Як працює хромосома

У кожної рослини або тварини існують характерні властивості – ознаки, за якими її можна легко відрізнити. У рослин – це форма і забарвлення листя, стебла, у тварин – будова тіла, колір і характер волосяного покриву і багато іншого. Всі ці ознаки створюють стрункий порядок в уявному хаосі оточуючого нас світу живих істот. Але, крім цих легко спостережуваних і досліджуваних ознак, є ще й інші, дуже строгі і постійні, які допомагають нам розкривати багато заплутаних таємниць природи. Серед цих ознак ми знаходимо і «героїню» нашої розповіді – хромосому.

Хромосоми – це основна структура клітинного ядра. Їх число і їх форма для кожної тварини і рослини завжди строго певні. Наприклад, тверді пшениці мають завжди 28 хромосом, м’які – 42 хромосоми, у кукурудзи – їх 20, у людини – 46. Але навіть у цьому наборі хромосом кожна з них має своє «обличчя». Як хороших знайомих, можна легко впізнати, наприклад, кожну хромосому людини, незважаючи на те, що їх досить багато.

Хромосоми маються на ядрі кожної клітини тварини або рослини. Але розглянути їх можна добре тільки тоді, коли жива клітина ділиться на дві. В ядрі спокійної клітини – в період між поділами – хромосоми видно погано; в цей час, який триває від 10 до 20 годин, вони знаходяться в стані найбільшого подовження і найменшої товщини. При підготовці клітини до поділу вони коротшають, товщають і вибудовуються в одній площині. В цей момент їх і найкраще вивчати. Ще зовсім недавно вчені для того, щоб познайомитися з хромосомами, вбивали клітину, а потім вже її розглядали. Тепер все частіше дослідження проводяться на живій клітині. Спостерігаючи за нею, вчені знімають захоплюючі фільми, що показують, що ж відбувається з хромосомами при діленні клітини.

Найяскравіша відмітна риса поведінки хромосом під час ділення клітини – це абсолютно точний їх розподіл між двома новонародженими дочірніми клітинами. Якщо цей розподіл порушити, то зміниться не тільки сама клітина, а й ознаки цілого організму. Так, нестача лише однієї з 46 хромосом людини або наявність зайвої хромосоми призводить до дуже важких захворювань – безпліддя, розумової відсталості, малому росту. У цьому якраз і полягає небезпека радіоактивної радіації: вона викликає різкі порушення в будові і розподілі хромосом людини і тварин.

Однак, не всі порушення хромосом призводять до небажаних для організму змін. Якщо опромінити клітини в проростаючому насінні пшениці, кукурудзи або будь-якої іншої рослини, то серед рослин, які розвинулися з такого насіння, можна відібрати дуже корисні для людини форми з новими ознаками, що стійко передаються у спадщину. Таким способом створені нові цінні сорти сільськогосподарських рослин і високопродуктивні форми антибіотиків.

Діючи на клітини спеціальними хімічними речовинами, можна навіть зробити так, що число хромосом в клітинах рослин подвоїться. Така зміна виявляється дуже корисною. Недавно вчені вивели нову форму цукрового буряка з потрійним набором хромосом. У нього значно більш висока цукристість, ніж у звичайного.

Все, що ми знаємо про хромосоми, говорить про їх тісний зв’язок з явищами спадковості. Хімічна речовина, яка зберігає і передає генетичну інформацію, – дезоксирибонуклеїнова кислота, або скорочено ДНК, – зосереджена тільки в хромосомах. Довгі молекули ДНК побудовані зі специфічних «цеглин», і від того, в якій послідовності розташовуються ці «цеглини», залежать характер і властивості речовин, що утворюються за допомогою ДНК. У кожній хромосомі є певне для даного виду число молекул ДНК. Якщо їх витягнути в нитку, вони розтягнуться на 10 метрів. А довжина самої хромосоми – всього кілька мікронів.

Хромосома – невтомний трудівник. Чим активніше зростає клітина, чим інтенсивніше йде в ній обмін речовин, тим напруженіше «трудиться» хромосома. Ми вже говорили, що основну участь в обміні речовин клітини хромосоми приймають тоді, коли клітина не ділиться. Хромосоми в цей період сильно розкручуються, збільшуючи у багато разів свою робочу поверхню. Вченим Б. В. Кедровським і А. А. Прокоф’євою-Бельговскою вдалося детально побачити, що відбувається з хромосомою, коли клітина посилено «працює». В цей період на її поверхні утворюється велика кількість специфічних речовин. Вони періодично відокремлюються від хромосоми і йдуть в цитоплазму, навколишнє ядро живої клітини. Причому основною речовиною, яку виробляє хромосома, є теж нуклеїнова кислота – тільки вже рибонуклеїнова (РНК).

