3. Клеточное ядро

Когда мы рассматриваем живую клетку под микроскопом, то прежде все­го обращаем внимание на ее ядро; в растительной клетке оно обычно не столь заметно, но и здесь при надлежащем окрашивании оно видно достаточ­но хорошо. В ядре находится ДНК - генетический материал клетки, объеди­ненный с большим количеством белка в структуры, называемые хромосомами. Непосредственно перед делением ядра и во время его деления, предшествую­щего делению самой клетки, хромосомы имеют вид коротких палочек (рис. 9).

Рис. 9. Ядра и хромосомы. Срез корня лука., В одной из клеток ядро делится: в ней хромосомы уплотнены и имеют вид палочек. В ядрах остальных клеток о существовании хромосом напоминают лишь многочисленные мелкие точки. Более крупные темные участки - это ядрышки.

В промежутках между делениями ядра хромосомы раскручиваются и их вещество распределяется по всей клетке в виде рыхлой массы. Хромосомная ДНК управляет образованием молекул РНК, которые выхо­дят из ядра в цитоплазму, где они участвуют в синтезе белков. Часть РНК становится компонентом рибосом; эта РНК образуется в одном или несколь­ких участках ядра, окрашивающихся более интенсивно, в так называемом ядрышке (или ядрышках).

Другой вид синтезируемой в ядре РНК несет в себе информацию, опреде­ляющую аминокислотную последовательность белков. В ДНК любой клетки содержится информация для синтеза всех белков, необходимых организму, но каждая данная клетка образует лишь часть этих белков. Кроме того, в неко­торых клетках набор синтезируемых белков время от времени меняется. Итак, ядро следует считать регуляторным центром клетки, поскольку образуемая им РНК определяет, какие именно белки будут синтезироваться на рибосомах в цитоплазме. Впрочем, эта регуляция двусторонняя: вещества из цитоплазмы поступают в ядро и влияют на ДНК таким образом, чтобы здесь начался или, напротив, прекратился синтез или же экспорт определенных видов РНК, так что характер этого процесса в конечном счете зависит от химического состава цитоплазмы в данный момент.

Ядро окружено двойной мембраной - так называемой ядерной мембраной, или ядерной оболочкой. Эта ядерная мембрана пронизана сравнительно крупными порами, через которые из ядра в цитоплазму или обратно могут переходить довольно крупные частицы, например субчастицы рибосом.

4. Клеточное деление

Все новые клетки возникают в результате деления уже существующих кле­ток надвое. Если делится одноклеточный организм, то из старого организма образуются два новых. Многоклеточный организм начинает свое развитие с одной-единственной клетки; все его многочисленные клетки образуются за­тем путем многократных клеточных делений. Эти деления продолжаются в течение всей жизни многоклеточного организма, по мере его развития и ро­ста в процессах репарации, регенерации или замещения отслуживших клеток новыми. Когда, например, клетки нёба отмирают и слущиваются, их заме­щают другие клетки, образовавшиеся путем деления клеток в глубже лежащих слоях.

Новообразованные клетки обычно становятся способными к делению лишь после некоторого периода роста. Кроме того, делению должно предше­ствовать удвоение клеточных органелл; в противном случае в дочерние клет­ки попадало бы все меньше и меньше органелл. Некоторые органеллы, напри­мер хлоропласты и митохондрии, сами воспроизводятся делением надвое; клетке достаточно иметь хотя бы одну такую органеллу, чтобы затем образо­вать их столько, сколько ей требуется. Каждой клетке необходимо также иметь вначале какое-то количество рибосом, чтобы использовать их для син­теза белков, из которых затем можно построить новые рибосомы, эндоплазматический ретикулум и многие другие органеллы.

Перед началом клеточного деления ДНК клетки должна реплицироваться (дуплицироваться) с очень высокой точностью, поскольку ДНК несет в себе информацию, необходимую клетке для синтеза белков. Если какая-нибудь до­черняя клетка не унаследует полный набор таких заключенных в ДНК ин­струкций, то она может оказаться не в состоянии синтезировать все те белки, которые могут ей потребоваться. Чтобы этого не случилось, ДНК должна ре­плицироваться и каждая дочерняя клетка при клеточном делении должна по­лучить ее копию.

Клеточное деление у прокариот. Бактериальная клетка содержит только од­ну молекулу ДНК, прикрепленную к клеточной мембране. Перед делением клетки бактериальная ДНК реплицируется, образуя две идентичные молекулы ДНК, каждая из которых тоже прикреплена к клеточной мембране. Когда клетка делится, клеточная мембрана врастает между этими двумя молекулами ДНК, так что в конечном счете в каждой дочерней клетке оказывается по одной молекуле ДНК (рис. 10).

