Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции - Лев Кривицкий

Простейшие клеточные организмы, к числу которых относятся бактерии и сине-зелёные водоросли, вообще не имеют ядер. Роль упорядочивающих структур в них играет молекула ДНК, содержащаяся в единственной хромосоме. Такие примитивные организмы получили название прокариотов. Безъядерные клетки прокариотов управляются генетическими структурами, которые расположены непосредственно в цитоплазме. Эти структуры и регулируют обмен веществ, поддержание стабильности, размножение и другие функции клеток.

Ядерные клетки, эукариоты, появились в процессе прогрессивной эволюции около 3 млрд. лет назад. Ядра клеток эукариотов состоят из оболочки, ядерного сока (матрикса), ядрышка и хроматина. Оболочка отделяет генетический материал хромосом от многообразных реакций цитоплазмы. Защита здесь особенно крепка, поскольку оболочка состоит из двух мембран, разделённых околоядерным пространством. Такая двойная линия обороны, тем не менее, пронизана порами, размер которых составляет не более 80–90 нм. Внутреннюю мембрану возле пор укрепляет ещё одно «фортификационное сооружение» – плотная пластинка, состоящая из твёрдых белков. Она играет роль своеобразного каркаса, поддерживающего форму ядра даже в случае разрушения обеих мембран оболочки в ходе гибели клетки. Возможно, что белковый каркас поддерживает упорядоченное расположение хромосом до начала процесса деления клетки. В отличие от студнеобразной клетки ядро имеет плотное строение.

Ведущую часть структуры ядер составляют хромосомы (от греч. «хрома» – краска, цвет). Ещё в 1848 г. немецкий исследователь В. Гофмейстер установил, что при делении клеток их ядра испытывают какие-то превращения, распадаясь на продолговатые образования, которые хорошо окрашивались для наблюдений под микроскопом. Он назвал эти образования хромосомами, т. е. окрашиваемыми телами. Хроматин (вещество) ядра имеет форму гранул или глыбок, окрашенных специальными красителями. Структурные элементы хроматина, хромосомы, представляют собой длинные тонкие нити, которые в периоды деления клеток завиваются в спирали и становятся плотными, прямыми или изогнутыми тельцами. Около 40 % состава хромосом образуют молекулы ДНК и около 60 % – белки.

Строение хромосом принципиально различно у соматических и половых клеток. В соматических клетках хромосомы располагаются парами и их количество вдвое больше, чем у половых клеток, для которых присуще непарное расположение хромосом. Поэтому набор хромосом соматических клеток называется диплоидным, двойным, а у половых клеток – гаплоидным, одинарным. Половое размножение лишило клетки, специализированные на половом взаимодействии обычного для делящихся клеток двойного набора хромосом. Одинарный, гаплоидный набор сделал половые клетки несамостоятельными, неспособными к автоматически действующему порядку деления. Для осуществления экспансии во внешний мир, организуемой ядром, им нужен второй набор хромосом, которые они могут найти только в партнёрской клетке партнёрского организма. Соответственно возникает и специализация хромосом на инициирующие, мобилизующие – мужские и восприимчивые, мобилизованные – женские. Сексуальное тяготение становится великой мобилизующей силой, которое наряду с пищевым рефлексом побуждает живые существа с постоянной биологически целесообразной деятельности для повышения качества жизни, а тем самым – и к повышению качества устройства организма и целесообразного поведения.

Соответственно сложились два принципиально различных способа деления клетки – митоз и мейоз. Митоз присущ соматическим клеткам, он заключается в образовании двух дочерних ядер с наборами хромосом, идентичными тем, что имелись у родительской клетки. Мейоз происходит только у половых клеток вследствие наличия у них одинарного набора хромосом и потребности для деления в партнёрских клетках также с одинарным набором хромосом.

Наборы хромосом постоянны у каждого вида. Например, у ржи диплоидный набор хромосом составляет 14, у человека равен 46 хромосомам, тогда как гаплоидный набор его половых клеток включает 23 хромосомы.

Жизненный цикл каждой клетки определяется её подготовкой к делению и осуществлением процесса размножения. Именно в определении жизненного цикла клеток заключается регулирующая и мобилизующая роль клеточных ядер. При этом клеточное ядро делится с образованием четырёх дочерних ядер, каждое из которых содержит, естественно, вдвое меньше хромосом, чем дочернее ядро. Полный клеточный цикл принято рассматривать от одного деления клетки до другого. Подобно этому цикл человеческой жизни рассматривается от рождения до смерти, а среднесрочные экономические циклы определяются от кризиса до кризиса.

