Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Введение. Чудесная клетка

Клетки являются чудом эволюции. Они представляют собой чудо не с религиозной точки зрения, а потому, что обладают набором чудесных качеств. Каждый из нас в своей основе представляет собой сообщество миллиардов клеток, которые определяют все — от наших движений до памяти и способности к воображению. Мы обязаны своим происхождением всего лишь одной клетке — оплодотворенной яйцеклетке. Да и вообще вся жизнь на земле произошла из одной-единственной клетки миллиарды лет тому назад. Открытие клеточной теории считается более важным событием в биологии, чем даже теория эволюции Дарвина, поскольку эта теория позволила установить общую основу целого ряда различных явлений. Она объясняет то, как функционирует наше тело, что является исключительно важным тогда, когда что-то нарушается и мы заболеваем. Для того чтобы понять природу целого ряда заболеваний — от рака до инсульта и болезни Альцгеймера, мы должны научиться понимать то, как работают отдельные группы клеток во всем многообразии единого клеточного сообщества. Познание клеток — это ключ к будущему медицины. Мы также должны научиться понимать, как происходит старение клеток, и благодаря этому познать природу самой смерти. Когда нас поражают болезнетворные микробы и вирусы, наша иммунная система пытается выявить нежеланных пришельцев, вторгшихся в организм, уничтожить их и ради этого предпринимает очень серьезные усилия. Что же, как не клетки, лежит в основе этих фундаментальных жизненных процессов и движет ими? И что же такое сама жизнь?

Всего лишь несколько лет тому назад научные проблемы клеточной биологии обсуждались в узком кругу специалистов, практически не контактировавших с широкой публикой. Сейчас же эти проблемы неизменно попадают в заголовки новостей — как по медицинским соображениям, так и по соображениям этики. Почти ежедневно нас пичкают новостями про стволовые клетки, в которых, быть может, таится ключ к лечению многочисленных болезней, про клонирование клеток, про рост заболеваемости раком и ожирением и про использование диагностики с помощью ДНК для выявления дефектных генов и опознания преступников. Клеточная биология вызывает сейчас всеобщий интерес — или тревогу. Понимание того, как функционируют клетки, способно внести ясность в эти дискуссионные вопросы.

Клетки являются основой всего живого — от бактерий до животных и растений. Клетки очень малы — на поверхности кожи между вашими ногами и носом присутствует около одного миллиона клеток, однако при их малых размерах они являются одними из самых сложных созданий во всей Вселенной. Сообщество же клеток, образующих наш мозг, не знает себе равных по сложности организации. Однако при этом не существует никакого высшего органа, который контролировал бы клетки, — они работают вместе на началах сотрудничества и кооперации.

Все, что есть в мире живого, состоит из клеток, хотя формы, которые они при этом принимают, являются самыми разнообразными — от улиток до слонов и роз. Клетки способны выполнять удивительное множество самых разнообразных функций: клетки кожи укрывают и защищают наш организм, мускулы сокращаются, нервы передают нервные импульсы, клетки кишечника поглощают питательные вещества. Клетки образуют сосуды нашей кровеносной системы, клетки почек фильтруют кровь, иммунная система защищает наш организм от внешних вторжений, клетки крови переносят кислород, клетки костей и хрящей образуют наш костный каркас, и так далее. Однако, несмотря на очевидные различия между, скажем, нервными клетками и клетками кожи, они работают на основе одних и тех же базовых принципов.

Каждая клетка окружена тонкой эластичной оболочкой, которая отвечает за то, что проникает в нее и выходит из нее. В целом ряде случаев эта оболочка тесно прилегает к оболочкам соседних клеток, которые соединяются вместе для того, чтобы образовать обширные слои клеток, из которых созданы, например, наши кожа и сосуды.

Внутри клетка делится на две основные области: ядро и цитоплазму. Похожее на плоский диск ядро клетки является самой важной ее составляющей частью и, в свою очередь, окружено оболочкой, которая отвечает за то, что проникает в ядро или выходит из него. В клеточных ядрах находятся молекулы ДНК, которые определяют последовательность аминокислот в наших белках. Сами же белки вырабатываются в той части клетки, которая прилегает к ядру и называется цитоплазмой. В этой части клеточной структуры осуществляются основные функции клетки. Их выполняют белки, которые взаимодействуют с постоянно меняющейся средой.

В цитоплазме также находятся похожие на сосиски небольшие образования, которые называются митохондриями и которые обеспечивают клетку энергией, а также другие виды внутриклеточных мембран и оболочек. Исключением из этого правила являются кровяные клетки: в ходе эволюции этого вида клеток все вышеперечисленные элементы из них исчезли.

То, что все наши клетки так разительно похожи друг на друга, не удивительно, поскольку все они развились из одной и той же клетки, а именно из яйцеклетки. Из одной оплодотворенной яйцеклетки развивается все то, что содержится в конечном счете в наших телах, включая и такую сложнейшую структуру, как мозг. Для того чтобы подобное развитие стало возможным, клетки должны знать, где именно они находятся, они должны уметь изменять свою конфигурацию и делиться.

Наш мозг и позвоночный столб, например, развиваются из изначально плоского скопления клеток. Вся программа развития этой сложнейшей структуры заключена в крошечной оплодотворенной яйцеклетке. Сам мозг, как и вся остальная нервная система, есть не что иное, как сложнейшее образование, созданное из миллионов взаимодействующих нервных клеток. Это взаимодействие осуществляется при помощи электрических импульсов, которые нервные клетки передают друг другу через свои волокна. В дополнение к этому существуют клетки, которые реагируют на свет, поступающий в глаза, и на запахи, которые мы обоняем при помощи носа, а также клетки кожи, которые реагируют на боль и позволяют ощущать прикосновения и изменения температуры. Наши эмоции — любовь, грусть, страдания — также коренятся в наших клетках.

