужие клетки и, нападая на них, вызывают их гибель. Сигнал к действию такие лимфоциты-убийцы получают от присутствия антигена. Это клеточный вид иммунитета, его можно перенести из одного организма в другой с лимфоцитами.
Ни один антиген, попавший в организм, не остается незамеченным. Он неизбежно встречается со «своим» лимфоцитом. При этом происходит активное размножение лимфоцитов, и в результате накапливаются клетки, участвующие в гуморальном или клеточном иммунитете. После первой встречи этот антиген уже знаком иммунной системе, и при повторном попадании в организм иммунный ответ будет более быстрым и более сильным. Иммунные силы «вспоминают» предыдущее столкновение с этим антигеном. В этом состоит иммунная память. Один только раз болеют, например, корью.
К иммунологическим реакциям относится и повышенная реакция организма на антигены, которые обычно не вызывают болезненных явлений,— так называемая аллергия. Многим она, к сожалению, хорошо знакома. Стоит, например, съесть апельсин или клубнику, как появляются отеки, возникает крапивница, затрудняется дыхание.
Оказывается, что при аллергической реакции образуются антитела, отличающиеся по ряду свойств от антител, синтезирующихся при попадании в организм инфекции. Появление таких антител сопровождается выделением биологически активных веществ, которые и приводят к разным изменениям в тканях.
Советские иммунологи пробуют создать препарат, с помощью которого можно было бы отменить выработку аллергических антител и переключить организм на синтез неаллергических антител. На мышах кое-что уже сделано в этом направлении. Так, у них удалось подавить сильную аллергию на яичный белок, если этот аллерген соединить со специально синтезированным полимером. В этом случае их иммунная система отвечает выработкой антител, блокирующих аллергические. Так что, возможно, скоро будут созданы прививки против аллергий у людей.
Если при инфекционном иммунитете важно усилить иммунную систему, то при трансплантационном — наоборот: для успешного приживления органа ее надо ослабить. Но если это удается сделать с помощью лекарств или облучением, то организм оказывается чрезвычайно подвержен инфекциям. Недавно стало известно о новом лекарстве — циклоспорине, которое действует лишь на клетки, вызывающие отторжение органа, но не подавляя при этом инфекционный иммунитет.
Открыли циклосперин в одной швейцарской фармацевтической фирме. Там было заведено, чтобы сотрудники привозили из заграничных поездок горсть земли для опытов по выявлению в ней микроорганизмов, которые можно было бы использовать для получения антибиотиков. При анализе земли из американского штата Висконсин и из Норвегии обнаружили два новых вида плесени, которые и вырабатывали циклоспорин. Применяя его, удалось значительно увеличить число благополучных пересадок, особенно печени и почек.
В нашей стране ведутся работы по получению веществ, влияющих на иммунную систему. Были получены полимеры, усиливающие иммунный ответ и вместе с тем безвредные и легко выделяемые из организма. С их помощью удалось создать искусственные вакцины. Первая в мире такая вакцина была успешно испытана против мышиного тифа. Затем создали противогриппозную вакцину, причем не только на основе природного антигена, выделенного из вируса, но и на основе его синтетической копии.
Сейчас усилия ученых направлены на получение более универсальной вакцины, чтобы соединить с полимером не один, а несколько антигенов и тем самым предотвращать сразу несколько заболеваний.
От решения ряда задач иммунологии зависят удачные пересадки органов, лечение аллергий, предупреждение еще не побежденных инфекций и многое другое, важное для здоровья людей.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. О биологических часах, превращении небылиц в были, о тайнах отращивания лапок, о клетке и урожае, а также о неизбежности в науке «белых пятен»
ВНУТРЕННИЕ ЧАСЫ
рач говорит: — «Надо проверить вечернюю температуру». Казалось бы, зачем ждать до вечера? Не все ли равно, когда поставить термометр? Разве температура нашего тела утром не такая, какой она будет через 6—8 часов? Да, оказывается, не только у больного, но и у совершенно здорового человека температура тела утром всегда ниже, чем вечером. Самая низкая температура тела ночью — между часом ночи и пятью часами утра, затем она несколько повышается, достигая наивысшего значения обычно к 18 часам. Но не только температура тела меняется в течение суток. Дыхание днем и ночью тоже не одинаковое. Сердце бьется в дневное время в более быстром ритме, чем в ночное. Минимальное значение частоты пульса бывает к 4 часам ночи. И не только во время сна, но и при бессоннице. В течение суток закономерно изменяется в крови содержание калия, кальция, натрия и других элементов. Выходит, что в организме есть свои внутренние — биологические — часы, и ход этих часов как-то связан с вращением Земли, со сменой дня и ночи.
Все живые организмы имеют такие биологические часы. Они, как будильник, дают на рассвете сигнал к пробуждению всем дневным животным и, наоборот, указывают ночным, что им пора на дневной отдых. Спозаранку просыпается большинство лесных птиц. А сова, филин и другие ночные птицы только после захода солнца начинают поиски пищи, когда дневные птицы уже угомонятся.
Дети, в школу собирайтесь! Петушок пропел давно.
Попроворней одевайтесь! Смотрит солнышко в окно.
Так начинается стихотворение «Приглашение в школу », которое более ста лет назад написал знаменитый ученый-педагог Константин Дмитриевич Ушинский. В те времена утреннее пение петухов можно было слышать не только в деревне, но и в большом городе. И многим оно заменяло будильник, потому что в большинстве домов тогда не было никаких часов. К петушиному «ку-ка-ре-ку» прислушивались и дети, и взрослые.
Теперь, когда у всех есть часы и радио, никто, конечно, не станет по петухам узнавать время. А о прошлом нам напоминают лишь отдельные выражения. Вы, наверное, слышали, как говорят: «Вставать с петухами» или «Вставать до петухов» — значит, подыматься очень рано. «Проспать петухов» — заспаться, не вовремя проснуться.
Мы привыкли к тому, что петухи поют на рассвете, и не задумываемся, что они сами-то просыпаются в определенный час.
Как же петухи и другие животные узнают, который час? Каким образом они отмеряют время и запоминают его? Именно запоминают, как это видно из опытов с пчелами.
