"Краткая история почти всего на свете" - читать интересную книгу автора (Брайсон Билл)

24. КЛЕТКИ

Это начинается с одной клетки. Первая клетка делится, чтобы стать двумя, а две становятся четырьмя и так далее. После всего 47 удвоений у вас будет около 10 тысяч триллионов (10 000 000 000 000 000) клеток, готовых ожить в виде человека*³²². И каждая из этих клеток точно знает, что делать, чтобы оберегать и лелеять вас от момента зачатия и до последнего вздоха.

У вас нет никаких секретов от ваших клеток. Они знают о вас больше, чем вы сами. Каждая имеет копию полного генетического кода – наставления по уходу за вашим организмом, – так что она знает не только свое дело, но и всякое другое дело в организме. Вам ни разу в жизни не придется напоминать клетке, чтобы та следила за содержанием аденозинтрифосфата или нашла место для неожиданно появившейся избыточной фолиевой кислоты. Клетка сделает за вас все – и это, и миллион других дел. Каждая клетка по своей природе является чудом. Даже самые простые из них находятся за пределами человеческой изобретательности. Например, чтобы создать самую элементарную дрожжевую клетку, вам придется миниатюризировать примерно столько же компонентов, сколько деталей в реактивном самолете «Боинг-777», и уместить их в шарике диаметром всего в 5 микрон; затем вам нужно будет как-то убедить этот шарик размножаться.

Но дрожжевые клетки – ничто по сравнению с человеческими, которые не только разнообразнее и сложнее, но и куда больше захватывают воображение благодаря своему сложному взаимодействию.

Ваши клетки – это страна с 10 тысячами триллионов граждан, каждый из них по-своему целиком отдает себя вашему общему благополучию. Нет ничего, что они не делали бы для вас. Они дают вам возможность испытывать удовольствие и формировать мысли. Дают возможность стоять, потянуться и порезвиться. Когда вы едите, они извлекают питательные вещества, распределяют энергию и выносят отходы – все эти вещи вы учили на уроках биологии, – но они, кроме того, не забывают, что надо дать вам почувствовать голод и затем вознаградить вас приятным ощущением сытости, чтобы вы не забыли поесть в другой раз. Они заставляют расти волосы, накапливают серу в ушах, налаживают ровную работу мозга. Они управляют каждым закоулком вашего существа. При первой же угрозе они поспешат вам на помощь. Не колеблясь, погибнут за вас – миллиарды их ежедневно так и поступают. И за всю свою жизнь вы ни разу не поблагодарили ни одну из них. Так что давайте воспользуемся моментом и отнесемся к ним с благоговением и благодарностью, каких они заслуживают.

Мы немного разбираемся в том, как клетки делают свое дело, – как запасают жиры, вырабатывают инсулин и выполняют множество других дел, необходимых для сохранения такого сложного организма, как вы, – но лишь немного. Внутри вас трудятся по крайней мере 200 тысяч различных видов белка, а мы пока знаем, чем конкретно заняты не более чем 2% из них. (Другие называют цифру в 50%; это, видимо, зависит от того, что иметь в виду под словом «разбираться».)

Сюрпризы на клеточном уровне возникают постоянно. В природе окись азота является страшным ядом и распространенным компонентом загрязнения окружающей среды. Так что ученые, естественно, несколько удивились, когда в середине 1980-х годов обнаружили, что она необычайно старательно вырабатывается человеческими клетками. Назначение окиси азота сначала оставалось тайной, но затем ученые стали находить ее всюду – контролирующей кровоток и энергетику клеток, противодействующей раку и болезнетворным микроорганизмам, регулирующей обоняние и даже способствующей эрекции. Она оказалась связана с объяснением, почему хорошо знаменитое взрывчатое вещество, нитроглицерин, облегчает боли в сердце, известные как стенокардия. (В кровотоке нитроглицерин превращается в окись азота, расслабляющую мышцы, которые выстилают сосуды изнутри, открывая возможность для более свободного тока крови.) Всего за десяток лет это газообразное вещество из чужеродного токсина превратилось в вездесущий чудодейственный эликсир.