В возрасте двадцати пяти лет я увлекся клеточной биологией, поскольку заинтересовался процессом деления клеток. Я получил инженерное образование и занимался исследованиями механических свойств почв, что важно для определения устойчивости фундаментов. Однако это не казалось мне достаточно привлекательным. Я хотел заняться исследованиями чего-то более интересного, и мои друзья знали, что я ищу новые сферы для приложения сил.

Мне повезло: один мой друг давно интересовался проблемой клеток. В библиотеке он наткнулся на статью в журнале, где обсуждалась возможность применения принципов механики для изучения процесса деления клеток. Каким образом на сферической поверхности клетки образуется полоса сжатия и она разделяется на две клетки? Мой друг предложил мне поработать над этим. Я последовал его совету и с тех пор увлекся проблемами клеток и эмбрионов.

Моим первым увлечением стало деление клеток, которое можно наблюдать у эмбрионов морских ежей. Их легко наловить летом в море, и их большие яйца позволяют с легкостью проводить опыты, направленные на изучение механических свойств клеточных оболочек. Кроме того, я изучал развитие взрослых особей морских ежей, затем перешел к изучению процесса восстановления тела гидр и, наконец, заинтересовался процессами образования конечностей цыплят. Клетки всегда казались мне и до сих пор кажутся настоящим волшебством.

Надеюсь, что эта книга поможет найти ответы на все основные вопросы, касающиеся жизнедеятельности клеток, и даст объяснение тому, как они функционируют. При этом в фокусе моего внимания будут находиться вопросы функционирования клеток человеческого тела, хотя надо сказать, что и другие живые организмы — от бактерий до червей и мух — являются бесценными источниками знаний, позволяющими изучать и познавать поведение клеток. И какими бы умными ни казались нам клетки, в действительности они всегда превосходят наши ожидания.

Представьте, что вы вдруг стали бесконечно малы, не более одной молекулы воды, которая и в самом деле совсем крохотная: в одном стакане воды содержится больше отдельных молекул, чем содержится стаканов воды во всем Мировом океане. Вы стали так малы, что можете незаметно проникать в любую из миллиардов клеток, из которых состоит человеческий организм. Когда вы приближаетесь к клетке, вам кажется, что она — гигантская. Оказавшись в непосредственной близости от нее, вы видите, что клетка окружена оболочкой. В этой оболочке вы видите небольшие отверстия, сквозь которые вы можете проникнуть внутрь клетки, и отдельные еще более мелкие отверстия, через которые в клетку могут проникать молекулы нужных ей веществ. Еще в клеточной оболочке имеются отверстия, через которые из нее, например, непрерывно выводятся молекулы натрия.

Протиснувшись через одно такое отверстие, вы оказываетесь внутри клетки. Здесь вокруг вас с огромной скоростью движутся миллионы белковых молекул, которые отвечают за работу клетки, а также молекулы сахаров и жиров. Вы увидите также внутренние оболочки клетки, различные белковые нити и микрокапсулы. Нити и капсулы образуются из белковых молекул, которые соединяются вместе, чтобы сформировать сложные построения. Каждое из этих белковых образований подобно зрителю на заполненном до отказа футбольном стадионе — зрителей очень много, все вместе они образуют гигантскую толпу, но каждый при этом живет своей особой отдельной жизнью. Вам может показаться, что отдельные молекулы внутри клетки движутся хаотично, однако это не так.

Тысячи различных белковых молекул непрерывно кружатся в клетке, готовые участвовать в выполнении общей работы. Белки, созданные из аминокислот, подобны свитым вместе причудливым гирляндам цепей. Порой они принимают весьма причудливые формы. Некоторые из них действуют, подобно машинам, разрезая одни молекулярные цепочки и конструируя другие. В процессе этой работы они сами меняют свою форму, напоминая перестроения акробатов. Вы также можете наблюдать отдельные молекулы, которые при помощи специальных белков передвигаются внутри клетки по маленьким трубкам, в свою очередь сложенным из белковых молекул, — эти трубки чем-то схожи с железнодорожными путями.

Особую важность представляет процесс синтеза новых белковых образований. Гены следят за тем, чтобы аминокислоты, из которых, как из кирпичиков, складываются новые белки, соединялись друг с другом в правильной последовательности. Эти аминокислоты присоединяются друг к другу одна за другой, формируя длинные цепочки, которые затем образуют сложные белки.

Энергию, которая необходима для большей части этих процессов, предоставляют молекулы аденозинтрифосфаты (они обычно обозначаются аббревиатурой АТФ), которые постоянно движутся внутри клетки, ожидая, когда потребуется их участие. Эти молекулы исходят из больших цилиндрических трубочек внутри клеток, которые называются митохондриями. Митохондрии производят молекулы АТФ, используя для этого энергию, которая получается при сгорании глюкозы.

Если вы проникнете еще дальше в глубь клетки, то увидите оболочку, которая окружает ядро. В этой оболочке также имеются отверстия, через которые в ядро клетки входят и выходят различные молекулы. Если же вы проникнете через какое-то из этих отверстий в клеточное ядро, то увидите там хромосомы, внутри которых находятся цепочки ДНК. Двигаясь вдоль хромосом, вы сможете убедиться, что они содержат тысячи различных генов.

Придя в некоторое замешательство от увиденного, вы начинаете понимать, насколько же сложен механизм функционирования одной-единственной клетки. Каждая клетка — это основа жизни, и в каждом из наших тел содержатся миллиарды таких клеток. В этой книге я постараюсь рассказать о тайнах работы клеток и показать, как функционирует сообщество клеток в качестве единого организма.

Но сначала о том, как были открыты клетки.