В определенное время суток, с 9 до 11 часов утра, пчелам выставляли кормушки с сахарным сиропом. А в остальные часы кормушки были пустыми. Через несколько дней такого регулярного кормления пчелам устраивали экзамен — проверяли, помнят ли они время, когда их угощают. Пчелы экзамен выдерживали: больше всего насекомых прилетало между 9 и 11 часами. Пчел не удавалось сбить с толку. Пробовали освещать их непрерывно днем и ночью или, наоборот, содержать круглые сутки в полной темноте — пчелы оставались неизменно точными. Их биологические часы не отставали и не спешили, во всех случаях насекомые посещали кормушку в одно и то же время. Пчел можно было приучить прилетать к кормушке в любое время суток: они быстро поддавались дрессировке. Но пчелы могут прилетать только через 24 часа! А вот, например, каждые 17 или 19 часов они не могут научиться отсчитывать. Работа биологических часов связана только с сутками. Эти часы дают пчелам возможность в течение нескольких дней, не вылетая из улья при плохой погоде, помнить время, в которое цветки выделяют нектар.
Где находится механизм, который управляет биологическими часами? Ответ на этот вопрос получили в опытах с тараканами. Эти ночные животные, которые у всех вызывают отвращение, оказались полезными для науки. Сначала подопытным тараканам портили биологические часы. Для этого их держали круглосуточно на свету или в темноте. Через 4—6 дней эти тараканы уже не делили сутки на день, когда они малоподвижны, и на ночь, когда они активно двигаются. Они то быстро бегали, то отдыхали. Путали день и ночь и те тараканы, глаза которых закрашивали черным лаком. Затем опыты усложняли. Брали двух тараканов и хирургическим путем соединяли их так, что один как бы лежал на другом. Кровь их после такой операции смешивалась. При этом верхний таракан был обычный, а нижний — с испорченными биологическими часами. Но через некоторое время после соединения нижний таракан переставал беспорядочно дрыгать ногами: у него восстанавливалась его обычная активность только в ночное время.
Каким же образом происходила починка часов нижнего таракана? Какое влияние оказывал на него соединенный с ним верхний партнер? И на эти вопросы удалось ответить опытным путем. Оказалось, что можно и не соединять двух тараканов, чтобы одному из них исправить его внутренние часы. Достаточно пересадить таракану с испорченными часами клетки от обычного таракана. Но не любые клетки какого попало органа, а только нервные клетки из подглоточного нервного узла. Тогда стало ясно, что именно эти клетки выделяют вещество, которое ведает суточной деятельностью животного. Оно и переносилось кровью из тела верхнего таракана к соединенному с ним нижнему. Образование этого вещества начиналось сразу после наступления темноты. Вскоре после его выделения из нервных клеток и начинала проявляться активность тараканов. Теперь понятно, почему у невидящих тараканов нарушался обычный ритм их жизни,— ведь через глаза передается сигнал к клеткам, вырабатывающим это вещество.
У млекопитающих животных и у человека регуляция внутренних часов происходит значительно сложнее. Клетки, которые заведуют их биологическими часами, находятся в головном мозге. Там как бы главный часовой механизм. А в разных органах и в их клетках имеются свои часы, со своим ходом. Более сотни процессов в теле человека изменяются в течение суток. Мы уже говорили о температуре и дыхании, о работе сердца и составе крови. Ночью понижается память (особенно между 2 и 4 часами), увеличивается число ошибок при решении задач. Мышечная сила человека больше всего с 8 до 12 и с 14 до 17 часов, а с 2 часов ночи до 5 утра и с 12 до 14 часов человек наиболее слаб. Более повышенная работоспособность у человека с 9 до 12—13 часов и с 16 до 18. Утром и днем человек лучше слышит и точнее различает оттенки цветов. Врачи учитывают суточные особенности разных физиологических процессов при взятии для анализов крови, желудочного сока, при проверке слуха и зрения.
Когда биологические часы идут нормально, мы и не замечаем их хода. А вот поломка этих часов дает о себе знать. Ее всегда ощущают люди, которым приходится пересечь временные пояса Земли,— при перелете с запада на восток или, наоборот, с востока на запад. Например, при перелете из Москвы в Хабаровск (разница во времени в этих городах составляет 7 часов) человек испытывает слабость, утомление, желание спать днем и бодрствовать ночью. Эти явления возникают из-за того, что биологические часы и местное время не совпадают. Организм продолжает еще жить по старому времени. Постепенно, обычно в течение двух недель, он привыкает к новому для него распорядку жизни. С этим нельзя не считаться. В течение привыкания к новому биологическому времени не рекомендуются участие спортсменов в соревнованиях, ответственные выступления артистов, ученых, дипломатов. Конечно, можно готовиться заранее к новому зональному времени. Интересно, что перелеты вдоль меридианов — с севера на юг и с юга на север — с теми же скоростями и на такие же расстояния, как и при перелетах в широтном направлении, не оказывают никакого особого влияния на организм человека, на его внутренние часы.
Неисправность внутренних часов чувствуется и при работе с непривычки в другую смену. И в этом случае в течение какого-то срока идет перестройка биологических часов. Вот почему, чтобы человек был здоровым, чтобы его организм работал правильно, не сбивался бы со своего суточного ритма, необходимо соблюдать режим: вовремя ложиться спать, в одно и то же время вставать, в определенные часы есть и делать уроки.
Мы должны внимательно относиться к нашим биологическим часам. Знание их хода важно для выяснения, в какое время суток наиболее чувствительны клетки того или иного органа к действию на них разных веществ, в том числе и лекарств. Не исключено, что лекарство не действует или оказывает незначительное влияние только потому, что его принимают не в те часы. Можно пофантазировать, что в недалеком будущем на коробочке с порошками никого не удивит надпись: «Принимать только с 10 до 12» или наоборот: «Не принимать с 20 часов до 8 часов утра». Изучают суточные ритмы в самых разных направлениях. С развитием космонавтики возникла новая область медицины — космическая медицина. В ее задачи входит и изучение биологических часов. Необходимо знать, в какие часы суток человек лучше переносит различные перегрузки — действие ускорений, недостаток кислорода...
