Молекула компота
Завожу новый тэг "молекула_компота", под которым буду писать ликбез для чайников по эволюционной биологии, основам генетики и т. п. Мне самой это интересно, потому что я и сама - чайник. Еще лет пять назад я с трудом могла вспомнить хоть что-нибудь из школьной программы по биологии, потом вспомнила свой давний вопрос, чем же все-таки отличаются птицетазовые динозавры от ящеротазовых - и полезла читать Еськова. Узнала много нового, но только не то, что хотела узнать. Закапываться во что-то узкоспециальное мне было не по зубам, хотелось легкого познавательного чтива, поэтому я принялась шерстить ЖЖ в поисках постов по палеонтологии. Набрела на не помню чей журнал с кучей интересного, в том числе с серией постов про неандертальцев. Зачиталась. Увлеклась. Оттуда вырулила на antropogenez.ru, postnauka.ru, elementy.ru, начала различать авторов заметок. Потом нашла в ЖЖ Александра 
macroevolution Маркова, переслушала все его лекции на ютубе, перечитала все его книжки, которые смогла добыть. У него в комментах паслось много других грамотных специалистов, зафрендила самых интересных, слежу за новостями с антропогенеза, подписалась на фейсбуке на Гельфанда, Панчина, Боринскую - и так это все и тянется с тех пор. Страдаю, что не успеваю читать все книги, которые выходят на интересную мне тему. Присела на уши знакомым биохимикам с вопросом "почему рибосома ходит на три буквы", получила внятное объяснение, потом еще накопала на ютубе наглядных мультиков. Пока не поняла, за счет чего эта самая рибосома вообще шевелится, но почему именно на три буквы - поняла. Теперь любопытствую, каким образом гены узнают, кто из них будет доминантным, а кто рецессивным. В справочнике абитуриента по биологии все еще нахожу темы, которые не смогла бы без подготовки ответить на экзамене, но экзаменов мне в ближайшее время и не предстоит, так что продолжаю узнавать то, что мне интересно, а не что положено знать. Иногда ругаюсь в комментах с креационистами и антиГМОшниками, когда отчетливо вижу, что они еще малограмотнее меня, а туда же, спорят со специалистами об устрицах, которых даже не нюхали.
Разные ученые-популяризаторы пишут книги, статьи и посты разного уровня сложности, рассчитанные на разную подготовку читателей, научные журналисты (если они добросовестные) стараются излагать популярно, но дают ссылки на серьезные источники, а я ничего этого делать не буду. Я стану писать только то, что смогла бы легко и просто рассказать, даже если меня разбудить среди ночи. Ссылками на источники я пренебрегу: кому интересно, те преспокойно найдут нужные материалы у более серьезных авторов. Могу только пообещать, что расскажу только то, что узнала от людей, которые сами обмеряли ископаемые черепушки, сами держали в руках пипетки с ферментами и пробирки с выделенной ДНК, сами строили компьютерные модели и эволюционные деревья по генетическим маркерам. Никакой желтой прессы, никаких ОБС среди моих источников нет. И мне самой интересно, что из этого получится, что я смогу понятно и читабельно изложить по памяти, не перелопачивая интернет, чтобы узнать, откуда я знаю то, что знаю. Просто расскажу то, что знаю.
Итак, поехали!
Почему "молекула компота"? Да просто придумала эту фразу - и мне самой понравилось. Придумала я ее, когда увидела в фейсбуке очередной антиГМОшный баттхерт вида "если в арбуз подсадить ген бактерии, то будет ли это все еще арбуз или неведома зверушка". Просто потому, что "ген бактерии" - это настолько же неинформативное словосочетание, как и "молекула компота". В компоте намешано много разных веществ, начиная от воды и заканчивая летучими ароматическими соединениями, и молекула, произвольным образом зачерпнутая из компота, может оказаться молекулой любого из этих веществ. И любое из этих веществ может встречаться не только в компоте, но и в свежем фрукте, в сахарнице, в водопроводе, в коробочке со специями и еще много где. Точно так же у бактерий куча разных генов, которые могут быть совершенно аналогичны генам других организмов, и один и тот же ген можно выделить из бактерии, из червячка какого-нибудь и даже из человека. Для генной инженерии гены берут из того организма, из которого их удобнее взять, - лишь бы это был тот самый ген того самого белка, который нужен экспериментатору. И судя по тому, что для кого-то это настолько неочевидно, что люди озабочены не тем, что ген делает, а тем, из кого его добыли, эти самые люди не очень хорошо себе представляют, что такое гены. Так позвольте же это объяснить на пальцах.
