Страница 3 из 4
Однако в клеточной теории, первоначально сформулированной Шляйденом и Шванном, имелся существенный пробел. Она не говорила о том, как возникают новые клетки. Пробел закрыли, когда учеными было признано, что клетки воспроизводятся делением одной клетки надвое, и был сделан вывод, что клетки могут возникать исключительно делением изначальной клетки надвое. Вирхов популяризировал эту идею с помощью латинской эпиграммы Omnis cellula e cellula, то есть «все клетки возникают из клеток». Фраза эта также помогла противостоять ошибочной идее, в то время еще довольно распространенной, что жизнь спонтанно возникает из косной материи – но это не так.
На делении клеток основан рост и развитие всех живых организмов. Это первый, критически важный этап преобразования одиночной, однородной оплодотворенной яйцеклетки в клубок клеток и затем в итоге в очень сложно организованное живое существо – эмб рион. Все начинается с момента, когда клетка делится и производит две клетки, которые могут иметь разную идентичность. Все последующее развитие эмбриона основано на том же процессе – повторяющиеся циклы деления клеток с дальнейшим созданием еще более сложно структурированного эмбриона по мере того, как клетки развиваются во все более специализированные ткани и органы. Из этого следует, что все живые организмы, независимо от размеров и сложности, возникают из одной клетки. Мне думается, что нам стоит относиться к клеткам с большим уважением, если вспомним, что каждый из нас когда-то был одиночной клеткой, образованной в момент зачатия при слиянии сперматозоида и яйцеклетки.
Делением клетки объясняется также кажущаяся чудодейственной способность тела заживлять раны и исцеляться. Если вы пораните палец краем этой страницы, то вокруг пореза начнется местное деление клеток, чтобы заживить ранку и сохранить здоровье. А вот онкологические заболевания, на беду, вступают в диссонанс со способностью тела стимулировать новые циклы клеточного деления. Рак вызывается бесконтрольным ростом и делением клеток, могущих распространять злокачественность, наносить урон или даже убить тело.
Рост, способность к восстановлению, дегенерация и злокачественные новообразования – все это связано с изменениями свойств наших клеток в болезни и в здоровье, в юности и в старости. В сущности, можно отследить истоки большинства болезней из нарушения функционирования клеток, а определение неисправностей в клетках ложится в основу разработки новых методов лечения.
Клеточная теория, как и прежде, влияет на пути развития науки о жизни и на медицинскую практику. Она в огромной мере повлияла и на историю моей жизни. С той самой поры, когда я разглядел в микроскоп клетки корней пресловутой луковицы, меня интересовали и клетки, и то, как они функционируют. Когда я занялся биологическими исследованиями, то решил изучать клетки, в частности как они воспроизводят себя и контролируют деление.
Клетки, с которыми я начал работать в 1970-х гг., были дрожжевыми. Большинство из нас думает, что дрожжи годятся только для виноделия, пивоварения и хлебопечения, отнюдь не для того, чтобы браться за фундаментальные проблемы биологии. Но, по сути, они представляют великолепную модель для того, чтобы понять, как действуют клетки более сложно устроенных организмов. Дрожжи – это грибы, но их клетки удивительно похожи на клетки растений и животных. К тому же они малы, сравнительно просты, быстро растут и не требуют дорогостоящих питательных веществ. В лаборатории мы их выращиваем, либо опуская в жидкий бульон, где они свободно плавают, либо на слое желеобразной питательной среды в пластиковой чашке Петри, где они образуют колонии кремового цвета диаметром несколько миллиметров, в каждой из которых находится много миллионов клеток. Несмотря, а точнее говоря, благодаря их простоте дрожжи помогли нам выяснить, как делятся клетки в большинстве живых организмов, включая и человеческие тела. Многое из того, что нам известно о неконтролируемом делении раковых клеток, было впервые получено при изучении простеньких дрожжей.