Мы говорили здесь о внутренних, или биологических, часах организма. Конечно, «часы» — это лишь образное выражение. Разумеется, внутри организмов нет прибора, похожего на обычные часы, который служит для измерения времени. Они отсчитывают его благодаря ритмам разных своих процессов. Каким же образом эти процессы оказались связанными с периодом вращения Земли?
Переход от дня к ночи всегда сопровождался рядом изменений: снижалась температура, увеличивалась влажность, менялись давление и интенсивность космических .излучений. Ко всем этим изменениям физических факторов среды приспосабливались организмы. Постепенно у них и закреплялись ритмы, близкие к суточным. По ним и узнают они время. Настроены биологические часы по Солнцу — главным часам природы.
БЫЛИНЫ И НЕБЫЛИЦЫ
дним из подвигов Геракла, героя древнегреческих мифов, было уничтожение девятиглавой гидры, которая обитала в Лернейском болоте. Она пожирала путников и отравляла дыханием все живое. Геракл смело вступил в единоборство с ней. Своим мечом он отрубал одну за другой головы чудовища. Но едва стекала из раны черная кровь, как на месте отрубленной головы вырастали две новые. Только когда огонь факела касался ран, головы не вырастали.
А в русских народных сказках Иван-царевич одолел трехголового змея, хотя у него на месте отрубленной головы появлялись две новые. Откуда брались такие истории? Вероятно, давным-давно люди заметили, что у ящерицы отрастает оторванный хвост, а из половинок дождевого червя образуются два целых червя.
Тяжелые ранения во время сражений вызывали мечты о волшебных исцелениях. Вот и появлялись сказочные истории, разные небылицы.
А может ли действительно на месте отрезанной конечности вырасти новая? Дорастает ли кусочек живого тела до целого организма?
Чтобы ответить на подобные вопросы, недостаточно случайных наблюдений. Необходимо ставить опыты.
Первые опыты по восстановлению частей тела провел французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр. Он был не только зоолог и ботаник, но еще и физик и химик; он изобрел и спиртовой термометр.
Реомюр наблюдал, как на месте отрезанных ног у речного рака вырастают другие. Он ввел в науку новое слово — «регенерация», то есть «возрождение» (от латинской приставки «ре» — «возобновление» и слова «генератио» — «рождение»). Работа Реомюра о регенерации ног у рака была напечатана в 1712 году. Но она прошла незамеченной, и Реомюр прекратил свои исследования.
Только спустя 28 лет швейцарский натуралист Абраам Трамбле продолжил опыты по регенерации.
Существо, на котором он экспериментировал, тогда не имело еще названия. Да и вообще не ясно было, животное это или растение. Оно имело вид полого стебелька, который задним концом прикреплялся к стеклу аквариума или к водным растениям, а на переднем имел щупальца. Когда Трамбле разрезал его на отдельные кусочки, то из каждого из них вырастало целое существо, подобно тому как из черенка растения вырастает целое растение. Но все-таки это было животное, да еще хищное — оно питалось мелкими рачками. А когда Трамбле делал продольные разрезы на переднем конце этого животного, то на месте каждого разреза возникали новые щупальца.
Одним словом, образовывалось многоголовое чудовище, весьма сходное с мифической гидрой, которую победил Геракл, только значительно меньшего размера.
Само собой напрашивалось название для этого существа: гидра. Эта гидра, на которой ставил опыты Трамбле, обладала еще более удивительными особенностями, чем лернейская: она дорастала до целой даже из 1/200 части своего тела. Тело же ее было длиной всего около одного сантиметра.
Быль превзошла сказку! Когда в 1743 году в «Трудах Лондонского королевского общества» были напечатаны описания опытов Трамбле, им просто не поверили, они казались неправдоподобными. И тогда Реомюр выступил в защиту Трамбле и подтвердил достоверность его исследований.
После опытов Трамбле многие ученые в разных странах, в том числе и Реомюр со своими учениками, начали изучать восстановление частей тела у самых различных животных.
Оказалось, что у многих животных отрастают утраченные ими части тела.
Более того, из части тела может восстановиться целое животное.
Если перерезать пополам ресничного червя планарию, то на одной половинке вырастает недостающая голова, а на другой хвост — образуются две обыкновенные планарии. А если на передних и задних концах этого червя сделать продольные надрезы и не давать им срастаться, то на каждом из них вырастут по голове и хвосту — образуется двухголовый и двухвостый червь. Из совсем крошечного кусочка своего тела планария дорастает до червя обычного размера. Даже из 1/280 части образуется целый червь!
Морским звездам не страшно лишиться лучей. У них на месте оторванного луча возникает новый. Да и сам оторванный луч может дорасти до целой звезды.
Как же это происходит? Да так же, как и при обычном росте. Рост недостающих частей также идет за счет быстрого деления клеток. Но одного деления недостаточно, чтобы восстановить утраченную часть тела. Надо еще, чтобы клетки приобрели разные профессии: одни из них должны стать клетками кожи, другие — мышц, третьи — участвовать в пищеварении, четвертые... Значит, чем сложнее устроен организм, тем труднее должна быть у него регенерация утраченных частей.
Чудесные восстановления, подобные тем, что бывают у гидры или морских звезд, происходят только у низкоорганизованных животных. Да и то не у всех. Даже среди близких родственников способность к регенерации бывает различной.
Круглые черви, сравнительно низко организованные животные, крайне слабо регенерируют. А вот кольчатые черви, наиболее высокоорганизованная группа червей, способны восстанавливаться из части тела. Правда, не все. И среди них есть виды, совсем плохо регенерирующие. Вместе с тем многие плоские черви, которые значительно ниже кольчатых по уровню своей организации, вообще не обладают такой способностью. Почему это так? Пока неизвестно.
Во многих научных лабораториях ведутся исследования по регенерации. Ученые выясняют причины восстановления органов, ищут способы превращения небылиц в были.
