Теперь мы можем ответить на вопрос, которым закончили предыдущий раздел. Хромосомы так просто не разделяются посередине, становясь двумя хромосомами в метафазе. Если бы хромосома была раздроблена посередине, каждая нуклеопротеиновая молекула была бы разрушена. Вместо того чтобы иметь две хромосомы, мы не имели бы ни одной.
Следовательно, для того чтобы каждой хромосоме стать уже двумя хромосомами в метафазе, одна из них должна быть создана заново из более простых материалов.
Как это делается? Точно не знает никто. Многие ученые изучают этот процесс. Как только они получат полный ответ, они будут иметь в своем распоряжении один из важных ключей к знанию природы самой жизни.
В грубом приближении тем не менее это, кажется, осуществляется следующим образом: протоплазма в клетке содержит различные простые вещества, которые могут быть соединены, чтобы сформировать хромосому. (Подобно частям мозаики, когда вы видите, какая из них при правильном соединении с другими может составить большую картину.) Некоторые из этих веществ называют аминокислотами. Другие называют пуринами, пиримидинами, пентозами и ионами фосфата. Некоторым образом эти простые вещества вытягиваются из протоплазмы и выстраиваются в линию около различных хромосом. Расположение веществ таково, что каждая аминокислота в каждой хромосоме имеет подобную аминокислоту рядом с собой; каждый пурин соседствует с подобным же пурином и т. д. Когда построение закончено, все эти маленькие молекулы и ионы соединяются вместе, и в итоге мы имеем вторую хромосому рядом с первой. Так как вторая хромосома составлена из точно таких же молекул и ионов, что и первая, и выстроена в линию в том же самом порядке, то мы имеем точный дубликат первой хромосомы. Первая хромосома действовала как своего рода модель, но которой вылеплена вторая.
Процесс, которым химическая структура формирует другую структуру только и непосредственно из материалов в протоплазме, известен как самовоспроизводство.
Суммируя, таким образом, то, что происходит в делящейся клетке человека в метафазе, мы видим, что каждая из этих сорока восьми хромосом в клетке самовоспроизводится. Сформированный второй набор хромосом является точным дубликатом первого набора. Два набора двигаются в противоположные концы клетки, и, когда клетка делится, каждая дочерняя клетка имеет свой собственный набор хромосом.
Ферменты и гены
Мы увидели, что клетка содержит множество различных веществ, которые могут использоваться как сырье в изготовлении сложных структур тина хромосом. Каждая клетка, фактически, содержит в пределах своей микроскопической структуры много тысяч различных химикатов. Эти химикаты непрерывно сталкиваются и объединяются друг с другом, обмениваются атомами, раскалываясь и обособляясь, перестраивают атомы в пределах своей собственной структуры и т. д. Действия подобного рода называются химическими реакциями.
Как вам может показаться из этого описания, события в пределах клетки должны быть очень запутанными, молекулы снуют туда-сюда, подобно людям, сталкивающимся друг с другом на переполненной железнодорожной станции. Однако есть один тип молекулы, который привносит порядок и смысл в химические реакции, имеющие место в пределах клетки. Это — ферменты. Ферменты — сравнительно большие молекулы, которые способны оказать влияние на течение некоторых химических реакций. Каждый фермент может влиять на одну специфическую химическую реакцию, так как вблизи него происходит только она, и никакая другая.
В пределах одной клетки различные ферменты, видимо, расположены упорядоченным образом. Например, множество ферментов — части маленьких структур в пределах цитоплазмы клетки. Эти структуры называют митохондриями. Подобно хромосомам, митохондрии составлены из нуклеопротеина. Нуклеопротеин митохондрии имеет, однако, химически отличный от хромосомного тип.
Мы можем рассмотреть клетку как нечто подобное микроскопической фабрике. Молекулы всех видов поступают в наш организм из воздуха и из пищи, которую мы едим, и переносятся к индивидуальным клеткам потоками крови. Это напоминает путь, каким уголь, сталь, каучук и другое сырье поставляются на фабрики поездами и судами.
В клетке эти молекулы разрушаются, чтобы в результате отдать энергию, или же они выстраиваются, чтобы сформировать более сложные молекулы. Это все подобно тому, как фабрики сжигают уголь, чтобы получить энергию, или используют сталь и другие материалы, чтобы создать сложную структуру, подобную автомобилю или самолету. Каждая химическая реакция в клетке управляется ферментом, подобно тому как каждое действие на фабрике управляется каким-либо рабочим. Ферменты организованы в митохондриях так же, как рабочие поставлены вдоль сборочных линий.
