Если YouTube медленно загружает — смотрите здесь.
Живёт на свете один мужчина — назовём его господином М. Днем он заезжает в магазин, покупает пачку презервативов и ультрафиолетовый фонарик для обнаружения поддельных банкнот. Под покровом темноты господин М. садится на яхту и отправляется в сторону рифов. Яхту останавливает патруль береговой охраны, проверяет документы и… патруль уплывает, а господин М. надевает акваланг и готовится к глубокому погружению. С презервативом и фонариком. Внимание, вопрос: какая профессия у нашего героя?
На самом деле господин М. — мой знакомый. Он молекулярный биолог. Детектор поддельных банкнот, защищённый от воды презервативом, нужен ему для того, чтобы светить на различных морских обитателей и выискивать носителей флуоресцентных белков. Если найти таких животных, то можно взять образец их ДНК и изучить его в лаборатории. И в итоге найти гены, которые позволяют организму светиться в ультрафиолете. А дальше… научные публикации, слава и профит. Биология — это ужасно интересно, и сегодня я расскажу вам, почему. Я простым языком объясню, как устроена жизнь, зачем нужен секс, как работают гены, почему мы одновременно похожи и не похожи на своих родителей.
К июню 2024 года население Земли достигло 8 млрд человек. Но знаете, что поражает? Это число намного меньше, чем примерно 37 триллионов клеток, из которых состоит человеческий организм. И, что любопытно, все эти 37 триллионов клеток происходят из одной-единственной оплодотворенной зиготы. Вообще-то все живые организмы, существующие сегодня, произошли от далёкого одноклеточного предка, который жил примерно 4 млрд лет назад.
Только представьте, в течение нескольких млрд лет на нашей планете одноклеточные организмы эволюционировали в многоклеточные формы жизни, причем несколько раз независимо, а потом отправились на Луну и даже освоили Пикабу. Вот она, сила биологии.
Дерево жизни
Все клеточные формы жизни на Земле произошли от общего одноклеточного предка. Кактус — наш родственник. Даже сифилис – наш родственник, хоть и очень далекий. Родословную этой жизни можно изобразить с помощью схематического «дерева». Клеточные формы жизни делятся на три самых крупных домена: бактерии, археи и эукариоты.
Бледная трепонема (Treponema pallidum), вызывающая сифилис
Про бактерий мы знаем с детства: кишечная палочка… стафилококк… гонорея… Окей, про гонорею обычно узнают чуть позже. К счастью, большинство бактерий безвредны, но некоторые могут вызывать опасные заболевания. На этот случай есть антибиотики. Есть и полезные бактерии, например, бифидобактерии, которые помогают нам делать кефир. Бактерии живут в нашем кишечнике, на коже и даже на роговице глаза. По некоторым оценкам, их десятки миллионов разновидностей.
У бактериальных клеток, в отличие от наших, нет ядра. Ядро — это структура, в которой хранится наследственная информация. В бактериальных клетках тоже есть наследственная информация, но хранится она без дополнительной мембранной оболочки. Это, как правило, просто плавающая кольцевая молекула ДНК.
Так выглядит бактериальная клетка
Археи – тоже одноклеточные организмы без ядра, размножающиеся простым делением. Как и у бактерий, их наследственный генетический материал хранится в виде кольцевых хромосом прямо в цитоплазме, то есть в жидкости внутри клеток. Вот первый интересный факт: среди архей не известно ни одного вида, способного вызывать болезни. Зато живут они и в горячих источниках, и в солёных озерах, и в болотах. Внутри кишечника тоже живут.
Большинство биологов считают, что предки клеток растений, животных, грибов и других организмов с ядром получились из давних предков архей. Которые вступили в симбиотическое сотрудничество с бактериями. Мы – продукт слияния двух древнейших форм жизни. При этом наша ядерная ДНК, то есть наследственный материал, ближе к археям, а вот следы бактерий остались в нас в виде митохондрий.
Что такое митохондрии?
Митохондрии — это практически клетка внутри клетки. Это структуры с собственной мембраной, которые занимаются дыханием. Их называют энергетическими станциями клетки. У митохондрий есть свой независимый наследственный материал, своя ДНК. Они даже делиться умеют! Именно митохондрии вдохновили создателей Звездных Войн на идею мидихлориан, симбиотических микроорганизмов, дающих Джедаям их силу.