ТАИНЫ ОТРАСТАНИЯ
ет такого позвоночного животного, у которого из кусочка его тела мог бы вырасти целый организм. В лучшем случае у этих животных отрастают лишь отдельные части тела: у ящериц — хвосты, у рыб — плавники, у птиц — клювы. А вот лапки и даже только пальцы не восстанавливаются ни у лягушек и жаб, ни у птиц и ящериц, ни у млекопитающих. Но странно: у лягушек лапки не отрастают, а у их головастиков отрастают. Правда, не у всех, а только у молодых. Стоит головастикам подрасти, как эта способность у них теряется. Однако у тритонов и саламандр, которые, как лягушки и жабы, являются земноводными, лапки отрастают.
Почему же у одних животных лапки отрастают вновь, а у других нет? В чем тут дело? Пытаясь это понять, ученые стали сравнивать, что происходит в тканях после удаления лапок у тех и других животных. И установили, что у животных, у которых отрастают новые лапки, ткани вокруг образовавшейся раны сильно разрушаются. Их клетки как бы омолаживаются. Они становятся похожими на клетки зародышей, которые еще не приобрели определенной специальности. Такие упрощенные клетки скапливаются около раны и начинают усиленно делиться. Из одной возникают две. После деления этих двух становится уже четыре клетки. Из четырех — восемь... Постепенно строение клеток усложняется. Одни из них становятся клетками кожи, другие — мышц... И в конце концов образуется новая лапка.
У животных, у которых новые лапки не отрастают, ничего подобного не происходит. Рана у них просто заживает — образуется рубец, шрам. Узнав это, ученые решили попробовать разрушать их ткани вокруг раны. Может быть, тогда и у этих животных смогут отрасти новые лапки.
Ткани разрушали разными способами. Обрабатывали поверхность раны кислотами и солями. Облучали ультрафиолетовыми лучами. Кололи иголками. И действительно, разрушение помогло восстановлению. После разрушения тканей лапки восстанавливались и у головастиков «старшего возраста», и у лягушек. Хотя у подопытных ящериц и крысят новые лапки не выросли, но у них на месте старой лапки все же появились выросты с отростками, похожими на пальцы.
Результаты этих исследований очень интересны. Они показали, что можно добиваться восстановления органов. Нужно искать вещества, вызывающие и ускоряющие отрастание. Выяснять, при каких способах удаления органа лучше и быстрее происходит его восстановление.
Опыты ученых на животных помогут врачам лечить людей. Ведь и органы человека подвергаются травмам, разрушаются при некоторых заболеваниях. Иногда людей оперируют, удаляют у них часть поврежденного органа. Каким образом у человека восстанавливаются внутренние органы?
Долгое время думали, что никакой регенерации органов у чело века, как и у млекопитающих животных, не происходит. Ошибочно полагали, что чем сложнее устроен организм, тем способность к регенерации ниже. Ученые считали, что органы у высших организмов восстанавливаются так же, как происходит регенерация кожных ран. На месте раны идет «штопка». Ее делают клетки соединительной ткани. Они устремляются к месту повреждения и выделяют волоконца — ниточки. Переплетаясь, те создают рубец. Поверхность его гладкая, на нем не растут волосы, в нем отсутствуют кожные железы.
Штопка на коже — это полезное приспособление к быстрому закрытию раны. Она предохраняет организм от кровоточения и проникновения инфекции. Поверхность кожи очень большая, и организм может обойтись без ее полноценного кусочка. Но если после удаления части какого-нибудь органа регенерация ограничилась бы образованием рубца, то оставшаяся часть не справилась бы со своими обязанностями.
Действительно, многочисленные опыты показали, что с внутренними органами дело обстоит иначе. Если удалить, например, часть печени, то по краю разреза образуется рубец, сплетенный волокнами соединительнотканных клеток. Клетки печени не заполняют отрезанное место, и прежняя форма органа не восстанавливается. То же самое происходит и с почкой, и с легкими, и с селезенкой. Для того чтобы внутренние органы нормально работали — вырабатывали, выделяли или поглощали какие-то вещества,— совершенно безразлично, какой они формы. Важна величина органа, его масса. Только при определенном количестве клеток орган может выполнять положенную ему работу. И хотя на раневой поверхности печени или другого внутреннего органа новой ткани и не образуется, зато усиленно растет оставшаяся часть органа. Происходит это за счет увеличения количества и размеров клеток в оставшейся части. Для организма важно, чтобы полностью восстановилась работа органа, акаким способом это достигается, значения не имеет.
Наблюдения с помощью электронного микроскопа показали, что восстановление работы поврежденного органа сопровождается увеличением количества внутриклеточных частей. Так, например, после инфаркта отмирает часть сердечной мышцы, и сердечная деятельность восстанавливается за счет увеличения числа внутриклеточных частей, что повышает работоспособность клеток.
Ученые ищут способы заставить регенерировать те части тела, которые в обычных условиях не восстанавливаются. Это касается прежде всего скелетных мышц. Что они могут регенерировать, показали опыты, проведенные на кроликах, крысах и собаках. У этих животных полностью удаляли икроножную мышцу, делали из нее своеобразный фарш — измельчали на мелкие кусочки, не больше миллиметра,— и пересаживали на место удаленной мышцы. Частично кусочки разрушались и рассасывались. Но те, что сохранялись, оказывались способными регенерировать новую мышцу.
Удалось вызвать и регенерацию костей свода черепа. Обычно ранения черепа не зарастают, и мозг оказывается незащищенным. Но когда место дефекта заполнили измельченной костной тканью — костными опилками,— образовалась новая кость. Такие опыты успешно проводили на мышах, крысах и собаках. Причем совершенно не имело значения, из костей какого животного получали опилки. При растворении опилок освобождались какие-то вещества, которые вызывали превращение соединительнотканных клеток, скапливающихся в месте повреждения, в костные клетки. Возможно, не за горами то время, когда данные экспериментов на животных можно будет использовать в медицинской практике.
СВОИ И ЧУЖИЕ
летки обладают удивительным свойством — они умеют узнавать «своих». На клеточной оболочке есть как бы органы чувств. Они и определяют, кто находится рядом. Узнала клетка «свою» — соединяется с ней, опознала «чужую» — не образует с ней связей. Соединение клеток с себе подобными особенно хорошо наблюдать на губках. Эти довольно- таки просто устроенные животные восстанавливают свое тело из распавшихся его клеток. А что будет, если смешать клетки разных губок? Как в этом случае будет идти регенерация?