Продолжительность клеточного цикла так же неодинакова, как продолжительность человеческой жизни или продолжительность циклов рыночной экономики. Можно вычислять лишь среднюю продолжительность для тех или иных клеточных структур.

Наиболее длительным периодом в жизни клетки является интерфаза, т. е. фаза её развития между её полным отделением от раздвоившейся материнской клетки и началом её собственного деления, порождающего дочерние клетки. Интерфаза подразделяется на три периода. В первый период клетка растёт, образует органеллы, синтезирует структурные и функциональные белки, ДНК и РНК. На втором этапе клетка взрослеет, вступает в пору зрелости. Происходит раздвоение хромосом по две хроматиды, репликация ДНК, синтез обслуживающих ДНК белков и ферментов. В третий период осуществляется деление митохондрий, накопление энергетических запасов клетки, повышение интенсивности биосинтеза, формируются нитеобразные компоненты будущего веретена деления.

Затем после столь всесторонней подготовки, занимающей более 80 % времени жизненного цикла клетки, начинается сам процесс деления, в котором исследователи выделения пять основных фаз – интерфазу, профазу, метафазу, анафазу и телофазу, а также отдельный период – цитокинез.

В профазе происходит спирализация хромосом, распад оболочки ядра и ядрышка, формирование веретена деления. В метафазе хромосомы прикрепляются к нитям веретена деления в «экваториальной» зоне клетки, там, где впоследствии пройдёт линия раздела.

В анафазе делится скрепляющая хромосомы центромера, и нити веретена оттаскивают хромосомы к «полюсам» делящейся клетки, вследствие чего эти хромосомы, собравшиеся уже у двух разных «полюсов», принадлежат уже не распадающейся материнской клетке, а формирующимся обеим дочерним клеткам.

В телофазе становящиеся дочерними хромосомы теряют спиральную форму, необходимую для удвоения, разрушаются нити веретена деления, вокруг скопившихся на «полюсах» хромосом формируются новые ядра, оба этих ядра окружаются оболочками, возникают новые ядрышки в обоих ядрах.

После этого прошедшая все фазы деления ядра и образования дочерних ядер клетка вступает в период цитокинеза – окончательного разделения материнской клетки на две дочерние, сосуществующие пока ещё в одном теле преобразованной материнской клетки две ядерные мобилизационные структуры начинают «разламывать» единую цитоплазму, образуя свои собственные территории. На месте прежней «экваториальной зоны», где были выстроены хромосомы, возникает тонкая борозда, затем перетяжка, и, наконец, выросты мембраны смыкаются, образуя новые оболочки и границу, отделяющую дочерние клетки друг от друга. После этого они расходятся пространственно и начинают новую жизнь, повторяя в общем и целом жизненный цикл материнской клетки.

Порядок и последовательность осуществления клеточного цикла регулируется в ядре синтезом специальных белков. Некоторые особенности механизма такого регулирования прояснили Л. Хартуэлл (США), Т. Хант и П. Нурс (Великобритания), которым за это открытие была присуждена Нобелевская премия по биологии 2001 года. Структурные особенности механизма регулирования пока не выявлены. Определены лишь химические стимулы процесса деления клеток. Такими стимулами к запуску размножения клеток являются специальные ферменты – киназы, вырабатываемые постоянно при достижении клеткой зрелости и окончании периода роста. Но для приведения этих ферментов в активное состояние необходим другой белок – циклин, являющийся своеобразным сигналом, передающим сообщение о правильности порядка, необходимого для начала деления.

В зависимости от условий, в которых функционируют клетки, они могут переставать делиться, возобновлять деление или погибать, отмирать. Половые клетки делятся посредством мейоза, утрачивая парное число хромосом и приобретая их одинарный набор. Их назначение – оплодотворение, т. е. слияние мужских и женских половых клеток, сперматозоидов и яйцеклеток, в результате которого образуется оплодотворённая яйцеклетка, именуемая зиготой. Головка сперматозоида разрушает оболочку яйцеклетки специальными ферментами и проникает внутрь. Его клеточная оболочка тоже разрушается ферментами яйцеклетки, а ядро высвобождается и погружается в цитоплазму яйцеклетки. После этого мужские и женские ядра набухают и сливаются, образуя единое ядро с парным набором хромосом. Далее образовавшаяся таким образом зигота начинает делиться, образуя многоклеточный организм.