Скорее всего, сосуществование древних архей и бактерий поначалу было паразитическим. Но потом они научились жить вместе взаимовыгодно. И благодаря объединению этих двух крупнейших и древнейших групп жизни, бактерий и архей, появилась новая группа жизни — эукариоты. Мы с вами. Ядерные клеточные организмы.
Вот три царства эукариот, которые проходят в школе:
На самом деле царств намного больше. Кстати, иногда в школе упоминают еще группу протистов — как пример одноклеточных эукариотов. Но протисты — это условное обозначение для огромного разнообразия жизненных форм, которые так же далеки друг от друга, как кактус от ежика. Если не больше. Там есть радиолярии, у которых скелет из диоксида кремния или сульфата стронция. Есть инфузории — с их активными ресничками. Есть споровики, к которым относятся, например, малярийный плазмодий и токсоплазма — известные паразиты животных. Есть амёбы, ползающие с помощью ложноножек.
Мы, люди, относимся к царству животных. И грибы к нам эволюционно ближе, чем растения.
Как устроена клетка?
Итак, мы состоим из клеток. У всех клеток есть клеточная мембрана, которая отделяет ее от внешнего мира. Клеточная мембрана позволяет клеткам поддерживать внутренние условия, отличные от внешней среды. Именно благодаря мембране клетка изолирована, но может избирательно взаимодействовать с внешним миром.
Как у нее это получается? Есть молекулы под названием «фосфолипиды». Сейчас расскажу, как они устроены. Представьте себе головастика. У него есть голова и хвостик. Голова предпочитает находиться рядом с водой, она гидрофильная, а хвостик гидрофобный. За счёт этого фосфолипиды самопроизвольно собираются в мембраны, которые состоят из двух слоёв: снаружи гидрофильные головы, а внутри гидрофобные хвостики. Если бы гомофобы зашли в гей-бар, они, наверное, тоже сгруппировались бы друг с другом аналогичным способом, чтобы минимизировать контакт со средой (но это еще предстоит исследовать).
Клеточная мембрана может быть проницаема для одних молекул и непроницаема для других. У современных клеток есть множество специализированных каналов и насосов, которые избирательно впускают что-то в клетку или выпускают из неё. Каналы работают пассивно: когда снаружи чего-то много, открытый канал может впустить это внутрь. Насосы же расходуют запасенную клеткой энергию, чтобы работать в обратную сторону.
Помимо внешней клеточной мембраны, бывают мембраны внутри клеток. Например, двойные мембраны у ядра и митохондрий. В наших клетках есть и другие мембранные структуры.
Что еще есть у клетки? Цитоскелет, благодаря которому она сохраняет форму. В отличие от нашего скелета из костей, у клеток он динамичный, постоянно выстраивается и разбирается. Цитоскелет состоит прежде всего из специальных белков.
Цитоскелет эукариот. Актиновые микрофиламенты окрашены в красный, микротрубочки — в зелёный, ядра клеток — в голубой цвет
А сейчас – время поговорить про молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. Это хранительница нашей наследственной информации. Мы получаем половину ДНК от мамы и половину от папы, плюс несколько десятков уникальных новых мутаций — случайных изменений в ДНК. Вот поэтому мы и похожи, и не похожи на родителей.
Чтобы жизнь могла продолжаться, клетки должны делиться, а перед каждым делением они должны скопировать свою ДНК. Природа «изобрела» очень элегантный способ для этого. ДНК — двойная спираль. Каждая отдельная цепочка ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов, которые мы обозначаем символами A,T, G и C. Причем в двойной спирали напротив А всегда стоит T, а напротив G – C. Если разделить двойную спираль на две одиночные цепочки, а потом напротив каждой A поставить T, а напротив каждой C — G, и наоборот, то мы получим две двойные спирали, идентичные оригинальной. Так ДНК и копируется. И это происходит внутри нас постоянно. Процесс копирования ДНК называется «репликацией». Именно в ДНК хранятся все инструкции, чтобы синтезировать многочисленные белки, которые выполняют разные функции в организме.
Клеточная кухня
Представьте, что клетка — это грандиозная кухня. Самое главное на этой кухне — ДНК, священная книга рецептов. Она разбита на несколько томов — хромосом, в которых записаны инструкции для приготовления многих тысяч блюд – белков.