Клетки – это основные единицы жизни. Это отдельные живые объекты, окруженные мембранами из жироподобных липидов. Но, подобно тому как атомы содержат электроны и протоны, в клетках тоже имеются меньшие составляющие. Сегодня микроскопы стали очень мощными, и биологи с их помощью обнаруживают замысловатые и нередко очень красивые структуры в клетках. Самые крупные из них называются органеллами, каждая из которых имеет свою собственную мембранную оболочку. Среди них командным центром клетки служит ядро, так как в нем находятся генетические инструкции, записанные в хромосомах, а митохондрии – их в некоторых клетках бывают сотни – действуют как миниатюрные энергоустановки, обеспечивая клетку нужной для роста и выживания энергией. Другие разнообразные емкости и отсеки в клетках выполняют сложные функции логистики, постройки, разрушения или повторного использования частей клетки, а также транспортировки материалов в клетку, из клетки и перемещения внутри ее.
Впрочем, не все живые организмы построены из клеток, содержащих такие органеллы с мембранами по краям и сложные внутренние структуры. Наличие или отсутствие ядра делит жизнь на две главные ветви. Организмы с клетками, содержащими ядро, – такие как животные, растения и грибы – называются эукариотами. Организмы без ядра называются прокариотами, к ним относятся бактерии и археи. Археи по величине и структуре похожи на бактерии, но фактически они их дальние родственники. Их молекулярные механизмы ближе к таковым у представителей эукариотов, например, нас с вами, чем к механизмам бактерий.
Крайне важная часть клетки (эукариота или прокариота) – наружная мембрана. Толщиной всего лишь в пару молекул, эта наружная мембрана образует гибкую «стенку», или барьер, отделяющий каждую клетку от окружающей среды и определяющий то, что находится «внутри», и то, что «вовне». И в философском, и в практическом отношении данный барьер насущно важен. В конечном счете именно наличием барьера можно объяснить, почему жизненные формы могут успешно сопротивляться общему стремлению Вселенной к беспорядку и хаосу. В пределах своих изолирующих мембран клетки могут устанавливать и совершенствовать необходимый порядок, создавая беспорядок в локальном окружении извне. При таком раскладе клетка не преступает второй закон термодинамики.
Все клетки могут обнаруживать изменения в собственном внутреннем состоянии и в состоянии окружающего мира – и отвечать на них. Поэтому, будучи отделенными от среды, в которой живут, они тесно сообщаются со своим окружением. Кроме того, они все время активны и поддерживают внутренние условия, которые позволяют выживать и благоденствовать. Это у них общее с наглядно видимыми живыми организмами вроде бабочки, на которую я взирал ребенком, и, коли на то пошло, с нами.
На деле у клеток много общих характеристик с животными, растениями и грибами. Они растут, воспроизводятся, поддерживают свое существование и при всем том выказывают целеустремленность: настоятельный долг продолжать существование, оставаться живыми, воспроизводиться во что бы то ни стало. Все клетки, начиная от бактерии, обнаруженной Левенгуком у себя на зубах, до нейронов, которые дают вам возможность чтения этих слов, делят эти свойства со всеми живыми существами. Если мы поймем, как функционируют клетки, то приблизимся к пониманию того, как устроена жизнь.
Основа существования клетки – гены, к которым мы сейчас перейдем. Они кодируют инструкции, которые каждая клетка использует для построения своих структур и организации их работы, и они должны передаваться каждому следующему поколению при воспроизводстве клеток и организмов.
2
Ген
Испытание временем
У меня две дочери и четыре внука. Все они удивительно своеобразны. К примеру, одна из дочерей, Сара, – продюсер на телевидении, а вторая, Эмили, – профессор физики. Но есть и особые черты, общие у них, их детей, у меня и моей жены Энн. Семейное сходство может быть выраженным или еле заметным: рост, цвет глаз, изгиб рта или носа, даже особые манеры или выражения лица. Есть и много различий, но, без сомнения, преемственность поколений в нашем случае присутствует.