Согласно бельгийскому биохимику Кристиану де Дюву вы обладаете «несколькими сотнями» различных типов клеток, очень отличающихся по размеру и форме – от нервных клеток, чьи волокна достигают длины более метра, до крошечных, имеющих форму диска клеток крови и фотоэлементов в форме палочек, помогающих нам видеть. Выбор размеров необычайно широк – но самым впечатляющим образом это проявляется в момент зачатия, когда пульсирующая мужская половая клетка одна предстает перед лицом яйцеклетки, которая в 85 тысяч раз больше ее (и это в ином свете представляет, кто кого покоряет). Однако в среднем человеческая клетка имеет в диаметре 20 микрон – то есть около двух сотых миллиметра, – она слишком мала, чтобы ее увидеть, но достаточно вместительна, чтобы содержать тысячи таких сложных структур, как митохондрии и многие миллионы молекул. В самом буквальном смысле клетки также различаются по живучести. Все клетки вашей кожи мертвы. Довольно неприятно думать, что вся до последнего дюйма ваша наружность мертва. Если вы взрослый человек средней комплекции, то таскаете на себе более двух килограммов мертвой кожи³²³ и ежедневно сбрасываете несколько миллиардов ее крошечных фрагментов. Проведите пальцем по пыльной полке, и получите узор, по большей части состоящий из старой кожи.

Большинство клеток редко живут больше месяца, но есть и некоторые достойные внимания исключения. Клетки печени могут существовать годами, хотя их составные части могут обновляться каждые несколько дней. Клетки мозга живут столько же, сколько и вы. При рождении вам выдается около сотни миллиардов, и это все, что будет при вас. Считают, что в час вы теряете около 500, так что, если вам есть над чем серьезно подумать, не теряйте ни минуты. Хорошая новость заключается в том, что отдельные составные части клеток вашего мозга, как и в клетках печени, постоянно обновляются, и ни одной из их частей не больше месяца. Вообще, высказывалось предположение, что в составе нашего тела нет ни единой частицы – даже случайной молекулы, – которая находится там больше девяти лет. Возможно, мы себя такими не чувствуем, но на клеточном уровне мы все совсем юные.

Первым человеком, описавшим клетку, был Роберт Гук, которого мы последний раз встречали ссорившимся с Исааком Ньютоном из-за приоритета в отношении закона обратных квадратов. За свои 68 лет Гук добился многого – он был и выдающимся теоретиком, и искусным создателем оригинальных и полезных приборов, – но ничто не принесло ему большего восхищения людей, чем вышедшая в свет в 1665 году и пользовавшаяся широкой известностью книга «Микрография, или Некоторые физиологические описания миниатюрных тел, сделанные с помощью увеличительных стекол». Она открывала очарованным читателям вселенную очень малых существ, которая была куда более разнообразной, многонаселенной и прекрасно организованной, чем кто-либо мог представить.

В числе микроскопичных деталей, впервые выявленных Гуком, были маленькие полости в растениях, которые он назвал «клетками», потому что они напоминали ему монашеские кельи³²⁴ . Гук подсчитал, что в одном квадратном дюйме пробки было 1 259 712 000 этих крошечных ячеек – такая огромная цифра вообще фигурировала в науке впервые. Микроскопы в то время были в ходу уже несколько десятков лет, но что отличало приборы Гука, так это их техническое превосходство. Они достигли увеличения в 30 раз и стали последним словом в оптической технике XVII века.

Так что 10 лет спустя Гук и другие члены Лондонского королевского общества испытали настоящее потрясение, когда стали получать чертежи и сообщения от необразованного торговца льняным товаром из голландского города Делфта, достигавшего 275-кратного увеличения. Торговца звали Антони ван Левенгук. Почти не имея образования и без всякой научной подготовки, он в то же время был прирожденным наблюдателем и выдающимся мастером.

По сей день неизвестно, как он получал такие колоссальные увеличения при помощи такого незатейливого, удерживаемого в руках приспособления, не более чем стеклянного пузырика в скромной деревянной оправе, внешне похожего не на микроскоп, а на лупу, как ее большинство из нас представляет, но вообще-то довольно далекого и от того, и от другого. Для каждого своего опыта Левенгук делал новый прибор и тщательно скрывал технику их изготовления, хотя иногда намекал англичанам, как повысить разрешающую способность*.

