Карлики рождают гигантов

Электронный микроскоп позволил сфотографировать ДНК. Одна за другой устанавливались такие тончайшие детали строения клеточного ядра и цитоплазмы и в таком количестве, что родилась новая область цитологии — кариология, или наука о ядре.

Цитоплазма при рассмотрении ее в обычный микроскоп казалась простой и однородной.

Прорыв в недра клетки с помощью электронного микроскопа опрокинул это представление, оказавшееся наивным. Увеличенная в сотни раз биологическая структура клетки характеризовалась частицами, существование которых не было возможно предвидеть.

Как ни труден был штурм атомного ядра, он шел по более или менее определенному плану. История физики дала нам ряд случаев, когда экспериментаторы открывали частицы, предсказанные теоретиками. Число этих частиц не так уж и велико — несколько больше двух сотен.

Штурм клеточного ядра давался с большим трудом. Неожиданностей на пути штурмующих было куда больше. Частицы клетки были предугаданы (если и были) с весьма относительной точностью и проницательностью. Архитектура, строение и функции составных частей клетки значительно превосходят силу воображения ученых. Чем глубже входил человек в детали клеточной структуры, чем больше он разбирался в строгом порядке, которому подчинено расположение и предназначение составных частей клетки, тем сложнее и загадочнее казались ему тончайшие и сложнейшие конструкции клеточного механизма. Вернее, тысяч механизмов, действующих гармонично, в железной последовательности и порядке.

Грубо говоря, тысячекратное увеличение, достигнутое электронной оптикой, тысячекратно усложнило задачи исследователя. Прорыв в недра клетки, давший несметное количество новых фактов в руки ученого, требовал и нового качественного подхода к ним.

Внедрение физических методов в экспериментальную биологию сопровождалось идейным перевооружением науки о живом. Наметилось сближение идей генетики, биохимии, химии и физики. По образному выражению Понтекорво, «все перспективы теоретической генетики приобрели привкус физики».

Мешок, набитый ферментами, — так назвали однажды клетку. Там, где шла речь о ферментах, сравнение это было вполне приемлемо, хотя и односторонне. Но теперь, когда мы мало-мальски разобрались в механизмах, которые управляют жизнедеятельностью клетки, мы должны подыскать более точный и емкий образ.

Пожалуй, вернее всего будет сравнить клетку с индустриальным комплексом. Это огромный комбинат со своей электростанцией, топливным хозяйством, конструкторским бюро, вычислительным центром, транспортным и производственными цехами. Его продукция — живая жизнь.

Рассмотрим производственную схему комбината.

Его площадь достигает примерно 30 микрон.

Клеточное ядро — это своеобразное заводоуправление, где сосредоточены командные высоты, штаб управления производством. Хромосомы — это различные отделы управления. Они обслуживаются единым кибернетическим центром — дезоксирибонуклеиновой кислотой. Как и подобает вычислительной управляющей машине, ДНК «переполнена идеями». В ней содержится (оценка С. Бензера) около 200 тысяч пар нуклеотидов, которые по количеству заключенной в них информации соответствуют нескольким страницам газеты. ДНК руководит основным процессом производства на комбинате — синтезом белка. Он осуществляется в рибосомах, частицах, разбросанных по всей территории клетки. Рибосомы — это «синтетические фабрики», где вырабатывается главный биополимер — белок. Основное сырье для производства — 20 совершенно отличных одна от другой аминокислот. Как будто бы немного. Но любой математик скажет нам, что из двадцати деталей можно собрать 2 432 902 008 176 640 000 различных блоков.

В молекуле обычного белка содержится около 500 аминокислот. И хотя большинство из них одинаково (из числа 20), число возможных комбинаций вырастает до астрономических масштабов. Оно выражается единицей с 600 нулями. Вероятно, что эта цифра превышает общее число атомов на нашей планете.

Но изо всего этого хаоса вероятных комбинаций кибернетический центр клетки отбирает строго определенные варианты. Каждый, кто хоть немного знаком с принципом действия ЭВМ — электронно-вычислительных машин, помнит, что они производят сложнейшие расчеты, оперируя всего двумя знаками — единицей и нулем. ДНК отдает точные распоряжения по всему хозяйству, имея на вооружении четыре буквы: А, Г, Т, Ц. Приказ-чертеж, выданный ДНК, поступает в информационный центр. Его роль играет и-РНК — информационная рибонуклеиновая кислота. Транспортная РНК (т-РНК) переносит чертеж на фабрику белковых молекул. Здесь, в рибосоме, куда непрерывно поставляется сырье — аминокислоты, под руководством инженеров-ферментов, каждый из которых управляет определенным участком, осуществляется синтез. Вернее, монтаж. На матричной РНК (м-РНК) мгновенно «собирается» нужный белок. Комбинат состоит из десятков тысяч фабрик. Размер каждой — около 200 ангстрем.

Энергию всему комбинату поставляют силовые установки. Это митохондрии, особые частицы, где в результате химических реакций вырабатывается энергия, необходимая для нормальной функции клетки. Она запасается в форме энергии АТФ. АТФ поступает из «турбин» в цитоплазму и начинает свою работу по активированию аминокислот. Эта работа ведется тоже под руководством инженеров — ферментов. Они размещаются в митохондриях, образуя специализированные системы — отделы. Как велико их число, можно себе представить, зная, что внутри клетки действует несколько тысяч подобных «силовых станций».

Особую роль в структуре управления производством играют лизосомы. Они расположены вне ядра и следят за порядком на заводской территории. В них сосредоточены ферменты гидролиза, которые вступают в действие по мере надобности.

Еще одна заводская служба — аппарат Гольджи (по имени итальянского ученого, открывшего его в конце прошлого века). Аппарат Гольджи состоит из мембран и пузырьков. Канальцы и полости между мембранами, по-видимому, обеспечивают передвижение веществ, важных для жизнедеятельности клетки. Предполагают, что здесь происходит уплотнение и формирование тех молекул, которые клетка выделяет во внешнюю среду. Упаковочный цех? Пожалуй.

Вероятно, по-видимому, пожалуй… Нам приходится употреблять столь неопределенные термины не случайно. В механизме управления клеткой еще много неясного для науки. Открытия в области молекулярной биологии следуют одно за другим. Проливая новый свет на знакомые явления, открывая новые закономерности, ученые неизбежно встают перед новыми проблемами. Каждый шаг вперед открывает новые горизонты, загадывает новые загадки. Вот один из последних примеров.

Молодой ученый, член-корреспондент АН СССР А. С. Спирин, вместе со своими сотрудниками наполнил понятие гена новым биохимическим содержанием. Выяснилось, что и-РНК «по команде» гена расставляет аминокислоты, которые «выстраиваются» во время синтеза в молекулу белка. Шаг вперед? Безусловно. Но более подробных сведений о роли и-РНК пока нет. Возникает новый круг проблем, без выяснения которых невозможно познать закономерности белкового синтеза. Не познаешь закономерности — не сумеешь управлять ими или хотя бы использовать их в своих интересах. Эта истина очевидна.

Очевидно и другое. Наукой накоплено колоссальное количество фактов. Разрозненные, на первый взгляд не связанные друг с другом явления понемногу начинают складываться на наших глазах в определенную систему.

Мы представили клетку комбинатом по синтезу белка. Нарисовать эту картину мы смогли только благодаря усилиям многотысячной армии ученых, представителей разных стран и разных профессий. Словно на листе фотобумаги в проявляющем растворе перед нашим взором проступают основные контуры этой картины. Многие детали еще не проработаны. На бумаге отчетливо видны штрихи, линии и точки.