Клетки как маленькие человечки

 

Как оказалось впоследствии, этому курсу лекций суждено было стать интеллектуальной вершиной моей академической преподавательской карьеры. Я сполна воспользовался своей свободой и излагал материал так, как считал нужным, согласно тем представлениям, которые уже несколько лет зрели в моей голове.

Я всерьез полагал, и полагаю теперь, что понять физиологию и поведение клеток гораздо легче, если уподобить их маленьким человечкам. Как тут не вспомнить мои давние детские фантазии. Почему я, если можно так выразиться, очеловечиваю клетки?

Потому что годы, проведенные у микроскопа, не лишили меня пиетета перед сложностью и могуществом того, что на первый взгляд кажется незамысловатыми комочками, движущимися в чашке Петри.

Вероятно, вы помните из школьного курса основные элементы клетки: ядро, в котором содержится генетический материал, митохондрии — клеточные энергостанции, защитная оболочкамембрана и цитоплазма, заполняющая внутриклеточное пространство. Однако простота строения клетки обманчива; клетка — это целый мир, она использует сложнейшие технологии, в которых ученым еще только предстоит разобраться.

С точки зрения большинства биологов, мое представление о клетках как о миниатюрных человечках — откровенная ересь. Подобные аналогии называются антропоморфизмом. Для «истинных» ученых антропоморфизм — смертный грех; тех, кто ему подвержен, они подвергают остракизму.

Но не антропоморфична ли, по сути, и сама ортодоксальная наука? Биологи наблюдают за природой и придумывают гипотезы о том, как она устроена. Затем они разрабатывают и ставят научные эксперименты, позволяющие им проверить свои гипотезы на практике. Однако о какой свободе от антропоморфизма тут может идти речь? И гипотезы, и эксперименты — результат чисто человеческого мышления самих биологов. Иными словами, они неизбежно очеловечивают изучаемые ими объекты, и значит, хочется им этого или нет, оказываются виновными в антропоморфизме.

Бессмысленный запрет на антропоморфизм — пережиток мрачного средневековья, когда церковные авторитеты не допускали и мысли о сходстве между человеком и другими Божьими творениями. Согласен, абсурдно очеловечивать электрическую лампочку, радиоприемник или перочинный нож, но изгонять эту мысль из современной биологии по меньшей мере глупо. Мы, люди, — существа, состоящие из множества клеток, уже одно это позволяет предположить, что у нас с ними есть нечто общее.

Тем не менее давние иудеохристианские верования, согласно которым человек сотворен отдельно от прочих живых существ и не так, как они, до сих пор провоцируют наше высокомерие по отношению к этим «лишенным разума формам жизни, стоящим на низших ступенях эволюционной лестницы». Какая нелепость! Если вы посмотрите на себя с точки зрения отдельной клетки, ваш взгляд на мир и на собственное тело кардинально изменится. Вы увидите не знающее покоя сообщество из более чем 50 триллионов отдельных клеток.

Пока я перебирал в голове эти мысли, перед моим мысленным взором снова и снова возникала картинка из энциклопедии, виденная мной еще в детстве. Картинка состояла из семи полупрозрачных страниц, на каждой из которых был изображен один и тот же контур человеческого тела. На первой странице этот контур очерчивал фигуру обнаженного человека. Переворачивая станицу, вы как будто снимали с человека кожу, обнажая мускулатуру. Затем, поочередно, вам открывался скелет, мозг и нервы, кровеносные сосуды и внутренние органы.

Для своего карибского курса я решил дополнить эту иллюстрацию изображениями клеточных структур — так называемых органелл — миниатюрных «внутренних органов» клетки, плавающих в ее желеобразной цитоплазме. Дело в том, что органеллы — ядро (самая крупная органелла), комплекс Гольджи и вакуоли можно считать функциональными эквивалентами тканей и органов нашего собственного тела. Обычно клеточные структуры изучают отдельно от человеческой анатомии. Я же вознамерился объединить то и другое, дабы продемонстрировать своим студентам сходство человека и клетки.