За 50 лет – начав, как ни удивительно, когда ему уже было за 40, – Левенгук послал в Королевское общество две сотни сообщений, все на нижненемецком языке, единственном, которым он владел. Он не выдвигал никаких толкований, сообщал лишь фактическую сторону своих открытий, сопровождая их искусными рисунками. Он направлял сообщения почти обо всем, что можно было с пользой исследовать, – хлебной плесени, пчелиных жалах, клетках крови, зубах, волосах, собственных слюне, экскрементах и сперме (об этих последних с извинениями за их неизбежно отвратительный вид), – почти все из этого ранее не наблюдалось под микроскопом.

Когда в 1676 году он сообщил, что в пробе перечной настойки обнаружил «маленьких животных», члены Королевского общества при помощи лучших достижений английской техники целый год занимались поисками этих «маленьких животных», пока наконец добились нужного увеличения. То, что нашел Левенгук, оказалось простейшими (Protozoa). Он подсчитал, что в одной капле воды было 8 280 000 этих крошечных существ – больше, чем все население Голландии. Мир кишел живыми существами в таком разнообразии и обилии, какого никто раньше не подозревал.

Вдохновленные фантастическими открытиями Левенгука, другие начали глядеть в микроскопы с таким усердием, что иногда находили вещи, которых в действительности не было. Один уважаемый голландский наблюдатель, Николаас Гартсокер, был убежден, что видел в клетках спермы «крошечного, уже сформированного человечка». Он назвал эти маленькие существа «гомункулусами», и некоторое время многие верили, что все люди – практически все существа – всего лишь чудовищно увеличенные варианты крошечных, но сформировавшихся существ-предшественников. Самому Левенгуку тоже время от времени доводилось увлекаться. В одном из наименее удачных экспериментов он пытался изучить взрывные свойства пороха, наблюдая небольшой взрыв с близкого расстояния; в результате он едва не ослеп.

В 1683 году Левенгук открыл бактерии – но это было точкой, на которой прогресс из-за ограниченных возможностей аппаратуры приостановился на ближайшие 150 лет. До 1831 года никому не довелось увидеть ядро клетки – первым его открыл шотландский ботаник Роберт Броун, часто, но лишь вскользь упоминаемый, персонаж истории науки. Броун, живший с 1773 по 1858 год, назвал его nucleus, от латинского nucula, означавшего «орешек», или «ядрышко ореха». Лишь к 1839 году было понято, что все живое вещество имеет клеточное строение. Первым такое предположение высказал немец Теодор Шванн; оно, как это бывает с научными догадками, не только несколько запоздало, но к тому же сначала не нашло широкого признания. Лишь в 1860-х годах, в частности благодаря некоторым сыгравшим заметную роль трудам Луи Пастера во Франции, было окончательно установлено, что живое существо не может возникнуть самопроизвольно, но должно произойти из существовавших ранее клеток. Это представление, называемое «клеточной теорией», лежит в основе всей современной биологии.

Клетку сравнивали со многими вещами, от «сложного химического производства» (физик Джеймс Трефил) до «огромного многолюдного города» (биохимик Гай Браун). Клетка похожа на то и другое и вместе с тем не похожа ни на одно из них. Она похожа на химзавод в том смысле, что она все время занята сложнейшими химическими процессами, а на большой город, потому что плотно населена, в ней царит оживленное взаимодействие обитателей, которое приводит в замешательство, но в нем явно просматривается определенная система. Но это куда более кошмарное место, чем любой огромный город или гигантское производство, какие вы когда-либо встречали. Начать с того, что в клетке нет верха и низа (силу тяжести можно не учитывать на клеточном уровне) и нет ни одного неиспользуемого места размером хотя бы с атом. Активные процессы идут повсюду, и непрерывно гудит электричество. Вы можете не чувствовать свою электрическую природу, но она такова. Съедаемая нами пища и вдыхаемый кислород соединяются в клетках, порождая электричество. Мы не обмениваемся сильными разрядами и не прожигаем диван, когда садимся, только потому, что все это происходит в очень малых масштабах: всего 0,1 вольта, передаваемые на расстояние, измеряемое нанометрами. Но увеличьте масштаб, и получите напряженность 20 млн вольт на метр.