Взяли двух губок разных видов и протерли их через очень тонкое сито в чашку с морской водой. Животные распались при этом на отдельные клетки, которые поодиночке оседали на дно и двигались по нему. Через некоторое время клетки находили себе партнеров — возникали клеточные пары. К ним присоединялись другие клетки. Но объединение клеток происходило не беспорядочно, не как попало: соединялись только клетки одного и того же вида губки. Поначалу было много мелких клеточных групп. Потом и они объединялись. И тоже соединялись между собой лишь родственные группы, состоящие из клеток одного и того же вида. В конце концов возникли два больших клеточных скопления.
Они медленно изменялись, и спустя две-три недели из каждого скопления клеток получилось по губке. Обе губки были точно такие, как и до их разрушения. Выходит, что клетки разных видов рассортировывались в клеточной смеси.
Способностью узнавать «своих» и соединяться с ними обладают клетки всех организмов. Если бы они вдруг утратили эту способность, то организмы превратились бы в смесь разнообразных клеток. Получилась бы мешанина из печеночных, почечных, желудочных и всех прочих клеток. Но этого никогда не случается. Именно потому, что однородные клетки прочно скрепляются.
Каким образом это происходит? Можно было думать, что на клеточных оболочках есть какие-то специальные приспособления, соединяющие соседние клетки. Нечто вроде крючочков или прицепок. Однако даже при больших увеличениях микроскопа клеточные границы казались совершенно ровными и лишь некоторые клетки соединялись перемычками. Но так только казалось. Когда клетки стали рассматривать под электронным микроскопом и научились получать объемные изображения, то увидели, что поверхности клеток совсем не гладкие и никаких перемычек между ними нет. Вся клеточная оболочка оказалась с многочисленными выростами, наподобие волосков, пузырьков и складочек. Лишь в отдельных местах выросты соседних клеток соединяются. Но на большом протяжении клеточных границ между соседними клетками всегда остается пространство. Оно заполнено веществом, которое прочно склеивает клетки, цементирует их. Поэтому и назвали межклеточное вещество клеточным цементом. А то, что принимали за перемычки, были выросты, отходящие от двух рядом расположенных клеток. Они не срастаются, и между ними всегда остается щель. Просто она настолько узкая, что в обычном микроскопе ее невозможно увидеть.
Соседние клетки не так-то легко отделить друг от друга. Но это можно сделать, как и многие другие клеточные операции, с помощью микроманипулятора. По степени прогиба иголочки, которой разъединяют клетки, можно судить о прочности межклеточных связей. При разделении клеток здоровой почки иголочка прогибается сильно, а при разделении клеток опухоли почки она почти совсем не прогибается. Точно так же гораздо больше прогибается иголочка при разъединении клеток здоровой кожи, чем при разъединении клеток кожной опухоли. В том, что здоровые клетки прочнее соединены между собой, чем клетки опухолей, можно убедиться и на другом опыте. Берут мельчайшие кусочки здоровой ткани и такой же ткани, но состоящей из опухолевых клеток. Например, здоровой почки и опухоли почки.
Здоровые и опухолевые ткани помещают в отдельные сосуды с жидкостями и сильно встряхивают. Разумеется, при этом непрочно соединенные клетки отрываются от кусочков. При подсчете оторвавшихся клеток оказывается, что их гораздо больше в сосуде с опухолевыми тканями. Ослабление связей между клетками опухолей и является причиной того, что опухолевые клетки очень легко отрываются друг от друга. Такие отделившиеся клетки попадают не только в окружающие, близко расположенные здоровые ткани. Они могут также подхватываться током крови или лимфы и переноситься на далекие от первоначальной опухоли расстояния. Многократно делясь, опухолевые клетки на новых местах дают начало опухолям.
Органы чувств на клеточных оболочках разбираются и в свойствах неживых поверхностей. Эту особенность клеток можно проследить при выращивании их на стеклышках в специальных питательных средах. Чтобы ничего не упустить из виду, при наблюдении за клетками применяют замедленную киносъемку. На киноленте и удается увидеть, что клетки, ползая по стеклышку, выпускают в направлении движения отростки. Ими они ощупывают впереди себя дорогу, выбирают удобные места для прикрепления. Если процарапать на стеклышке микроскопические углубления, то клетки вытягиваются вдоль них, вмещаясь в эти канавки. Более глубокие канавки клеткам явно не нравятся. Они стараются поскорее из них выбраться. Встретив на пути двигающуюся навстречу клетку, обе клетки останавливаются рядышком. Они выясняют, кто это. Связь устанавливается только между «своими».
Находясь на стеклышке, клетки делятся. Количество их возрастает, и в конце концов все стеклышко оказывается занятым ими. Тогда деление клеток прекращается. Для новых клеток уже нет места. Чтобы клетки снова начали делиться, достаточно удалить часть клеток со стеклышка, освободить место. Но все это относится лишь к здоровым клеткам. Опухолевые клетки поступают совершенно иначе. Они и не пытаются выбираться из глубоких канавок. И не прекращают своего движения, столкнувшись при встрече. Так и продолжают двигаться в прежних направлениях, наползая друг на дружку. Деление опухолевых клеток продолжается на стеклышке и после того, как они полностью заняли всю его поверхность. В результате получается беспорядочное нагромождение клеток.
Повреждение клеточных оболочек выражается не только в ослаблении связей между клетками, отчего они легко разъединяются. Бывает совсем наоборот, когда из-за нарушения клеточной поверхности клетки особенно легко объединяются. Между клетками-соседями полностью уничтожается граница, и они сливаются в единую клетку. Тогда вместо двух одноядерных клеток получается одна большая клетка с двумя ядрами. А если сливаются несколько клеток, то возникает гигантская многоядерная клетка. Такие клетки видели ученые при некоторых вирусных заболеваниях. Это и навело их на мысль, нельзя ли использовать вирусы, чтобы заставлять клетки сливаться. Представлялась очень заманчивой возможность объединить в одну клетку две неродственные клетки и посмотреть, какое потомство получится от гибрида. И действительно, нашли вирусы, которые вызывали слияние клеток. Но судьбу клеточных гибридов при этом наблюдать не удавалось, потому что вскоре после своего возникновения гибридные клетки погибали, так и не успев разделиться, не оставив потомства. Погибали они от вредного воздействия вирусов. Выходило, что вирусы являются не только причиной возникновения гибридов, но и причиной их гибели. Как быть? Выход придумали. Стали облучать вирусы такой дозой ультрафиолетовых лучей, которая снижала их вредные свойства, но не уничтожала их способности вызывать слияние клеток. При действии на клетки обезвреженными вирусами они после слияния благополучно жили и размножались.