Это позволяло мне наглядно объяснить им, что клеточные органеллы подчиняются тем же самым биохимическим механизмам, что и наши внутренние органы, В человеческом теле нет ни одной функции, которой не было бы в отдельной клетке. Всякая эукариота (клетка, обладающая ядром) имеет функциональные эквиваленты человеческой нервной системы, системы пищеварения, системы дыхания, выделительной системы, эндокринной системы, костномышечной системы, системы кровообращения, наружных покровов (человеческой кожи), репродуктивной системы и даже примитивной иммунной системы, функционирование которой обеспечивается семейством особых антителоподобных белков, называемых убиквитинами.

Кроме того, я собрался показать, что каждая клетка — разумное существо, способное жить самостоятельно (по сути, ученые доказывают это всякий раз, когда отделяют те или иные клетки и выращивают их культуру). Как у людей, у клеток есть свои желания; всем им присуща целеустремленность — они активно ищут благоприятные для них условия и избегают агрессивных ядовитых сред. Как и люди, клетки анализируют тысячи сигналов, поступающих извне, от их микроокружения. Анализируя эти сигналы, они вырабатывают необходимые поведенческие реакции, обеспечивающие их выживание.

И так же как люди, клетки способны учиться. Они приобретают опыт взаимодействия с окружающей средой, помнят о нем и передают его своим потомкам.

Например, когда в тело ребенка проникает вирус кори, каждая еще незрелая клетка его иммунной системы получает команду создать новый ген, который послужит «шаблоном» для последующей выработки защитного противокоревого белка.

Разные участки ДНК иммунных клеток кодируют синтез тех или иных уникальных белковых фрагментов. По-разному перетасовывая эти участки ДНК, иммунные клетки создают огромный массив генов, на основе которых строятся различные белки-антитела. Если незрелой иммунной клетке ребенка удается выработать белок-антитело, более или менее комплементарный, то есть физически соответствующий внедрившемуся в организм вирусу кори, эта клетка активируется и в ней запускается чрезвычайно любопытный механизм, называемый аффинным созреванием. Данный механизм позволяет клетке точнейшим образом «подогнать» строение белка-антитела вплоть до полнейшей комплементарности вторгшемуся вирусу кори [Li, et al, 2003; Adams, et al, 2003].

Далее, при помощи процесса соматической гипермутации активированные иммунные клетки размножают исходный ген готового белкаантитела сотнями копий. Однако каждая очередная копия оказывается слегка мутировавшей, отличной от оригинала, благодаря чему она кодирует синтез белкаантитела, несколько отличающегося по своему строению. Из множества вариантов исходного гена иммунная клетка выбирает наилучший. Процедура соматической гипермутации повторяется до тех пор, пока иммунная клетка не получит белок-антитело, представляющий собой идеальный физический «слепок» с вируса кори [Wu, et al, 2003; Blanden and Steele 1998; Diaz and Casali 2002; Gearhart 2002].

Такой «слепок» инактивирует вторгшийся вирус и помечает его как подлежащий уничтожению, тем самым ограждая ребенка от пагубного воздействия кори. Иммунные клетки детского организма хранят генетическую память о полученном белке-антителе и передают его ген своим потомкам. Как следствие, если в будущем ребенок снова подвергнется атаке вируса кори, его иммунная система практически мгновенно обеспечит ему необходимую защиту.

Эти удивительные умения клетки в области генной инженерии свидетельствуют о том, что она, если можно так выразиться, способна развиваться «интеллектуально» [Steele, et al, 1998].