Но книга на кухне одна, а прокормить нужно целый город. Поэтому есть специальные писцы — ферменты, которые переписывают отдельные рецепты на бумажки — молекулы РНК. С одной молекулы ДНК можно синтезировать миллионы таких РНК-рецептов, которые, в отличие от ДНК, состоят только из одной цепочки нуклеотидов. Этот процесс, который происходит по тому же принципу комплементарности, называется транскрипцией. Бумажки с рецептами, то есть синтезированные молекулы РНК, раздают поварам — рибосомам. Если какого-то блюда, то есть белка, клетке нужно больше, она производит больше рецептов именно этого белка. И тогда повара чаще «готовят» это блюдо.
РНК-рецепты выходят из клеточного ядра через особые ядерные поры. Там они встречаются с поварами-рибосомами, и те синтезируют белки в соответствии с инструкциями. А вот дальше всё зависит от того, для кого мы это блюдо готовим. Если белок должен остаться в цитоплазме, то рибосома просто отпускает его в свободное плавание. Если же это какой-нибудь функциональный белок-канал или белок-рецептор, который нужно встроить в клеточную мембрану, то в дело вступают специальные клеточные структуры — органеллы.
Наш повар-рибосома синтезирует блюдо-белок, который нужно куда-то доставить курьерской службой. Свежее блюдо прямо в процессе готовки просовывается через пору в эндоплазматический ретикулум. Там на него навешиваются химические бирки, похожие на те, что клеят на багаж в аэропорте. В соответствии с биркой белок запаковывается в мембранный пузырёк. Далее белок передаётся из пузырька в пузырек внутри аппарата Гольджи — это такой распределительный центр. По пути бирку проверяют, модифицируют пометками, и под конец последний пузырек отправляется, словно курьер, в сторону клеточной мембраны, с которой он сливается.
Аналогично устроена доставка «на экспорт», когда блюдо нужно отправить за пределы клетки. Есть и курьерская доставка в ядро: за это отвечают специальные белки-шаттлы, способные перевозить грузы через ядерные поры. Процесс приготовления блюда, то есть синтеза белка, называется трансляцией. Это перевод с одного языка на другой: с языка нуклеотидов, из которых состоят молекулы ДНК и РНК, на язык аминокислот, из которых состоят белки.
Итак, повара-рибосомы занимаются готовкой — созданием белков. Синтезируемые на рибосомах белки «сворачиваются» в трёхмерные структуры, которые выполняют в клетках разные функции. Мой любимый белок — алкоголь-дегидрогеназа. Это фермент, который помогает усваивать этиловый спирт.
Трансляция выглядит очень занятно: рибосома как бы пропускает РНК сквозь себя. Каждые три нуклеотида РНК указывают на одну аминокислоту, которую должна присоединить рибосома. Но откуда она знает, какая аминокислота нужна? Здесь помогают специальные транспортные РНК.
Есть много типов транспортных РНК, и каждая доставляет свою аминокислоту. Место доставки определяется за счёт совпадения по всё тому же принципу комплементарности трёх нуклеотидов в транспортной РНК и трёх нуклеотидов на информационной РНК, которая служит той самой «лентой», то есть рецептом.
Рибосома забирает аминокислоту у транспортной РНК и присоединяет её к растущей белковой цепи. По мере продвижения «ленты» из рибосомы выходит цепочка аминокислот, которая постепенно складывается в трёхмерную форму белка.
Белки во всём многообразии
Итак, белки состоят из аминокислот и выполняют много разных функций. Когда говорят о белках, часто вспоминают цитату Фридриха Энгельса: «Жизнь — это способ существования белковых тел». Это не совсем верно. Но посмотрите, как много разного умеют белки — и это только самые интересные из них!
— Есть белки, которые плавают в цитоплазме и перерабатывают этиловый спирт.
— Есть прочные белки, вроде всеми любимого коллагена, и эластичные, как эластин, которые необходимы для придания упругости кровеносным сосудам, коже и не только.
— Есть белки, например, кинезины, которые буквально шагают по микротрубочкам цитоскелета и доставляют «грузы» из одной части клетки в другую. Грузом могут быть пузырьки с полезными молекулами, белками или даже целые митохондрии. Это особенно важно для нервных клеток с их длинными отростками — у них есть элементы цитоскелета, которые служат «скоростными магистралями». Ну как скоростные… до целого микрометра в секунду! Или метр за 11 дней. Примерно с такой же скоростью движется по направлению к мозгу вирус бешенства после укуса бешеным животным – он перемещается по этим же магистралям
— Есть белки, которые нужны для передачи нервного импульса.