Что же происходит с клеточной оболочкой под влиянием вирусов? Это удалось рассмотреть под электронным микроскопом. Оказалось, что вирусы скапливаются на границе между клетками. В участках их скоплений оболочка клетки растворяется, образуется дырочка. Через нее выливаются струйки цитоплазмы и вливаются в соседнюю клетку. Ведь и в ее оболочке тоже возникли отверстия. По мере разрушения клеточных оболочек все больше и больше становится таких струек. Тончайшие струйки сливаются вместе. А когда оболочки клетки совсем разрушаются, граница между клетками исчезает и обе клетки-соседки оказываются слившимися: теперь у них общая цитоплазма, в которой лежат ядра. Как бы близко друг к другу ядра ни примыкали, слияния их до поры до времени в гибридной клетке не происходит. Гибриды клеток удается получать не только под действием вирусов, но и под влиянием веществ, растворяющих клеточные оболочки. Обоими этими способами оказалось возможным слить любые клетки. Даже такие, которые обычно вообще и не скрепляются друг с другом. Получили гибриды клеток мыши и хомячка, крысы и хомячка. Слили клетки млекопитающих и птиц. Более того, соединили клетки организмов разных царств — животных и растений. Совсем кажутся необыкновенными гибриды клеток человека и моркови. Таким образом возникли несуществующие в природе клетки. Вскоре после своего образования гибридная клетка приступает к делению. Сколько бы ни было ядер в гибридной клетке, из нее после разделения получаются две одноядерные дочерние клетки. В самом начале деления ядерные оболочки всех ядер разрушаются. При этом хромосомы, которые раньше располагались в разных ядрах, оказываются перемешанными. К этому времени они уже удвоены. Независимо от того, сколько в гибридной клетке было ядер, в ней образуется один-единственный тянущий аппарат. Случается, что не все ядра гибридной клетки одновременно приступают к делению. Но все равно, когда тянущий аппарат приступает к своей работе, все ядра находятся на одной и той же стадии деления. Достигается это двумя путями: или опоздавшее начать деление ядро в более быстром темпе проделывает все, что ему полагается, как бы старается догнать остальных, или же ядро, начавшее делиться раньше других ядер, терпеливо дожидается «отстающих».
Тянущий аппарат в гибридной клетке, как и в обычной делящейся клетке, оттягивает половинки каждой хромосомы к противоположным клеточным полюсам. Количество хромосом в обеих дочерних клетках, стало быть, должно равняться сумме хромосом слившихся клеток. Но так при делении гибридных клеток не получается. Какие-то хромосомы пропадают. Ученые, конечно, использовали эту особенность гибридных клеток в научных целях. Ведь при потере определенной хромосомы в клетке перестает синтезироваться какой-то белок. Тем самым представилась возможность установить, какие именно хромосомы отвечают за синтез того или иного белка. Гибридные клетки используются в науке для изучения многих важных вопросов, которые на обычных клетках невозможно выяснить.
КЛЕТКА И УРОЖАЙ
акой заголовок на первый взгляд может показаться странным. В самом деле, какое отношение к урожаю имеет клетка?
До сих пор мы говорили главным образом о клетках животных. Здесь же речь пойдет о растительных клетках.
Мы уже рассказывали, что для изучения клеток их выделяют из организма и выращивают, или культивируют, в питательных средах, при определенной температуре, в стерильных условиях. Так делают и с животными, и с растительными клетками.
Мы уже говорили, что культуры клеток и тканей животных нашли применение и в практике. Так, на культурах клеток, взятых от животных и человека, испытывают действие разных лекарственных веществ. На них готовят вакцины и сыворотки для борьбы с вирусными и бактериальными заболеваниями.
А как обстоит дело с «героями» нашего рассказа — культурами растительных клеток? Оказывается, они нужны многим отраслям промышленности — пищевой, парфюмерной, медицинской.
Более того, изолированные из организма клетки имеют прямое отношение к урожаю. Об этом и пойдет здесь речь.
Прежде всего надо сказать, что культивируемые клетки растений существенно отличаются от растущих в культуре животных клеток.
Ни при каких условиях выращивания не удается получить целый организм из клеток печени, почки, мышечной или любой другой ткани животного организма. Их клетки не возвращаются к эмбриональному состоянию.
Для растительных же клеток, культивируемых вне организма, такой возврат вполне возможен. Клетки растений перестают быть в культуре «узкими специалистами» и дают начало так называемой каллусной ткани. «Каллус» по-латыни — «мозоль». Так называют ткань, образующуюся в результате травмы на поверхности ранения. Из нее и возникают зачатки разных органов. В такую же ткань превращаются клетки растения, когда их помещают в искусственную питательную среду, в которую входят разные минеральные соли, сахара и вещества регуляторной природы, главным образом гормоны.
Зеленые клетки листа, клетки пыльцы, клубней и любые другие растительные клетки теряют в культуре характерные для них особенности и становятся каллусными клетками. Однако и они «хранят память» о своем виде. Так, например, клетки теплолюбивого лимона не переносят при культивировании понижения температуры ниже —10°, в то время как клетки ели благополучно живут и при температуре ниже —20°.
Выращивают клетки в стеклянных сосудах — пробирках, колбах, которые помещают на специальные качающиеся установки. Это делается, чтобы жидкая питательная среда все время перемешивалась, создавая лучшие условия для питания клеток и поступления в них кислорода. При тряске вокруг клеток не образуется зона токсических веществ, выделяющихся в процессе их жизнедеятельности. Разделившиеся каллусные клетки остаются соединенными друг с другом, образуя клеточные агрегаты. Многие составляющие их клетки попадают в менее благоприятные условия роста. Когда сосуды трясутся, то агрегаты дробятся на более мелкие части.