Какими бы ни были их размер или форма, почти все ваши клетки построены в основном по одному и тому же плану: они имеют внешнюю оболочку, или мембрану, ядро, внутри которого находится генетическая информация, необходимая для жизнедеятельности, а между ними заполненное бурной деятельностью пространство, называемое протоплазмой. Мембрана не является, как большинство из нас представляет, прочной эластичной оболочкой, чем-то таким, что надо протыкать острой иголкой³²⁵. Она скорее представляет собой своего рода маслянистое вещество, известное как липид, пользуясь сравнением Шервина Б. Нуланда³²⁶, близкое по консистенции к «легкому моторному маслу». Это кажется удивительно несолидной защитой, но имейте в виду, что на микроскопическом уровне вещи ведут себя иначе. В масштабах молекул вода становится вроде тяжелого геля, а липид подобен железу.

Если бы вы могли побывать внутри клетки, вам бы там не понравилось. Раздутая до таких размеров, чтобы атомы стали величиной с горошину, клетка будет шаром диаметром около километра, который поддерживается сложной конструкцией из балок, называемой цитоскелетом. Внутри нее многие миллионы предметов – одни размером с баскетбольный мяч, другие с автомашину – со скоростью пули носятся из стороны в сторону. Не нашлось бы места, где вы могли бы спокойно стоять без того, чтобы каждую секунду со всех сторон они тысячи раз не ударяли и не вонзались бы в вас. Даже для постоянных обитателей внутренность клетки – место опасное. Каждая нить ДНК подвергается нападению и повреждается в среднем каждые 8,4 секунды – 10 000 раз в день. Химические и другие агенты, которые вклиниваются или небрежно разрезают ее, и каждую из этих ран нужно быстро зашить, если клетке не предначертано погибнуть.

Особенно полны жизни и подвижны белки – они скручиваются, пульсируют и влетают друг в друга до миллиарда раз в секунду. Всюду снуют ферменты, тоже разновидности белков, выполняя до тысячи задач в секунду. Словно поразительно ускоренные рабочие муравьи, они деловито строят и перестраивают молекулы, тащат кусок от одной, добавляют его к другой. Некоторые следят за пролетающими белками и химически помечают непоправимо поврежденные или попорченные. Отобранные таким путем обреченные белки перерабатываются структурами, называемыми протеасомами, где их разбирают, а составные части используют для создания новых белков. Некоторые виды белков существуют менее получаса; другие живут неделями. Но все их существование протекает в бешеном темпе. Как отмечает де Дюв, «из-за немыслимой скорости происходящих там процессов молекулярный мир неизбежно должен полностью оставаться за пределами нашего воображения».

Но замедлите ход вещей до скорости, при которой эти взаимодействия можно наблюдать, и они уже не будут так вас нервировать. Можно увидеть, что клетка – это всего лишь миллионы объектов: лизосом, эндосом, рибосом, лигандов, пероксисом, белков всех размеров и форм, сталкивающихся с миллионами других вещей и занимающихся будничными делами: извлечением энергии из питательных веществ, сборкой структур, удалением отходов, отражением вторжения незваных гостей, отправкой и получением сообщений, выполнением ремонта. Обычно клетка содержит около 20 тысяч различных видов белка, из них около 2 тысяч видов представлены каждый по крайней мере 50 тысячами молекул. «Это означает, – пишет Нуланд, – что если брать в расчет только молекулы, присутствующие в количестве больше 50 тысяч, то в итоге получим самое меньшее 100 млн белковых молекул в каждой клетке. Эта ошеломительная цифра дает некоторое представление об интенсивности и масштабности происходящих внутри нас биохимических процессов».

Все это – крайне необходимые процессы. Чтобы обогащать клетки свежим кислородом, сердце должно перекачивать около 350 литров крови в час, более 8 тысяч литров ежедневно, 3 миллиона литров в год – этого достаточно, чтобы наполнить 4 плавательных бассейна олимпийских размеров. (И это в состоянии покоя. При нагрузках объем может возрасти в 6 раз.) Кислород поглощается митохондриями. Это электростанции клеток, и в типичной клетке их бывает до тысячи; правда, их число значительно меняется в зависимости от того, что это за клетка и сколько ей надо энергии.

Возможно, вы помните, в одной из предыдущих глав мы говорили, что митохондрии, как считается, произошли от захваченных бактерий и теперь в основном живут в наших клетках как постояльцы, сохраняя собственные генетические программы, делятся по собственному расписанию, говорят на своем языке. Возможно, также вы вспомните, что мы полностью зависим от их доброй воли. И вот почему. Практически вся потребляемая нами пища и весь кислород после переработки поступают в митохондрии, где они превращаются в молекулу, которая носит название аденозинтрифосфат, или АТФ.