— Есть белки, которые отправляются в ядро, чтобы регулировать работу генов. Они связываются с ДНК и указывают, какой ген активировать, а какой «выключить». И для их отправки в ядро используются ещё одни белки — белки-шаттлы.
— Есть белки, которые нужно выбрасывать наружу, например, инсулин. Инсулин — это пептидный гормон, маленький белок, с помощью которого особые клетки поджелудочной железы воздействуют на другие клетки организма. Так они регулируют уровень сахара в крови.
Каналы в клеточных мембранах сделаны из белков. Ферменты, ускоряющие химические реакции в клетке — тоже будут, скорее всего, белковыми. Если нужно что-то синтезировать, что-то впустить в клетку, что-то куда-то доставить — всё это будет происходить с участием белков.
Конкуренты белков — РНК
Но есть молекулы, которые могут составить конкуренцию белкам по важности. Это РНК.
РНК — это такие «рецепты», которые нужны для синтеза белков. Но этим их функции не ограничиваются. Например, есть микроРНК, которые регулируют работу генов. Есть РНК, выполняющие функции ферментов, которые ускоряют некоторые химические реакции. Молекулы РНК играют важнейшую роль в работе рибосом и входят в их состав.
Скорее всего, молекулы РНК стояли у самых истоков жизни. Сначала были РНК, а уже потом появилась ДНК как более надёжный способ хранения генетического материала, а также белки — более разнообразный по функциям класс молекул. Почему именно РНК считают самым древним компонентом жизни? Потому что белки, хоть и вариативны в своих функциях, не умеют размножаться сами по себе. А ДНК, хоть и умеет размножаться, слишком инертна. А РНК может всё. Главное – она может эволюционировать.
Хромосомы и наследование
Ещё для эволюции нужен источник генетического разнообразия. Поговорим о мутациях.
Для многих людей мутация ассоциируется с какими-нибудь черепашками Ниндзя или человеком-пауком. Связался с радиоактивностью, получил мутацию, стал супергероем. Но на самом деле радиоактивность в лучшем приведет к раку. Мутации — это изменения в ДНК, в тех самых последовательностях нуклеотидов A, T, G и С. И главный источник мутаций не где-то снаружи, а внутри. Мутации неизбежно возникают при копировании ДНК, а копирование ДНК — процесс не безупречный. Иногда напротив того или иного нуклеотида встает нуклеотид неправильный. Клетки умеют исправлять многие мутации, но далеко не все. И мутировать ДНК может где угодно и как угодно.
Только маленькая часть от огромного количества клеток, образующих тело человека, будет участвовать в передаче генетического материала следующему поколению. Поэтому уже на ранней стадии беременности возникают как бы два типа клеток: соматические клетки и клетки гермальной линии зародыша.
Из соматических клеток потом получаются и нейроны нашего мозга, и клетки почек, и клетки кожи, и клетки мышц. Мутации в них ни к чему хорошему не приводят, но и на генетическое разнообразие вида не влияют. Это разнообразие создается благодаря мутациям в клетках гермальной линии – это предшественники половых клеток, то есть сперматозоидов и яйцеклеток. И именно ДНК, которая содержится в предшественниках половых клеток, будет передаваться следующим поколениям. Увы, генетической памяти, как в Assassins Creed, не получится. Запоминаем мы мозгом, который состоит из клеток соматических, а не половых.
В каждой клетке нашей гермальной линии есть ядро, внутри него находится ДНК. Она упакована в хромосомы, которые под микроскопом выглядят как палочки.
В яйцеклетке и сперматозоиде по 23 хромосомы. При их слиянии образуется двойной набор, в сумме 46 хромосом. Из них 2 хромосомы будут отвечать за биологический пол. В яйцеклетке может оказаться только хромосома X, а в сперматозоиде либо X, либо Y. От того, какая хромосома окажется в сперматозоиде, который оплодотворил яйцеклетку, и зависит биологический пол эмбриона — это определяется сразу после зачатия. Обычно, когда есть две хромосомы Х, получается девочка. Если Х и Y, то мальчик.
На самом деле на Y-хромосоме есть один основной ген, который и запускает развитие тела по мужскому типу. Бывает, что этот ген перескакивает на Х-хромосому, или даже на не половую хромосому. Тогда получается мальчик с ХХ-хромосомами. Бывают и другие исключения. Но в целом женское тело — это тело по умолчанию. Поэтому не верьте в сказки про то, что якобы Еву создали из ребра Адама, что мужчина «первичен».