РНК дуже активна і рухлива, вона легко переходить з ядра в цитоплазму клітини і має дивовижну властивість – строго повторювати структуру ДНК, характерне розташування її будівельних «цеглин». Таким способом вона точно передає інформацію від хромосомної речовини в цитоплазму, де зосереджена основна фабрика виробництва білків. І від характеру РНК залежить характер утвореного в клітині білка. Існує прямий зв’язок також між активністю синтезів в цитоплазмі клітини і кількістю РНК, що утворюється в цей період на хромосомах. Отже, на ДНК хромосом, як на матриці друкованого верстата, безперервно віддруковуються її копії, відображаючи всі зміни, які відбуваються в хромосомі.

Коли хромосома працює, її зовнішній вигляд може сильно змінюватися. І не тільки за рахунок того, що на її поверхні накопичуються продукти життєдіяльності. Всі зміни зовнішнього вигляду хромосоми пов’язані із збільшенням її активної, робочої поверхні. На хромосомі можуть утворитися численні бічні вирости – тоді хромосома стає схожа на йоржик для миття скляного посуду. Вчені так і назвали такі хромосоми – «ламповими щітками». Робоча поверхня збільшується також, якщо зросте число ниток ДНК, з яких побудована хромосома. В цьому випадку виникають гігантські хромосоми, що часто зустрічаються у комах і деяких рослин – в клітинах, які утворюють багато білка.

Однак не все залежить від того, активно чи неактивно працює вся хромосома. В різних органах тіла її діяльність повинна бути теж різною, щоб забезпечити специфічність клітин цих органів. І дійсно, в кожному органі тіла, в кожній спеціальній тканині в активну роботу включаються строго певні, характерні ділянки хромосом.

Будь-яка, сама високоорганізована жива істота розвивається з однієї-єдиної клітини, в якій немає тих складних органів і тканин, які має дорослий організм. Але з кожної вихідної клітинки розвивається тільки певний організм: з курячого яйця виходить саме курка, а не качка і тим більше не кішка і не собака. Значить, у цій вихідній клітині був закладений величезний запас інформації, що реалізується при взаємодії з умовами середовища в ході розвитку клітини.

Вчені встановили, що хромосоми в зародку, що розвивається працюють за тим же принципом, з яким ми зустрічалися, знайомлячись з хромосомами різних тканин дорослого організму: на кожній стадії розвитку в активну роботу послідовно включаються спеціальні ділянки хромосом. Такі ділянки можна легко виявити, тому що вони сильно здуваються, набухають. По закінченні «роботи» ці райони хромосом приймають свій первинний вигляд. Існує суворе правило: якщо ми знаємо стадію розвитку організму, то ми можемо точно сказати, яким буде зовнішній вигляд його хромосом, скільки з’явиться здуття і де вони будуть розташовані. І навпаки, за зовнішнім виглядом хромосом можна впевнено дізнатися стадію розвитку організму.

Які ж речовини виділяються з активних ділянок хромосом? Перш за все, вже знайома нам РНК. Ось, наприклад, на одній з хромосом мотиля. У личинки в ньому ледь вдається визначити присутність РНК. Але як тільки личинка перетворюється на лялечку, на цьому місці починає бурхливо накопичуватися велика кількість РНК, яка поступово переходить в цитоплазму у вигляді дрібних крапельок. Таким чином, через РНК подаються сигнали в цитоплазму про зміну активності того чи іншого відділу хромосоми. Виходить, хромосома дволика: на одній стадії розвитку її окремі райони можуть виділяти активні білки, на іншій – РНК.

Повністю керувати роботою хромосом ми поки ще не навчилися. Це – справа майбутнього. Але втрутитися в роботу їх окремих ділянок вже вміємо. Можна видалити той чи інший район хромосом, перемінити місцями кілька районів, додати шматочок хромосом від іншого близького організму – і міняються окремі ознаки цілого організму.

Отже, хромосома поступово, одна за одною розкриває нам свої таємниці. Озброєні цими знаннями, ми активно втручаємося в життя клітини, в «роботу» цілого організму. Зміна числа хромосом, переробка їх структури за допомогою зовнішніх впливів широко використовуються для створення нових сортів рослин. Хромосомний аналіз стає незамінним методом в розшифровці спадкових захворювань людини. За допомогою вивчення хромосомних перебудов у людини і тварин була показана величезна небезпека навіть незначного підвищення рівня природної радіації, яка виникає в результаті випробувань атомної зброї.

Розшифровка механізму «роботи» хромосом важлива не тільки для розуміння сутності життєвих явищ, а й для використання «досвіду роботи» хромосом в галузі технічних наук, зокрема для конструювання нових електронних машин. Пізнавши до кінця специфіку роботи хромосом, ми ще на один крок станемо ближче до нашої мети – розкриття таємниць природи.

Автор: І. І. Кикнадзе.