Итак, все слышали, что наследственность определяется генами. И все наверняка слышали, что носитель наследственной информации - ДНК. А также все в курсе, что наследственную информацию от мамы с папой мы получаем в хромосомах. Эээээ... Не многовато ли? ДНК, хромосомы, гены - где они? как они выглядят, как соотносятся между собой? Не спешите запутываться, сейчас распутаемся.
Действительно, весь план развития наших организмов хранится в молекулах ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоты. Это такая длинная-предлинная молекула, биополимер, которая представляет собой две цепочки более мелких химических соединений, называемых нуклеотидами. Эти две цепочки соединены между собой и закручены в виде спирали. Из чего сделаны нуклеотиды, я не интересовалась - кому надо, можете посмотреть их формулы да хотя бы в Википедии, они там точно есть. Называются эти нуклеотиды аденин, цитозин, тимин и гуанин. Обозначаются, соответственно, буквами А, Ц, Т и Г или в зарубежных статьях латиницей: A, C, T и G. И это пока еще не биология, а самая что ни на есть органическая химия. Биохимия и молекулярная генетика начинается дальше. Эти молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) есть у нас в каждой клетке нашего организма, но они там не просто так плавают, а хитро уложены. В ядре каждой клетки водится ядерная ДНК, упакованная в хромосомы: это когда длинная молекула хитрыми восьмерками намотана на белковые "катушечки", утрамбованные в шахматном порядке. Этих хромосом у нас 46 штук - или 23 пары. Молекулы ДНК в хромосомах длинные, и их мало. А есть еще короткие, которых много - эти "живут" в митохондриях и называются митохондриальной ДНК или мтДНК. Когда я училась в школе, в учебнике говорилось, что митохондрии - это органеллы клетки, отвечающие за клеточный энергообмен. Не знаю, что пишут в современных учебниках, но в научно-популярных книжках пишут, что митохондрии - это выродившиеся потомки древних симбиотических бактерий. Когда-то давным-давно какая-то хитрая одноклеточная тварюшка напустила внутрь себя мелких бактерий, которые помогли ей приспособиться к кислородному дыханию, а сами угрелись, расслабились, часть своих генов, нужных для самостоятельной жизни, растеряли, часть "подарили" организму-носителю и постепенно превратились в органеллы (они же органоиды). Так с тех пор и живем. Длина всей ДНК в человеческой клетке составляет около 3 млрд пар нуклеотидов. Если размотать все катушечки и вытянуть молекулу в полный рост, она растянется на больше 2, почти 3 метра. Это в каждой клетке. 46 длинных кусков витого шнурка и несколько десятков коротеньких кусочков. Итак, хромосомы - это просто упаковки для ДНК. А что же такое гены? А гены - это участки ДНК. Просто участки длинной молекулы. Никаких физических границ у них нет, найти, где кончается один ген и начинается следующий, просто так не получится. Тут опять начинается обычная химия: нуклеотиды в молекуле соединены в определенном порядке, и только по последовательности нуклеотидов плавающие в клетке молекулярные фигульки отличают: здесь копируем, здесь не копируем, тут вообще фигня какая-то. Один ген может составлять несколько тысяч (или десятков, или сотен тысяч) нуклеотидов в длину, причем длина их может быть разная. Вот реально, никакой ритмичности рисунка, никаких знаков препинания, никаких обрывов и дырок - просто длиннющая молекула, а начало и конец каждого гена - просто некая последовательность нуклеотидов, опознаваемая чисто химически. И это так не только у нас - точно так же дело с генами обстоит у всех живых организмов, не считая вирусов, которые и не считаются организмами в полном смысле слова, потому что самостоятельно вне клеток носителя не живут. У всех живых организмов гены - это участки молекулы ДНК. Вот ДНК может быть организована по-разному: у бактерий и архей нет клеточного ядра, соответственно, нет и таких же хромосом, как у нас, ДНК у них