Да и вообще, никакого Адама, то есть первого мужчины, и никакой Евы, то есть первой женщины, разумеется, не существовало. Мы потомки целой популяции, а не двух людей. Мы знаем это благодаря работам, которые изучали генетическое разнообразие людей. А разделение на два пола возникло задолго до появления человека.
Секс — ускоритель эволюции
Половое размножение — универсальный процесс. Мы встречаем его не только у животных, но и у растений и грибов. Даже у бактерий есть нечто похожее на половой акт – когда они обмениваются генетическим материалом, можно сказать, что они занимаются сексом. У некоторых бактерий есть даже специальные «пили», которыми они тычут партнерш.
Биологический смысл секса — ускорение эволюции. Благодаря сексу образуются новые комбинации генов, возникает больше вариативности. У меня есть мои хромосомы, половину из них я передам каждому из своих гипотетических будущих детей. И это будет случайная половина.
Если говорить о половом размножении, конечно, сразу же вспоминается неугасающий спор о том, сколько существует полов. Какую бы цифру вы ни назвали, за грибами нам точно не угнаться. У некоторых видов грибов может быть тысяча полов. Если ты такой гриб, то можешь скрещиваться с кем угодно, кроме тех, у кого пол такой же, как у тебя. Это очень удобно, потому что уже не половина особей подходит тебе для размножения, а почти все.
Как устроена регуляция генов?
Ну хорошо, с клетками гермальной линии более-менее всё ясно. А как становятся разными клетки соматической линии? Как они решают, кому стать легким, кому глазом, кому частью мизинца ноги? Разве это не удивительно, что ДНК во всех клетках нашего тела практически одинаковая, а клетки в разных местах организма очень разные?
Вернёмся к нашему образу ДНК как книги рецептов. Но хотя священная книга рецептов действительно универсальна, в разных местах используются разные рецепты для синтеза белков. Скажем так: ДНК — это всемирная книга рецептов, в которой есть десятки тысяч блюд. Но где-то в вашем теле есть французский ресторан, где-то индийский, а где-то китайский. И в каждом ресторане готовят только по тем рецептам, которые соответствуют его кухне, а остальные просто хранят для порядка. Получается, клетки избирательно используют те или иные «рецепты» из ДНК. Как они это делают?
Во-первых, есть специальные белки, управляющие переводом с языка ДНК на язык РНК. Клетка в ответ на разные сигналы, внешние или внутренние, может произвести такие белки-регуляторы и направить их в свое ядро. Там они связываются с ДНК и запускают работу некоторых конкретных генов. То есть клетка сама влияет на то, какие гены в ней работают в зависимости от условий.
Во-вторых, есть «эпигенетика», то есть надстройка над генетикой. Дело в том, что молекула ДНК может подвергаться обратимым химическим модификациям: где-то химические группы добавляются, где-то удаляются. Самый важный тип такой модификации ДНК — это метилирование, то есть присоединение CH3, метильной группы из одного атома углерода и трёх атомов водорода. Там, где много таких метильных групп, ген может «выключиться». Заметилировали участок ДНК — и он не работает. Или, наоборот, разметилировали — и участок заработал.
Еще один вариант эпигенетической регуляции связан с размоткой или намоткой ДНК на особые белки, которые называются гистонами. 23 хромосомы в составе ДНК содержат примерно 3 миллиарда нуклеотидов — буковок A, T, G, C, а 46 хромосом — уже 6 миллиардов. Если взять все хромосомы из одной молекулы ДНК, соединить их вместе одна за другой и вытянуть в ниточку, то длина ниточки будет 2 метра. А если собрать всю ДНК из одного человека, из всех клеток, то можно и вовсе дотянуться до Луны и обратно. Примерно 150 тыс. раз. ДНК очень компактно упакована, да еще и не путается, в отличие от наушников. Для этого и нужны гистоны, вокруг которых она обматывается, хотя есть и специальные белки, участвующие в размотке.
Чем компактнее ДНК упакована, тем менее она доступна для транскрипции, то есть синтеза РНК. Поэтому очевидный способ увеличить активность какого-то гена — это размотать нужный участок ДНК. И есть специальные ферменты, которые могут химически модифицировать гистоны с намотанной на них ДНК. Меняя степень намотки на разных участках ДНК, мы будем влиять на активность генов.