 

Умные клетки объединяются

 

Не стоит удивляться тому, что клетки такие умные. Ископаемые окаменелости свидетельствуют о том, что одноклеточные организмы были первыми формами жизни на этой планете. Они существовали уже спустя 600 миллионов лет после возникновения Земли. В последующие 2,75 миллиарда лет наш мир был населен исключительно свободноживущими одноклеточными организмами — бактериями, водорослями и амебоподобными простейшими.

Около 750 миллионов лет назад возникли первые многоклеточные формы жизни. Поначалу они представляли собой колонии свободных одноклеточных организмов, насчитывавшие от нескольких десятков до нескольких сотен «сограждан». Позднее клетки оценили эволюционные преимущества совместной жизни и появились сообщества, включающие миллионы, миллиарды и даже триллионы взаимосвязанных и социально взаимодействующих клеток.

Такие гигантские клеточные сообщества, которые видны невооруженным глазом, биолог классифицирует как растения и животных. Но чем бы мы их ни считали — мышью, собакой или человеком, они все равно останутся тем, что собой представляют, а именно — высокоорганизованными объединениями миллионов и триллионов клеток.

Эволюционным толчком к разрастанию многоклеточных сообществ стало стремление к выживанию. Чем больше организм информирован о своем окружении, тем выше его шансы выжить. Объединяясь друг с другом, клетки кардинально увеличивают свою информированность о внешнем мире. Если каждой отдельной клетке условно приписать уровень информированности X, то потенциальная совокупная информированность колониального клеточного организма равна, как минимум, X умноженному на число входящих в него клеток.

Высокая плотность «населения» клеток в организме заставила их структурировать свою среду обитания. Оказалось, что им гораздо выгодней специализироваться. Причем эффективность распределения между ними их функций даже не снилась сегодняшним большим корпорациям. В процессе цитологи­ческой специализации, которая начинается еще на стадии зародыша, формируются конкретные ткани и органы. Распределение обязанностей между членами таких клеточных сообществ запечатлевается в генах каждой входящей в них клетки, что существенно увеличивает эффективность всего организма и его способность к выживанию.

В больших организмах лишь небольшое число клеточных особей специализируется на улавливании сигналов из окружающей среды. Эту роль взяли на себя группы клеток, образующие ткани и органы нервной системы. Функция нервной системы — воспринимать окружающее и координировать поведение всех остальных клеток большого клеточного сообщества.

Благодаря такому «распределению труда» клетки могут осуществлять свою жизнедеятельность, тратя гораздо меньше ресурсов, чем если бы им приход ил ось выживать поодиночке. Вспомните старую пословицу: «Вдвоем тратишь столько же, сколько в одиночку». Или сравните стоимость постройки трехкомнатного особняка и трехкомнатной квартиры в многоэтажном доме на сотню квартир.

Возьмем для примера американский капитализм. Генри Форд увидел преимущества узкой специализации и ввел ее на сборочных линиях своих автомобильных заводов. До Форда бригада рабочих — мастеров на все руки тратила на сборку автомобиля неделю. У Форда каждому рабочему была поручена одна простая операция. В результате они стали собирать автомобиль не за неделю, а за полтора часа.

Увы, достаточно было Чарльзу Дарвину провозгласить, что эволюция — это непрекращающаяся ни на секунду грызня за лучший кусок, и мы предпочли забыть о столь необходимом для эволюционного развития сотрудничестве.

Для Дарвина жестокая конкуренция и насилие — не только часть животной человеческой природы, но и главный движитель эволюционного процесса. В заключительной главе своей книги «О происхождении видов путем естественного отбора или сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» он писал о неизбежной борьбе за существование и о том, что в основе эволюции лежат голод и смерть. Прибавьте сюда его веру в то, что эволюция происходит случайным образом, и вы получите Теннисоновский* мир «красных от крови зубов и когтей» — череду бессмысленных схваток ради собственного выживания.

 

* Теннисон Альфред (Tennyson, Alfred) (18091892) — английский поэт, наиболее отчетливо выразивший воззрения и надежды викторианской эпохи.