Рис. 10. Деление бактериальной клетки. ДНК реплицируется и расходится по двум до­черним клеткам.

Клеточное деление у эукариот. Для клеток эукариот проблема деления оказывается гораздо более сложной, поскольку хромосом у них много, и хромосомы эти неидентичны. Соответственно более сложным должен быть и процесс деления, гарантирующий, что каждая дочерняя клетка получит пол­ный набор хромосом. Этот процесс называется митозом.

Митоз - это деление ядра, приводящее к образованию двух дочерних ядер, в каждом из которых имеется точно такой же набор хромосом, как в роди­тельском ядре. Поскольку за делением ядра обычно следует клеточное деле­ние, термин «митоз» нередко употребляют в более широком смысле, имея в виду и сам митоз, и клеточное деление, которое за ним следует. Таин­ственный танец, исполняемый хромосомами при их разделении во время ми­тоза на два идентичных набора, впервые наблюдался исследователями более ста лет назад, однако и до сих пор многое в этой фантастически точной «хо­реографии» хромосомных движений еще остается неясным.

Митозу должно предшествовать удвоение хромосом. Удвоившаяся хромо­сома состоит из двух одинаковых половинок, соединенных при помощи осо­бой структуры, которую называют центромерой. Эти две половин­ки превращаются в обособленные хромосомы лишь к середине митоза, когда центромера делится и их уже больше ничто не связывает.

Удвоение хромосом происходит в интерфазе, т. е. в период между деления­ми. В это время вещество хромосом распределено по всему ядру в виде рых­лой массы (рис. 11). Между удвоением хромосом и началом митоза прохо­дит обычно некоторое время.

Митоз представляет собой непрерывную цепь событий, но, для того чтобы удобнее было его описывать, биологи делят этот процесс на четыре стадии в зависимости от того, как выглядят в это время хромосомы в световом мик­роскопе (рис. 11):

1. Профаза - стадия, на которой появляются первые указания на то, что ядро собирается приступить к митозу. Вместо рыхлой массы ДНК и белка в профазе становятся ясно видны нитевидные удвоившиеся хромосомы. Такая конденсация хромосом - весьма нелегкая задача: это примерно то же самое, что свернуть тонкую двухсотметровую нить так, чтобы ее можно было втис­нуть в цилиндр диаметром 1 мм и длиной 8 мм. По большей части в профазе ядрышко и ядерная мембрана исчезают и появляется сеть микротрубочек.

2. Метафаза - стадия подготовки к делению. Для нее характерно заверше­ние образования митотического веретена, т. е. каркаса из микротрубочек Каждая удвоившаяся хромосома прикрепляется к микротрубочке и напра­вляется к середине веретена.

3. Анафаза - стадия, на которой центромеры, наконец, делятся и из каждой удвоившейся хромосомы образуются две отдельные, совершенно идентичные хромосомы. Разделившись, эти идентичные хромосомы движутся к противо­положным концам, или полюсам, митотического веретена; однако, что имен­но приводит их в движение, пока неясно. В конце анафазы у каждого полюса находится полный набор хромосом.

4. Телофаза - последняя стадия митоза. Хромосомы начинают раскручи­ваться, снова превращаясь в рыхлую массу ДНК и белка. Вокруг каждого на­бора хромосом вновь появляется ядерная мембрана. Телофаза обычно сопро­вождается делением цитоплазмы, в результате которого образуются две клетки, каждая с одним ядром. В животных клетках клеточная мембрана пере­жимается посередине и в конце концов разрывается в этой точке, так что по­лучаются две отдельные клетки. У растений в цитоплазме посередине клетки возникает перегородка, а затем каждая дочерняя клетка строит возле нее со своей стороны клеточную стенку.

При помощи факторов, нарушающих митоз, можно получать тетраплоидные клетки, т. е. клетки с числом хромосом, вдвое большим, чем в ис­ходной (диплоидной) клетке. Одним из таких факторов является колхицин-вещество, экстрагируемое из безвременника. Колхицин связывает­ся с белком микротрубочек и препятствует образованию веретена. Вследствие этого хромосомы не делятся на две группы, так что возникает ядро с удвоенным по сравнению с нормальным числом хромосом. Если обработать побег какого-нибудь растения колхицином, а затем дать этому растению за­цвести и завязать семена, то получаются тетраплоидные семена. Тетраплоидные растения обычно крупнее и мощнее исходного родительского расте­ния; многие сорта культурных растений - фрукты, овощи и цветы - это именно тетраплоиды, либо возникшие естественным путем, либо полученные искус­ственно.

Рис. 11. Митоз. Схема.