За счёт этого клетки могут получаться очень разными. У нейрона и мышечной клетки одинаковая ДНК, но активны в них разные гены. Вспомним нашу белковую кухню и скажем: какие-то страницы с рецептами мы заклеили для чтения, а какие-то страницы держим открытыми, чтобы любой желающий мог их прочитать, скопировать рецепт и приготовить нужное блюдо. Так устроена регуляция генов.
Как работают нейроны?
Особый интерес представляют нейроны, которые отвечают за работу мозга. Нейроны — это клетки с длинными отростками, которые связываются друг с другом, чтобы передавать сигналы.
Нейроны чаще всего передают сигналы с помощью специальных контактов, которые называются «синапсы». Чтобы сигнал проходил, нужны особые молекулы — нейромедиаторы, названия которых вы наверняка слышали — дофамин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота, глутамат. Всё это молекулы, которые один нейрон выбрасывает в месте контакта с другим нейроном, чтобы подействовать на него. Есть активирующие нейромедиаторы — например, дофамин и серотонин. А вот гамма-аминомасляная кислота — это чаще тормозный нейромедиатор. Он снижает склонность нейрона к активации.
Первый нейрон выбрасывает нейромедиаторы в так называемую синаптическую щель — место контакта с другим, целевым нейроном. На поверхности целевого нейрона есть специальные рецепторы, которые могут реагировать на появление нейромедиаторов и открывать свои ионные каналы. Когда каналы открываются, возникает «потенциал действия». Мембранный потенциал в целевом нейроне резко меняется, возникает импульс, который активирует нейрон и передаёт сигнал по цепочке дальше.
Нейронам очень важно избавлять синаптическую щель от нейромедиаторов, которые больше не нужны. Есть специальные ферменты, которые разрушают нейромедиаторы в синапсе, а также механизмы обратного захвата нейромедиаторов.
Некоторые яды, вроде «Новичка», вмешиваются в эту систему. Они подавляют фермент, который разрушает нейромедиатор ацетилхолин — ацетилхолинэстеразу. Ацетилхолин передаёт сигналы от нервной клетки к мышечной и вызывает её сокращение. Если подавить разрушающий ацетилхолин фермент, то нейромедиатор продолжит активировать мышечную клетку, и та будет сокращаться без остановки. В результате возникает судорога, которая может привести к смерти.
Как общаются бактерии
На самом деле нейромедиаторы гораздо древнее нас и наших нервных систем. Эти вещества используются для коммуникации и у простейших форм жизни. Некоторые бактерии умеют синтезировать тот же серотонин и общаться с его помощью. Да, представьте себе, бактерии умеют общаться, и даже иногда принимают коллективные решения. Это феномен называется кворум сенсинг — «чувство кворума». Почти демократия!
Например, бактериям важно понимать, много их или мало. Они производят определённые сигнальные молекулы, и когда концентрация этих молекул становится высокой — значит, поблизости собралось слишком много бактерий. В таком случае нужно чуть помедленнее делиться.
Рефлексы и личность
Но когда мы говорим о поведении, мы обычно имеем в виду все же поведение животных, управляемое нервной системой. Наша нервная система пластична, а нейроны способны формировать новые связи. Это происходит каждый раз, когда вы узнаете что-то новое.
Но как устроена пластичность?
Академик Павлов проводил знаменитые опыты, посвященные условным рефлексам. Загорелась лампочка — дали собаке еду, снова загорелась лампочка — дали еду, ещё раз загорелась лампочка — опять дали еду… Через некоторое время собака начинает реагировать уже просто на включение лампочки: еды нет, а слюна всё равно выделяется. Опыты Павлова объясняются одним из важнейших принципов работы нервной системы – правилом Хебба. Нейроны, которые активируются вместе, связываются друг с другом на физическом уровне. У собаки после обучения оказались связаны нейроны, которые реагировали на лампочку, и те, которые реагировали на появление пищи.
Получается, наше обучение, навыки, опыт — всё это существует в виде физических взаимосвязей между нейронами. Наша личность — результат слаженной работы клеток, которая основана на биохимии, на работе ДНК, синтезе белков, регуляции работы генов. И весь этот сложный механизм происходит из одной-единственной клетки.
Как происходит эмбриогенез
Как происходит формирование нашего организма — эмбриогенез?