замкнута в кольцо (кольцевые хромосомы) и по длине, как правило, сильно меньше человеческой. Хотя бывает и довольно длинная - у разных видов по-разному. У эукариот - то есть организмов, в клетках которых есть ядро, - есть и хромосомы, количество их может быть разным. У людей вот 46 штук. И нам это принципиально. Если какой-то хромосомы не хватает или если какая-то затесалась лишняя, то такой организм либо вообще не выживет, либо будет болеть. Синдром Дауна, например, вызывается именно лишней хромосомой (не помню, какой по счету, гуглить лень). А есть зверушки, у которых разное количество хромосом может запросто быть у разных представителей одного вида - и ничего, плодятся и размножаются. Кабаны, например, так могут, им пофиг, хрюкать они хотели на все эти хромосомы. Как уложена ДНК у растений и грибов, я себе плохо представляю, поэтому и углубляться в это сейчас не буду. Поставлю себе пока пометочку на будущее: на досуге почитать еще про генетику растений.
В общем, много слов, а суть проста: длинные молекулы, условно химически размеченные на гены, хитрым образом завернуты и упакованы в хромосомы или другие "коробочки".
А что же из себя представляют гены и зачем они нужны? Самый простой и общий ответ, который некоторые ученые предлагают вызубрить и не забывать никогда, звучит так: ГЕНЫ КОДИРУЮТ БЕЛКИ. Последовательность нуклеотидов в гене определяет то, какой белок будет в клетке синтезироваться по "рецепту" этого гена. И все. Особенно если исходить из того, что собственно генами мы будем называть исключительно белок-кодирующие участки. Потому что именно белки (они же протеины) и являются строительным материалом для всех клеток организма, белки выполняют кучу нужных функций, транспортируют вещества в клетку и из клетки, передают информацию между клетками, "объясняют" друг другу, куда плыть и что делать - и вообще без белков жизни нет. Именно поэтому и "молекула компота": пофиг, из кого ген - важно, какой белок с него будет срисован и что он будет делать в клетке.
Но есть и ответ посложнее: не всегда под генами подразумеваются только белок-кодирующие участки, часто можно встретить выражение "ген-регулятор". Это значит, что сам этот участок ДНК может ничего не кодировать, но зато влияет на то, будет ли считываться находящийся рядом белок-кодирующий ген, а если будет, то как часто. А еще бывают псевдогены. Псевдогены - это такие как бы гены, которые когда-то были нормальными белок-кодирующими генами, но потом поломались и превратились в мусор, который, тем не менее, продолжает болтаться в ДНК. Например, есть у нас такой псевдоген некоего белка, нужного для синтеза витамина С. У нас - это у людей. В стародавние времена, когда мы уже были млекопитающими, но еще не были высшими приматами, этот ген у нас работал, витамин С вырабатывался и никакая цинга нам была не страшна. Но когда мы стали обезьянками и основу нашего рациона стали составлять листья и фрукты, у кого-то в организме этот ген мутировал и работать перестал. И... ничего не случилось. Наши древесные предки жрали столько кислых фруктов, что им и так хватало витамина С, поступающего с пищей. Особи с поломанным геном ни чуточки не поплохело, она продолжала жрать витаминистую еду, нашла себе пару, оставила потомство, которое точно так же продолжало жить и жрать... В общем, с точки зрения естественного отбора мутация оказалась нейтральной, на приспособленность никак не повлияла и через много поколений распространилась по всей популяции и закрепилась. Случайно, скорее всего. Так бывает. Организму с той мутации ни тепло, ни холодно, но по чистой случайности через сколько-то поколений вся популяция оказывается носителями именно этого варианта гена. И теперь нам остается только завидовать крысам, которые могут жрать всякую дрянь и цингой не болеют, а нам приходится в аптеке аскорбинки покупать, чтоб зубы не повыпадали. Впрочем, лимоны и квашеная капуста тоже спасают.