Так же как фабрика не могла бы сделать ничего существенного, например, если бы все рабочие бастовали, так и клетка не может ничего создать без тысяч ее ферментов. Но тогда откуда же берутся сами ферменты? Это — важный вопрос. Лучший ответ, который мы пока знаем, следующий: ферменты формируются нуклеопротеиновыми молекулами в пределах хромосом.
Как мы сказали, хромосома состоит не из единственной нуклеопротеиновой молекулы, но из тысяч таких растянутых молекул. Каждую нуклеоиротеиновую молекулу называют геном.
Гены имеют два важных свойства. Первое — способность самовоспроизводства в течение митоза, — процесс, объясненный в разделах «Как делятся клетки» и «Внутри хромосомы». Второе — способность произвести фермент. Точный процесс производства фермента еще неизвестен. Возможно, весь ген используется как модель для другого гена, и только некоторая часть гена используется как модель для фермента.
Некоторые ученые полагают, что каждый ген имеет способность формировать один специфический фермент, и никакой другой. Другие полностью не убеждены в том, что гены столь специализированны. Кажется довольно обоснованным, однако, что характер генов, представленных в хромосомах клетки, определяет характер ферментов в клетке. Так как ферменты контролируют химические реакции, гены управляют химией клетки. После разделения клетки каждая дочерняя клетка имеет идентичные гены и поэтому идентичный химический состав. Это результат самовоспроизводства в митозе: обе дочерние клетки имеют идентичные гены.
Гены и физические характеристики
Теперь, когда мы показали, как клетки сохраняют свои характеристики после деления, вы можете задаться вопросом, как все это относится к проблеме человеческих рас. Применение всего этого следующее: физические характеристики, которые мы упоминали в предыдущей главе, определены химией клетки. Все то, что каким-то образом затрагивает химию клетки, может так или иначе затронуть телесные физические характеристики.
В качестве примера давайте рассмотрим цвет кожи.
Большая молекула пигмента меланина сформировывается в клетках кожи из намного меньшей молекулы, названной тирозином. (Тирозин бесцветен и присутствует во всех клетках.) Конкретные этапы этого процесса все еще неизвестны, но один из известных нам первых шагов требует присутствия фермента, называемого тирозиназой. В клетках кожи большинства людей есть но крайней мере один ген, работа которого должна привести к образованию тирозиназы. Если ген имеет вид, который может формировать значительные количества тирозиназы, клетка кожи походит на хорошо укомплектованную фабрику. Формируются значительные количества меланина, и человек, обладающий этим геном, имеет поэтому темно-коричневую кожу, черные волосы и темно-карие глаза. Если ген имеет вид, который производит только небольшое количество тирозиназы, будет верным обратное. Будет сформировано лишь небольшое количество меланина, и человек будет иметь бледную кожу, светлые волосы и светлые глаза. Кроме того, есть некоторые люди, чьи гены не формируют тирозиназы вообще. Так как в их клетках нет даже небольшого количества тирозиназы, у них не может быть и меланина. Такие люди имеют очень светлую кожу, белые волосы, и у них нет вообще никакой пигментации радужной оболочки глаз. (Их глаза выглядят красноватыми, потому что маленькие кровеносные сосуды проступают через прозрачную бесцветную радужную оболочку.) Таких людей называют альбиносами. Если вы когда-либо встречали альбиноса, то лично смогли убедиться в том, какое потрясающее воздействие на физическое состояние человека может иметь присутствие или отсутствие только одного гена.
Есть и другие ферменты, и поэтому многие другие гены вовлечены в формирование меланина. Цвет кожи по этой причине более сложен, чем это могло бы показаться из того, о чем мы пока рассказали.
Другая физическая характеристика, которую мы могли бы рассмотреть, — рост. Один из химических факторов, которые влияют на рост человека, известен как гормон роста. Это вещество формируется в клетках маленькой структуры, названной гипофизом, который расположен прямо под мозгом. Гормон роста проникает из гипофиза в кровяной поток. Кровь несет его ко всем частям тела, так или иначе (снова мы не знаем точные детали) поощряя клетки расти и делиться.