Важнейший инструмент, помогающий клеткам ориентироваться во время эмбриогенеза — система координат, которая возникает за счет градиентов концентраций разных молекул. Каких-то молекул больше на одной стороне эмбриона, и там будет спина, а каких-то на противоположной. Аналогично с определением того, где должна образоваться голова, а где ноги. Где бы ни оказалась клетка, она может «почувствовать» концентрацию различных молекул, а также механически провзаимодействовать с соседними клетками и оценить, в какой части тела она оказалась. Разумеется, я говорю, что клетка «понимает», метафорически: все это в действительности регулируется биохимическими процессами и активацией генов.
Хорошо это все иллюстрирует мутация у мушки дрозофилы, которая называется «антеннопедия». На голове у такой мушки-мутанта на месте антенн в буквальном смысле вырастают ножки. Причина проста: клетки неверно поняли, в какой части тела они находятся, из-за неправильно работающего гена. Эмбриогенез сломался.
При этом гены, которые отвечают за эмбриогенез, эволюционно очень консервативны. Ведь если что-то пойдёт не так на ранней стадии развития эмбриона, дальше это уже не исправить. Одна ошибка поведет за собой множество других. Поэтому эти центральные гены на протяжении эволюции мало меняются. И то, что эти базовые программы у разных организмов схожи — ещё одно подтверждение нашего общего происхождения.
Это демонстрирует замечательная работа, где в некоторые клетки плодовой мушки встраивали и активировали ген, который отвечает за запуск развития глаза у мышки. У человека, если что, этот ген почти такой же. Результат был потрясающий: у мушки вырастали глаза на лапках и крыльях.
Чей геном больше?
Когда геном человека, то есть совокупность последовательностей наших молекул ДНК, еще не был прочитан, ученые устраивали тотализатор на тему того, сколько же кодирующих белки генов у человека. Некоторые были уверены, что геном человека должен быть чрезвычайно сложно устроен. «Посмотрите на нас, какие мы сложные! У нас должно быть не меньше ста тысяч генов!» —говорили они.
В итоге в тотализаторе победил ученый, который назвал цифру всего в два раза больше, чем у плодовой мушки дрозофилы: 27 000 генов. Объяснил он свою догадку очень просто: «Дело было в баре, глубокой ночью. Наблюдая за поведением пьющих людей, я подумал, что оно мало отличается от поведения мух-дрозофил, у которых 13500 генов, а потому мне показалось, что удвоенного числа мушкиных генов людям вполне достаточно».
С тех пор удалось выяснить, что многие из генов в человеческой ДНК — это псевдогены, которые на самом деле не работают. А функциональных генов у человека около 20 000. То есть у нас примерно столько же генов, сколько у круглого червя Caenorhabditis elegans. Но хотя бы мушку дрозофилу обогнали… А вот у лука геном в пять раз больше человеческого. Видимо, когда мы режем лук, то плачем от своей генетической ущербности перед столь сложным и совершенным организмом. Да-да, вопреки расхожему мнению, человек не «венец эволюции» и тем более не «венец творения». Мы лишь один вид из огромного многообразия живых существ – и даже не самый сложноустроенный.
Мне кажется, что многие открытия в биологии помогают сбить спесь антропоцентризма. Да, у нас классные мозги, которыми, правда, мы не всегда пользуемся, если судить по количеству заблуждений, которые наш вид охотно распространяет. Но у других организмов свои преимущества. И если бы мы попробовали побыть в тех условиях, в которых живут археи — в солёных озёрах или горячих источниках — мы бы там и минуты не протянули.
Мы не конечный продукт эволюции, а просто один из множества видов организмов, которые в равной степени удалены от нашего общего предка. Как червяк, мушка или лук. Эволюция не стремится к какой-то конкретной цели, у нее нет плана. Так кто сказал, что мы не можем взять ее в свои руки? Это делает генный инженер, который создает лекарства от ранее неизлечимых генетических заболеваний. Это делает вирусолог, который разрабатывает вакцину от ковида. Это делает отважный молекулярный биолог М., который погружается на дно океана, запихнув в презерватив детектор фальшивых банкнот.
Надеюсь, этот текст помог вам чуть больше влюбиться в биологию. А если вам было что-то не очень понятно – задавайте вопросы в комментариях, постараюсь на всё ответить.
Ближайшее выступление
Подписывайтесь на мои соц. сети