Пожалуй, на сегодня хватит. Скажу только, что белок-кодирующие гены составляют малую толику всего генома, еще небольшая часть работает регуляторными участками, часть кодирует не белки, а РНК - а бОльшая часть человеческого генома - просто белый шум и не кодирует ничего. Издержки естественного отбора...
А про предпосылки для генной инженерии я расскажу в другой раз.
Часть 2
[DW]
macroevolution Маркова, переслушала все его лекции на ютубе, перечитала все его книжки, которые смогла добыть. У него в комментах паслось много других грамотных специалистов, зафрендила самых интересных, слежу за новостями с антропогенеза, подписалась на фейсбуке на Гельфанда, Панчина, Боринскую - и так это все и тянется с тех пор. Страдаю, что не успеваю читать все книги, которые выходят на интересную мне тему. Присела на уши знакомым биохимикам с вопросом "почему рибосома ходит на три буквы", получила внятное объяснение, потом еще накопала на ютубе наглядных мультиков. Пока не поняла, за счет чего эта самая рибосома вообще шевелится, но почему именно на три буквы - поняла. Теперь любопытствую, каким образом гены узнают, кто из них будет доминантным, а кто рецессивным. В справочнике абитуриента по биологии все еще нахожу темы, которые не смогла бы без подготовки ответить на экзамене, но экзаменов мне в ближайшее время и не предстоит, так что продолжаю узнавать то, что мне интересно, а не что положено знать. Иногда ругаюсь в комментах с креационистами и антиГМОшниками, когда отчетливо вижу, что они еще малограмотнее меня, а туда же, спорят со специалистами об устрицах, которых даже не нюхали.
Разные ученые-популяризаторы пишут книги, статьи и посты разного уровня сложности, рассчитанные на разную подготовку читателей, научные журналисты (если они добросовестные) стараются излагать популярно, но дают ссылки на серьезные источники, а я ничего этого делать не буду. Я стану писать только то, что смогла бы легко и просто рассказать, даже если меня разбудить среди ночи. Ссылками на источники я пренебрегу: кому интересно, те преспокойно найдут нужные материалы у более серьезных авторов. Могу только пообещать, что расскажу только то, что узнала от людей, которые сами обмеряли ископаемые черепушки, сами держали в руках пипетки с ферментами и пробирки с выделенной ДНК, сами строили компьютерные модели и эволюционные деревья по генетическим маркерам. Никакой желтой прессы, никаких ОБС среди моих источников нет. И мне самой интересно, что из этого получится, что я смогу понятно и читабельно изложить по памяти, не перелопачивая интернет, чтобы узнать, откуда я знаю то, что знаю. Просто расскажу то, что знаю.
Итак, поехали!
Почему "молекула компота"? Да просто придумала эту фразу - и мне самой понравилось. Придумала я ее, когда увидела в фейсбуке очередной антиГМОшный баттхерт вида "если в арбуз подсадить ген бактерии, то будет ли это все еще арбуз или неведома зверушка". Просто потому, что "ген бактерии" - это настолько же неинформативное словосочетание, как и "молекула компота". В компоте намешано много разных веществ, начиная от воды и заканчивая летучими ароматическими соединениями, и молекула, произвольным образом зачерпнутая из компота, может оказаться молекулой любого из этих веществ. И любое из этих веществ может встречаться не только в компоте, но и в свежем фрукте, в сахарнице, в водопроводе, в коробочке со специями и еще много где. Точно так же у бактерий куча разных генов, которые могут быть совершенно аналогичны генам других организмов, и один и тот же ген можно выделить из бактерии, из червячка какого-нибудь и даже из человека. Для генной инженерии гены берут из того организма, из которого их удобнее взять, - лишь бы это был тот самый ген того самого белка, который нужен экспериментатору. И судя по тому, что для кого-то это настолько неочевидно, что люди озабочены не тем, что ген делает, а тем, из кого его добыли, эти самые люди не очень хорошо себе представляют, что такое гены. Так позвольте же это объяснить на пальцах.
