Если бактерия выживает после первой атаки этого вируса, то теперь у нее есть защита от следующей. Она готовится к ней, синтезируя короткие молекулы РНК, которые соответствуют кусочку вирусной ДНК, полученной во время первой атаки. Белок под названием Cas окружает эти молекулы РНК, и они вместе плавают в клетке.
Если тот же вид вируса попытается ввести свою ДНК в клетку, система CRISPR-Cas будет прикрепляться ко всем поступающим ДНК. Белок Cas разъединяет нити вирусной ДНК и разрезает их на кусочки. Нашинкованный на безобидные фрагменты вирус уже не может причинить вред бактерии.
В ходе сражения с разными вирусами микроорганизм может накопить образцы ДНК от многих врагов. И когда он делится, то передает накопленное потомкам. Когда бактерия копирует свою хромосому, она копирует участок CRISPR вместе со всей остальной ДНК. Барьер Августа Вейсмана
[348] может предотвратить влияние жизненного опыта животного на его половые клетки. Но для бактерий такого барьера не существует. В каком-то смысле соматическая и зародышевая часть у них слиты в единую клетку.
Некоторые исследователи считают, что система CRISPR – это самый что ни на есть пример наследования по Ламарку
[349]. Конечно, бактерии, воюющие с вирусами, сильно отличаются от тянущихся к листьям жирафов, которых представлял себе Ламарк, и поэтому такое сравнение может свестись к дискуссии о терминах. Но совершенно точно можно утверждать, что с обнаружением системы CRISPR ученые открыли еще один путь наследственности в обход закона Менделя.
__________
Около 1,8 млрд лет назад на Земле появилась новая форма жизни. Новые клетки были намного крупнее бактерий и архей. Свою ДНК они с особой осторожностью спрятали внутри мешочка, который стал называться ядром. Клетки синтезировали огромное количество клеточного топлива с помощью специальных капсул – митохондрий. Мы с вами вместе со многими другими видами тоже относимся к данной форме жизни.
Эти монстры среди микроорганизмов получили название «эукариоты»
[350]. Их потомки дали начало группе простейших – хищников микромира, которые охотились на свою одноклеточную добычу в почвах и водах. Эукариоты эволюционировали и теперь представляют всю многоклеточную жизнь на Земле, включая грибы, растения и нас, животных. Помимо ядра и большого размера у эукариот есть еще много черт, отличающих их от бактерий и архей. И одна из них наиболее важна для наследственности: эукариоты передают свои гены потомкам уникальным способом, тем самым, который отражен в законе Менделя.
У бактерий и архей хромосома всего одна, а у эукариот хромосомы парные. У разных видов разное количество этих пар. У нас, людей, 23 пары, а у гороха – всего семь. У дрожжей – 16. У некоторых бабочек – 134.
Когда наши соматические клетки делятся, они копируют все хромосомы, создавая дополнительную пару к каждой. Затем ядро распадается, хромосомы растягиваются поровну по разным сторонам клетки, и она разделяется посередине. В каждой новой клетке, таким образом, получаются свои 23 пары. Данный способ деления называется «митоз», и по сути он похож на то, что происходит у бактерий: это деление одной клетки на две одинаковые.
Митоз у нас происходит для роста и обновления тела. Однако для создания половых клеток нам нужно, чтобы в сперматозоиде или яйцеклетке был не двойной, а одинарный набор хромосом. Проще всего было бы разделить пары хромосом в соматической клетке и выделить по одному набору на каждую половую. Но в нашем организме так не бывает. Вместо этого запускается чрезвычайно причудливый процесс, который получил название «мейоз»
[351].
У мужчин мейоз осуществляется в извитых семенных канальцах, расположенных в семенниках. В стенках канальцев находятся предшественники сперматозоидов – клетки, несущие две копии каждой хромосомы: одну от матери мужчины, другую от отца. Когда эти клетки начинают делиться, вся ДНК удваивается, так что теперь у них есть по четыре копии каждой хромосомы. Однако вместо того, чтобы разделиться, хромосомы остаются вместе. Материнская и отцовская копия каждой хромосомы выстраиваются рядом друг с другом. Специальные белки «садятся» на них и делают разрезы в строго одних и тех же местах этих расположенных рядом хромосом.
Когда клетка исправляет такие нанесенные самой себе разрезы, происходит очень важный обмен. Фрагмент ДНК с одной хромосомы может встать на то же место, но в соседнюю хромосому, и наоборот
[352]. Эта молекулярная операция выполняется не очень быстро. В общей сложности клетке нужно три недели, чтобы закончить мейоз. Как только обмен участками произошел, хромосомы расходятся. Затем клетка делится два раза, образуя в итоге четыре сперматозоида. Любая из этих четырех клеток несет одну копию каждой из 23 хромосом. Но в каждом сперматозоиде набор ДНК различен.
Одна из причин этих различий кроется в том, как разойдутся пары хромосом. Сперматозоид может содержать хромосому 1, полученную от отца, хромосому 2, полученную от матери, и т. д. В другом сперматозоиде будет иная комбинация. Кроме того, некоторые сперматозоиды окажутся гибридными. Хромосома 1, например, из-за мейоза может иметь одни участки, полученные от отца, а другие – от матери.
Основные биологические принципы мейоза у женщин точно такие же, но сроки очень отличаются
[353]. Первый этап начинается, когда девочка еще находится в утробе матери. Группа клеток внутри эмбриона получает новое назначение – эти клетки становятся предшественницами яйцеклеток. Они мигрируют туда, где позже сформируются яичники. На седьмом месяце развития плода в этих клетках-предшественницах начинается мейоз: хромосомы удваиваются, сцепляются парами и обмениваются участками ДНК. Но затем хромосомы как бы застывают, останавливая мейоз на полпути. Они остаются в таком состоянии годами, пока девочка не достигнет периода полового созревания и у нее не начнутся овуляции.
В течение каждого овуляторного цикла одна яйцеклетка запускает продолжение мейоза и завершает свое деление
[354]. Так же как и у мужчин, в результате мейоза у женщин образуются четыре новые клетки, каждая из которых содержит 23 хромосомы. Но только одна из них станет зрелой яйцеклеткой. Остальные три редуцируются до маленьких полярных телец
[355].