Вы, возможно, не слыхали об АТФ, но это именно то, что сохраняет вам жизнь. Молекулы АТФ – это, по существу, передвигающиеся по клетке маленькие батарейки, обеспечивающие энергией все происходящие в ней процессы, а их великое множество. В каждый данный момент в типичной клетке вашего организма находится около миллиарда молекул АТФ, но через две минуты они будут полностью исчерпаны, и их место займет миллиард других. Ежедневно вы производите и потребляете количество АТФ, равное приблизительно половине веса вашего тела. Ощутите теплоту вашей кожи. Это трудятся ваши АТФ.

Когда клетки больше не нужны, они умирают, причем делают это с великим достоинством. Они сносят все поддерживающие их леса и подпорки и спокойно переваривают свои составные части. Данный процесс известен как апоптоз, или запрограммированная смерть клетки. Ежедневно ради вас гибнут миллиарды клеток, а миллиарды других убирают то, что от них осталось. Клетки могут погибать и насильственной смертью, например в случае заражения, но по большей части они умирают, когда им приказывают. Фактически если им не говорят, чтобы они жили – если они не получают своего рода прямых указаний от других клеток, – клетки автоматически себя убивают. Клеткам очень нужно, чтобы их подбадривали.

Если же, как время от времени случается, клетка не умирает, как предписано, а начинает безудержно делиться и распространяться (пролиферировать, как говорят специалисты), мы называем последствия этого раком. Раковые клетки на самом деле просто сбиты с толку. Клетки весьма часто ошибаются подобным образом, но организм располагает сложными механизмами борьбы с ними. И только очень редко процесс выходит из-под контроля. В среднем одно пагубное злокачественное образование у человека приходится на 100 миллионов миллиардов клеточных делений³²⁷ . Рак – невезение во всех смыслах этого слова.

Удивительно не то, что дела у клеток иногда идут не так, как надо, а то, что им удается на протяжении десятков лет управляться с ними так гладко. Они достигают этого посредством передачи и проверки потоков сообщений – какофонии сообщений – со всех концов организма: указаний, запросов, уточнений, просьб о помощи, свежей информации, предписаний делиться или прекратить существование. Большинство этих сообщений и команд доставляется курьерами, называемыми гормонами, такими химическими веществами, как инсулин и адреналин, эстроген и тестостерон, передающими информацию из отдаленных аванпостов вроде щитовидной и эндокринной желез. Другие послания телеграфируются из мозга или внутренних органов. И, наконец, клетки поддерживают прямую связь с соседями, согласовывая с ними свои действия.

Но, пожалуй, самое удивительное то, что все это – лишь произвольная безудержная деятельность, ряд бесконечных столкновений, направляемых не более чем элементарными законами притяжения и отталкивания. Ясно, что за всеми действиями клеток не стоит никакого мышления. Просто все происходит гладко, многократно и столь надежно, что мы даже редко об этом задумываемся; тем не менее все это каким-то образом не только создает порядок внутри клетки, но и идеальную гармонию во всем организме. Путями, которые мы только-только начали понимать, триллионы и триллионы самопроизвольно протекающих химических реакций складываются и образуют вас – подвижного, мыслящего, принимающего решения, или, коль на то пошло, значительно менее размышляющего, но тем не менее невообразимо высокоорганизованного навозного жука. Запомните, что всякое живое существо – это чудо атомной инженерии.

В действительности некоторые организмы, кажущиеся нам примитивными, имеют такой уровень клеточной организации, в сравнении с которой наша выглядит весьма примитивной. Разделите клетки губки (протерев их сквозь сито), затем вывалите их в жидкость, и они найдут путь друг к другу и снова образуют губку. Можете повторять это множество раз, и они будут упрямо собираться вместе, потому что подобно нам с вами и любому другому живому существу ими движет одно неодолимое влечение – продолжать быть.

И все из-за странной, упрямой, еле понятной молекулы, которая сама не живая и по большей части ничего не делает. Мы называем ее ДНК, и чтобы начать понимать ее важнейшее значение для науки и для нас, надо вернуться примерно на 160 лет назад, в викторианскую Англию, к тому моменту, когда у естествоиспытателя Чарлза Дарвина появилась идея, которую назвали «самой блестящей из возникавших у кого-либо», а потом, по соображениям, которые требуют некоторого объяснения, была отложена в долгий ящик на целых 15 лет.