Иногда клетки выращивают в культиваторе, имеющем вид вертикально поставленной трубки, в которую снизу подается пузырек воздуха. Подача его регулируется особым реле. Воздушный пузырек, способствуя лучшей аэрации, также препятствует образованию токсических зон и разрушает клеточные агрегаты. В результате клеточных делений масса каллус- ной ткани быстро увеличивается.
Что дает нам выращивание клеток? Зачем «в стекле» разводят ученые столько разнообразных клеточных линий?
Дело в том, что в условиях культуры клетки продолжают вырабатывать эфирные масла, алкалоиды, смолы, стероиды и другие свойственные им вещества, которые используются в разных отраслях промышленности. Нам совершенно безразлично, каким способом они будут получены: из цветков, плодов, стеблей и корней целого растения или же из культуры клеток каллусной ткани. Для нас важно лишь, чтобы было как можно больше нужных веществ. Посмотрим, какой способ лучше.
В раувольфии (особенно в ее корнях) содержится большое количество разных алкалоидов, из которых наибольшее применение в качестве лекарств получили резерпин и аймалин, необходимые для лечения гипертонической болезни,—они понижают кровяное давление.
В нашей стране это тропическое растение не растет. Однако из культуры клеток раувольфии у нас освоено получение и резерпина, и аймалина, причем в культивируемых клетках аймалина содержится в два с лишним раза больше, чем в клетках целых растений. Кроме того, при культивировании это вещество можно получать круглый год. Ведь для роста клеток «в стекле» не требуется ни подходящей почвы, ни благоприятного климата. Все условия для культивирования клеток в руках ученых.
В преимуществе получения ценных веществ из клеток культуры можно убедиться и на другом примере.
Женьшень, занесененный в Красную книгу, растет в нашей стране только в дальневосточной тайге. В корнях женьшеня содержится много целебных веществ, отчего и зовут его «корень жизни». Настойки женьшеня применяют при пониженном кровяном давлении, усталости, переутомлении и некоторых нервных заболеваниях. Препараты из корня широко используются и в парфюмерии.
Растет женьшень крайне медленно — только на пятый-шестой год жизни собирают его корни. За год корни, находясь в почве, «тяжелеют» всего на один грамм. Каллусная же масса женьшеня растет в сотни раз
быстрее! Культура клеток спасает от полного истребления в природе это растение и заменяет дорогостоящее его искусственное разведение.
Сейчас уже в промышленных объемах «клеточный» женьшень полностью заменяет почти исчерпанный в тайге «корень жизни». Выходит, что с помощью культуры клеток можно и сохранить исчезающие на Земле растения.
Но какое все же отношение имеют клетки в культуре к продуктам питания? Сейчас увидите.
Оказалось, что по желанию ученого из каллусной ткани можно вызвать развитие органов растения. Стеблевые побеги возникают из клеток риса, моркови, петрушки, баклажанов, гороха и многих других употребляемых в пищу растений. При переносе в соответствующую питательную среду у побегов появляются корни. И тогда из пробирок прямой путь в почву, где они растут, как обычные растения.
Превращение каллусной клетки в клетку, дающую начало зародышеобразной структуре, представляет собой и большой научный интерес. Ведь такая клетка обладает способностью дать полноценное растение, как оплодотворенная яйцеклетка, в которой объединяются материнские и отцовские хромосомы. Каллусная же клетка по составу в ней хромосом такая же, как и все остальные клетки растения, из ткани которого получена культура. Ее развитие вызывается просто действием химических веществ. Особенно подробно этот процесс изучен на моркови. Причем образование зародышеподобных структур наблюдали в каллусной ткани, полученной не только из корнеплодов моркови, но и из черешков ее листьев, и из цветоносов.
Ученые убедились, что любая клетка моркови, прошедшая в культуре стадию каллусной клетки, способна дать начало зародышеобразной структуре, а затем и целому растению. Целая морковка из одной клетки!
Образование целого растения из клетки — это уже не мечта, а реальность. Но, конечно, могут возникнуть вопросы: для чего из клетки выращивать целые растения? Не проще ли сажать их обычным способом?
Оказывается, клеточное разведение имеет ряд преимуществ. При его использовании можно оздоровить посадочный материал от вирусов, которыми поражены ценные сорта картофеля и других овощных, плодовых и технических культур, что приводит к существенным потерям урожая. Вирусные заболевания растений — подлинный бич сельского хозяйства во всем мире. Как же осуществляется оздоровление экономически важных сельскохозяйственных растений с помощью клеточных культур?
Ученые выяснили, что молодые, растущие части стебля, где находится образовательная, или меристемная, ткань, не содержат вирусов. Из таких здоровых участков верхушек стебля и получают культуру меристемы или культуру каллусной ткани. А из них можно уже вырастить и целые растения. Вот один из путей от клетки к полноценному урожаю. Один, но не единственный!
Как важно для повышения урожайности получить морозоустойчивые и засухоустойчивые растения, не подверженные заражению болезнетворными микробами. Селекционеры затрачивают многие годы кропотливого труда для получения таких сортов. При использовании для этой цели культуры клеток не только значительно ускоряется селекционная работа, но и удается сочетать такие признаки, которые при обычной гибридизации не получаются.
Иногда вообще межвидовые гибриды не получаются. И тогда на помощь могут прийти клетки этих растений, взятые из любого органа,— соматические клетки.
Мы уже знаем, что пока клетки покрыты своими плотными оболочками, никакого слияния их не может произойти. Но клеточные оболочки легко растворяются некоторыми ферментами. А «голые» клетки — протопласты — сливаются друг с другом беспрепятственно. Как уже говорилось, объединяться могут вообще любые клетки, даже если они взяты от представителей разных царств — животных и растений. Сейчас мы ограничимся рассказом о таком соединении протопластов, которое имеет прямое отношение к нашей теме — к урожаю.