Итак, все слышали, что наследственность определяется генами. И все наверняка слышали, что носитель наследственной информации - ДНК. А также все в курсе, что наследственную информацию от мамы с папой мы получаем в хромосомах. Эээээ... Не многовато ли? ДНК, хромосомы, гены - где они? как они выглядят, как соотносятся между собой? Не спешите запутываться, сейчас распутаемся.
Действительно, весь план развития наших организмов хранится в молекулах ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоты. Это такая длинная-предлинная молекула, биополимер, которая представляет собой две цепочки более мелких химических соединений, называемых нуклеотидами. Эти две цепочки соединены между собой и закручены в виде спирали. Из чего сделаны нуклеотиды, я не интересовалась - кому надо, можете посмотреть их формулы да хотя бы в Википедии, они там точно есть. Называются эти нуклеотиды аденин, цитозин, тимин и гуанин. Обозначаются, соответственно, буквами А, Ц, Т и Г или в зарубежных статьях латиницей: A, C, T и G. И это пока еще не биология, а самая что ни на есть органическая химия. Биохимия и молекулярная генетика начинается дальше. Эти молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) есть у нас в каждой клетке нашего организма, но они там не просто так плавают, а хитро уложены. В ядре каждой клетки водится ядерная ДНК, упакованная в хромосомы: это когда длинная молекула хитрыми восьмерками намотана на белковые "катушечки", утрамбованные в шахматном порядке. Этих хромосом у нас 46 штук - или 23 пары. Молекулы ДНК в хромосомах длинные, и их мало. А есть еще короткие, которых много - эти "живут" в митохондриях и называются митохондриальной ДНК или мтДНК. Когда я училась в школе, в учебнике говорилось, что митохондрии - это органеллы клетки, отвечающие за клеточный энергообмен. Не знаю, что пишут в современных учебниках, но в научно-популярных книжках пишут, что митохондрии - это выродившиеся потомки древних симбиотических бактерий. Когда-то давным-давно какая-то хитрая одноклеточная тварюшка напустила внутрь себя мелких бактерий, которые помогли ей приспособиться к кислородному дыханию, а сами угрелись, расслабились, часть своих генов, нужных для самостоятельной жизни, растеряли, часть "подарили" организму-носителю и постепенно превратились в органеллы (они же органоиды). Так с тех пор и живем. Длина всей ДНК в человеческой клетке составляет около 3 млрд пар нуклеотидов. Если размотать все катушечки и вытянуть молекулу в полный рост, она растянется на больше 2, почти 3 метра. Это в каждой клетке. 46 длинных кусков витого шнурка и несколько десятков коротеньких кусочков. Итак, хромосомы - это просто упаковки для ДНК. А что же такое гены? А гены - это участки ДНК. Просто участки длинной молекулы. Никаких физических границ у них нет, найти, где кончается один ген и начинается следующий, просто так не получится. Тут опять начинается обычная химия: нуклеотиды в молекуле соединены в определенном порядке, и только по последовательности нуклеотидов плавающие в клетке молекулярные фигульки отличают: здесь копируем, здесь не копируем, тут вообще фигня какая-то. Один ген может составлять несколько тысяч (или десятков, или сотен тысяч) нуклеотидов в длину, причем длина их может быть разная. Вот реально, никакой ритмичности рисунка, никаких знаков препинания, никаких обрывов и дырок - просто длиннющая молекула, а начало и конец каждого гена - просто некая последовательность нуклеотидов, опознаваемая чисто химически. И это так не только у нас - точно так же дело с генами обстоит у всех живых организмов, не считая вирусов, которые и не считаются организмами в полном смысле слова, потому что самостоятельно вне клеток носителя не живут. У всех живых организмов гены - это участки молекулы ДНК. Вот ДНК может быть организована по-разному: у бактерий и архей нет клеточного ядра, соответственно, нет и таких же хромосом, как у нас, ДНК у них замкнута в кольцо (кольцевые хромосомы) и по длине, как правило, сильно меньше человеческой. Хотя бывает и довольно длинная - у разных видов по-разному. У эукариот - то есть организмов, в клетках которых есть ядро, - есть и хромосомы, количество их может быть разным. У людей вот 46 штук. И нам это принципиально. Если какой-то хромосомы не хватает или если какая-то затесалась лишняя, то такой организм либо вообще не выживет, либо будет болеть. Синдром Дауна, например, вызывается именно лишней хромосомой (не помню, какой по счету, гуглить лень). А есть зверушки, у которых разное количество хромосом может запросто быть у разных представителей одного вида - и ничего, плодятся и размножаются. Кабаны, например, так могут, им пофиг, хрюкать они хотели на все эти хромосомы. Как уложена ДНК у растений и грибов, я себе плохо представляю, поэтому и углубляться в это сейчас не буду. Поставлю себе пока пометочку на будущее: на досуге почитать еще про генетику растений.
