Подведем некоторые итоги. Клетка состоит из многих типов белков. Наиболее простые белки образуют оболочку и структурный остов клетки. Другие белки сжигают сахар и способствуют образованию несущих энергию молекул АТФ; наиболее сложные белки производят аминокислоты из веществ питательной среды. Клетка содержит также несколько крупных молекул нуклеиновых кислот, которые способны соединять аминокислоты в правильном порядке, что обеспечивает образование новых белков всех сортов, требуемых в процессе роста.

Когда клетка достигает определенных размеров, какие-то еще плохо известные факторы вызывают перегруппировку белков, и клетка делится на две одинаковые клетки меньших размеров. На этой стадии необходимо удвоить важные во всех отношениях нуклеиновые кислоты, так как все клетки нуждаются в определенном их наборе для дальнейшего роста. Удвоение такой длинной и строго упорядоченной молекулы — процесс нелегкий. Мы еще точно не знаем, как он происходит в природе, но можем представить себе возможный путь его осуществления. Вот простой механизм удвоения винтовой лестницы, воспроизводящей длинную молекулу ДНК.

Как мы помним, каждая ступенька лестницы это определенная пара нуклеотидов. При делении клетки лестница расщепляется в длину на две части в результате разрыва каждой ступеньки посередине (рис. 54).

Рис. 54. Воспроизведение ДНК. а — молекула ДНК, для ясности устранены спиральные витки; б — продольное расщепление ДНК; в — каждая половина ДНК «собирает» нужные нуклеотиды и образует новую полную молекулу ДНК, тождественную исходной.

Оба члена пары, составляющей ступеньку, просто разделяются, так что образуются две половинки лестницы. Вспомним теперь, что в это время клетка содержит свободно плавающие нуклеотиды, которые производятся особыми белками (ферментами). Поэтому каждая половинка ступеньки находит в клетке соответствующий нуклеотид и снова образует целую ступеньку. В результате этого процесса получаются две лестницы с точно одинаковым порядком ступенек; после деления каждая попадает в одну из вновь образовавшихся клеток.

Теперь мы получили некоторое представление о том, как растет и размножается клетка. Когда несколько бактерий помещены в питательный раствор, процессы жизни превращают простые, но богатые энергией молекулы растворов в более сложные молекулы все большего числа бактерий, и эти процессы продолжаются до тех пор, пока все питательные вещества не израсходуются. Такие процессы возможны только благодаря участию макромолекул ДНК, которые не только определяют схему построения белков, но и воспроизводятся при каждом делении клетки, так что «постройка» белков может идти все быстрее и быстрее.

Вирус и человек

До сих пор мы описывали строение бактерии и процесс ее развития. А что мы можем сказать о других формах жизни, от вируса до человека, включая сюда всех животных и все растения? Замечательно, что некоторые существенные черты одинаковы во всех проявлениях жизни, несмотря на огромное разнообразие ее форм и представителей.

Рассмотрим два противоположных конца этой шкалы — вирус (фото IX) и человека.

Вирус гораздо меньше бактерии. Он состоит из нуклеиновой кислоты, заключенной в оболочку, образованную простыми белками. В нем нет сложных белков, производящих аминокислоты, АТФ и нуклеотиды. Он в них не нуждается. Вирус ведет жизнь паразита. Он может жить и размножаться, только находясь в какой-нибудь другой клетке. Присоединяясь к оболочке клетки-хозяина, он впускает в клетку свои нуклеиновые кислоты и использует ее аминокислоты и нуклеотиды (а также ее энергетические ресурсы, т. е. АТФ) для собственного размножения и для построения своей новой оболочки. Он действует так быстро, что вскоре клетка заполняется вновь образующимися вирусами; тогда ее оболочка лопается, и сама она погибает (фото X).

Эти вирусы вызывают болезни. Они атакуют некоторые клетки нашего организма и убивают их, используя материал самих клеток для своего воспроизведения. Естественно, что нуклеиновая кислота вируса должна «знать» гораздо меньше нуклеиновой кислоты бактерии. Ей нужно лишь производить белки для своей оболочки и воспроизводиться. В других белках вирус не нуждается, потому что клетка-хозяин снабжает его всем остальным. Не удивительно, что у вируса нуклеиновая кислота гораздо короче, чем у бактерии. Винтовая лестница вируса имеет только 100 000 ступенек, что хорошо согласуется с нашим представлением о нуклеиновой кислоте как о носителе информации. Вирус — это простейшая единица живого, он обладает самой короткой цепью ДНК.

Перейдем теперь к наиболее сложному живому существу — человеку и сравним его с бактерией. Прежде всего, бактерия — это единственная клетка, а человек — совокупность колоссального множества самых различных клеток. Однако, несмотря на свое разнообразие, клетки человеческого тела во многих отношениях похожи на бактериальные. Они тоже состоят из белков — простых, имеющих форму волокна, в оболочке и структурных элементах, и сложных, глобулярных белков, обеспечивающих осуществление химических реакций. Они содержат молекулы АТФ, в которых запасена энергия. И наконец, каждая клетка содержит молекулы ДНК. Эти молекулы, как и следует ожидать, очень длинны, примерно в 100 раз длиннее бактериальной ДНК. Если распрямить винтовую лестницу ДНК, содержащуюся в теле человека, то ее длина составит около двух метров. Однако в действительности эти лестницы спутаны в клубки и занимают очень мало места в клетке. В них насчитывается несколько миллиардов ступенек! Огромное число их, конечно, связано с тем, что человек организован гораздо сложнее бактерии.

Хотя все клетки человека содержат одну и ту же ДНК, в других отношениях они весьма различны. Каждый тип клеток служит различным целям. Клетки кожи защищают тело, клетки желудка выделяют вещества, требуемые для пищеварения, клетки мышц способны сокращаться и производить физическую работу, клетки сетчатки в глазу чувствительны к свету, и, кроме того, есть и нервные клетки.

Нервная система — это, вероятно, важнейшая новая структура, образовавшаяся в процессе превращения бактерий в высшие формы. Нервы представляют собой длинные нити, состоящие из особых клеток, по которым, как по телефонным проводам, передаются сообщения из одного места в другое; но передача сообщения по нервам происходит медленнее и иным механизмом. Когда свет падает на сетчатку, раздражение передается мозгу, при возбуждении кожи оно передается в другие участки мозга. И наоборот, раздражение, возникающее в мозгу, передается по нервам к каждой мышце тела и вызывает ее сокращение. Сам мозг представляет собой сложный клубок колоссального множества нервных клеток, число которых достигает 10 миллиардов. Их расположение и связь между отдельными клетками пока непонятны. Но эта гигантская совокупность нервных клеток способна реагировать на раздражения, приходящие извне. Мы можем думать и чувствовать.

Между бактерией и человеком есть существенное биологическое различие. Когда бактерия растет и размножается, она производит все, что ей требуется, в одной-единственной клетке. При росте человеческого существа должны образовываться самые различные клетки: клетки кожи, мышц, костей, нервные клетки и т. д. Развитие каждой части организма должно происходить по своему генеральному плану.

Отсюда возникает наиболее важная и интересная проблема, которая все еще не решена. По нашим нынешним представлениям, каждая клетка содержит молекулу ДНК, обладающую всей информацией об организме; она способна производить все белки, из которых состоит этот организм. Но очевидно, что ни одна клетка не может сделать все белки. Откуда же клетка узнает, какая часть программы, заложенной в ДНК, относится к ее собственному росту? Как исключаются другие части программы и используются только те, которые нужны?