Для получения гибридного растения использовали протопласты дикого и культурного вида картофеля (сорт Приекульский ранний). У культурного сорта крупные клубни, но он восприимчив к болезням. У дикого картофеля клубни очень мелкие, но зато он устойчив к болезням. Различаются эти виды и по количеству хромосом, и по размерам протопластов: у культурного они от 32 до 78 микрометров в диаметре, а у дикого — от 25 до 56 микрометров. При культивировании слившихся протопластов в питательной среде образовывалась обычная каллусная ткань. Для того чтобы из нее начали возникать органы, крошечные кусочки этой ткани — около одного миллиметра — вырезали и высаживали, как уже говорилось, в другую питательную среду, где и формировались побеги. Затем они давали корни, и тогда их переносили в почву.
Какими же свойствами обладали полученные соматические гибриды? По форме листьев и кустов, по размерам клубней они занимали как бы промежуточное положение между культурным и диким видами. Так, впрочем, бывало и при обычной половой гибридизации этих растений. Но гибрид, полученный из протопластов, оказался устойчивым к одной из тяжелых вирусных болезней. Такого эффекта у полового гибрида не получалось. Почему? Да потому, что при слиянии протопластов соматических клеток возникает не только гибридное ядро, но и гибридная цитоплазма, тогда как при обычном скрещивании отцовская форма представлена только проникающим в яйцеклетку ядром спермия, а материнская — и ядром, и цитоплазмой яйцеклетки. У соматических гибридов поэтому могут быть признаки, которые отсутствуют у половых гибридов тех же видов растений.
Так произошло и с нашим гибридом картофеля. Именно цитоплазма дикого вида оказалась ответственной за устойчивость к вирусным болезням. Объединение цитоплазмы сливающихся протопластов может иметь, как мы видим, колоссальное значение при получении новых высокоурожайных клеточных гибридов.
«БЕЛЫЕ ПЯТНА»
а пестрых географических картах когда-то было много незакрашенных, белых участков. Так обозначали неисследованные места на Земле. Отсюда и повелось называть «белым пятном» все неизученное, неизвестное. На карте «белых пятен» становится все меньше и меньше. А в науке одни «белые пятна» исчезают, но возникают новые, о существовании которых раньше никто и не предполагал.
Разные части клетки были описаны еще в прошлом столетии, когда клетку изучали в обычном, световом микроскопе. С тех пор при помощи электронного микроскопа узнали много подробностей об их строении. Казалось, нечего было и мечтать найти в клетке что-нибудь новое. Но в 1963 году электронные микроскописты обнаружили в ней тончайшие трубочки — микротрубочки. И не в каких-нибудь исключительных клетках, а в каждой клетке.
Но почему же раньше их никто не замечал? Может быть, просто не обращали на них внимания? Так тоже иногда случается в науке. Например, фигуры делящихся клеток увидели только после того, как появились работы с описанием и рисунками деления клеток. Их увидели на тех же самых препаратах, которые сотни раз до этого рассматривали под микроскопом.
С микротрубочками дело обстояло иначе. Их увидели, когда при обработке клеток для рассматривания в электронном микроскопе начали применять новое вещество. Оказалось, что ранее используемые вещества просто разрушали эти очень хрупкие трубочки.
Наука постоянно развивается. Новые приборы, новые методы, применение новых веществ приводят к новым открытиям. Так получилось и с микротрубочками. Но после их открытия возникло «белое пятно». Неясно было, как они устроены. Постепенно определили, что стенка микротрубочек состоит из ниточек. Удалось определить, что таких ниточек обычно тринадцать. Потом выяснили, что каждая ниточка состоит из частичек белка, которые расположены на ней в виде бусинок.
Чтобы лучше узнать строение и свойства микротрубочек, понадобились многочисленные опыты. Микротрубочки оказались невероятно чувствительными к холоду. Они гораздо раньше «мерзнут», чем другие части клетки. Стоит им побыть при низкой температуре, как нити бусинок рассыпаются — микротрубочки разрушаются. Но как только температура повышается, бусинки снова «нанизываются». Иногда, правда, их сборка идет не совсем гладко. Какие-то бусинки теряются, что-то не дает им возможности соединиться, и тогда в стенке микротрубочки возникает дыра.
Какую же роль играют микротрубочки в клетке? Сначала, как всегда, был период догадок и предположений. Но постепенно накапливались факты, полученные разными исследователями в результате экспериментов. Стало очевидным, что микротрубочки являются скелетом клетки, они определяют ее форму. Особенно убедительно это было показано на одноклеточном организме, имеющем грушевидную форму. Когда у него разрушали микротрубочки, он переставал быть похожим на грушу. Кроме того, микротрубочки выполняют в клетке роль рельсов: по ним движутся зернышки красящих веществ — пигментов, перемещаются различные пузырьки. Из микротрубочек состоят и нити тянущего аппарата, который растягивает хромосомы к противоположным полюсам делящейся клетки. Микротрубочки связаны с клеточным движением.
Так что же, одни и те же микротрубочки выполняют столько дел или это все разные микротрубочки: одни отвечают за форму клетки, другие образуют рельсы, третьи участвуют в движении? Может быть, и то и другое. А может быть, в одном месте клетки одни микротрубочки занимались одним каким-то делом. Потом клетке эта их работа перестала быть нужна. Микротрубочки распались на бусинки. А в другом месте клетки они собрались вновь, но уже с тем, чтобы выполнить в ней новое задание. Все это предстоит еще выяснить. Правда, кое-что уже известно. Установили, что в клетке можно выделить несколько видов микротрубочек, которые по-разному относятся к температуре, к соляной кислоте и другим веществам. Возможно, что разные по свойствам микротрубочки выполняют и разную работу. Установить это помогут дальнейшие исследования. Они сотрут эти «белые пятна». Но тогда обязательно появятся новые.
Из этой книжки вы узнали о разных клеточных секретах, уже разгаданных учеными. Может быть, тот, кого заинтересует клетка, будет в дальнейшем работать над разгадкой непознанных ее тайн.
В добрый путь по трудной, но интересной дороге знания!
Последние комментарии
5 часов 53 минут назад
5 часов 56 минут назад
6 часов 9 минут назад
6 часов 10 минут назад
6 часов 24 минут назад
6 часов 41 минут назад