В общем, много слов, а суть проста: длинные молекулы, условно химически размеченные на гены, хитрым образом завернуты и упакованы в хромосомы или другие "коробочки".
А что же из себя представляют гены и зачем они нужны? Самый простой и общий ответ, который некоторые ученые предлагают вызубрить и не забывать никогда, звучит так: ГЕНЫ КОДИРУЮТ БЕЛКИ. Последовательность нуклеотидов в гене определяет то, какой белок будет в клетке синтезироваться по "рецепту" этого гена. И все. Особенно если исходить из того, что собственно генами мы будем называть исключительно белок-кодирующие участки. Потому что именно белки (они же протеины) и являются строительным материалом для всех клеток организма, белки выполняют кучу нужных функций, транспортируют вещества в клетку и из клетки, передают информацию между клетками, "объясняют" друг другу, куда плыть и что делать - и вообще без белков жизни нет. Именно поэтому и "молекула компота": пофиг, из кого ген - важно, какой белок с него будет срисован и что он будет делать в клетке.
Но есть и ответ посложнее: не всегда под генами подразумеваются только белок-кодирующие участки, часто можно встретить выражение "ген-регулятор". Это значит, что сам этот участок ДНК может ничего не кодировать, но зато влияет на то, будет ли считываться находящийся рядом белок-кодирующий ген, а если будет, то как часто. А еще бывают псевдогены. Псевдогены - это такие как бы гены, которые когда-то были нормальными белок-кодирующими генами, но потом поломались и превратились в мусор, который, тем не менее, продолжает болтаться в ДНК. Например, есть у нас такой псевдоген некоего белка, нужного для синтеза витамина С. У нас - это у людей. В стародавние времена, когда мы уже были млекопитающими, но еще не были высшими приматами, этот ген у нас работал, витамин С вырабатывался и никакая цинга нам была не страшна. Но когда мы стали обезьянками и основу нашего рациона стали составлять листья и фрукты, у кого-то в организме этот ген мутировал и работать перестал. И... ничего не случилось. Наши древесные предки жрали столько кислых фруктов, что им и так хватало витамина С, поступающего с пищей. Особи с поломанным геном ни чуточки не поплохело, она продолжала жрать витаминистую еду, нашла себе пару, оставила потомство, которое точно так же продолжало жить и жрать... В общем, с точки зрения естественного отбора мутация оказалась нейтральной, на приспособленность никак не повлияла и через много поколений распространилась по всей популяции и закрепилась. Случайно, скорее всего. Так бывает. Организму с той мутации ни тепло, ни холодно, но по чистой случайности через сколько-то поколений вся популяция оказывается носителями именно этого варианта гена. И теперь нам остается только завидовать крысам, которые могут жрать всякую дрянь и цингой не болеют, а нам приходится в аптеке аскорбинки покупать, чтоб зубы не повыпадали. Впрочем, лимоны и квашеная капуста тоже спасают.
Пожалуй, на сегодня хватит. Скажу только, что белок-кодирующие гены составляют малую толику всего генома, еще небольшая часть работает регуляторными участками, часть кодирует не белки, а РНК - а бОльшая часть человеческого генома - просто белый шум и не кодирует ничего. Издержки естественного отбора...
А про предпосылки для генной инженерии я расскажу в другой раз.
Часть 2
[DW]