Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

1. Открытие

В древности было принято давать простые объяснения вопросам жизни и смерти, действующим в обществе законам и тому, что такое хорошо и что такое плохо. Делалось это в основном в русле религиозных воззрений, которые передавались из поколения в поколение. В самых разных культурах это находило отражение в мифах и легендах, ритуальных песнопениях и танцах, в писаных и неписаных законах. Затем появились греки. Они ничего не знали о клетках, но они пытались понять устройство жизни, особенно тогда, когда что-то нарушалось и люди заболевали.

Наука обязана своим зарождением древним грекам, которые попытались понять устройство мира, основываясь на логике и доказательствах. Другие человеческие общества, например китайское, располагали замечательными технологиями, однако до создания науки они не додумались. Впрочем, в области биологии древним грекам не удалось добиться значительных успехов, поскольку обыденные представления часто противоречат научным фактам — они помешали грекам сформировать идею о том, что в основе жизни лежит деятельность клеток.

При этом Аристотелю удалось совершить небывалый прогресс в области логики, Евклиду — в сфере математики, а Архимеду, возможно самому великому из древнегреческих ученых, — в области физики и механики. Некоторые из древнегреческих ученых были сторонниками атомарной теории устройства мира, считая, что мир создан из мельчайших частиц. Аристотель эту идею отвергал, полагая, что материя — едина.

Древние греки полагали, что все создано на основе четырех элементов: земли, огня, воды и воздуха. На основе этих представлений они разработали теорию о том, что внешний вид и функционирование человеческого тела также базируются на четырех субстанциях — черной желчи, желтой желчи, флегмы и крови. Представление о том, что все болезни происходят от избытка либо недостатка одной из этих четырех субстанций, перешла от древних греков к римским врачам и философам. Гиппократ, живший в Греции за четыреста лет до Рождества Христова, был одним из приверженцев этой теории и одним из первых отверг все остальные объяснения заболеваний, в которых было куда больше мистики.

Со времен Гиппократа и вплоть до восемнадцатого столетия медицина опиралась на теорию четырех субстанций. Древние греки и римляне, а вслед за ними западные ученые, усвоившие классическую философию, полагали, что в зависимости от способа питания и физической активности каждая из этих субстанций может то прибывать, то убывать. Если в ком-то наблюдался избыток какой-то субстанции, то от этого страдали и характер, и здоровье. Все это привело к тому, что на протяжении двух тысяч лет врачи лечили людей кровопусканием. В действительности такое лечение имело нулевой врачебный эффект, если не считать, конечно, эффекта плацебо, когда сам пациент начинает верить, что польза есть.

Что касается зарождения жизни, то одни ученые считали, что она возникла в воде, а другие — что в воздухе. Греческий философ Эмпедокл полагал, что растения и животные появились в результате воздействия огня, который вырвал из глуби земли бесформенные куски материи и часть из них затем превратилась в людей. За всеми этими идеями скрывалось представление о том, что жизнь — это своего рода особая сила, которая может одухотворить любой материальный объект, сделать его живым. Это соответствовало церковным воззрениям позднейшего времени. И если бы не был изобретен микроскоп, мы, возможно, придерживались бы их до сих пор.

Другое древнее представление о жизни, которое пришло к нам из Китая и до сих пор используется в теориях, связанных с практикой акупунктуры, основывается на убеждении в том, что в человеческом теле содержится жизненная сила (ее называют «ци» или «ки»), циркулирующая по невидимым каналам. В соответствии с этой теорией все болезни вызываются нарушениями в циркуляции «ци». До сих пор в ходу утверждения о том, что точки иглоукалывания представляют собой те области, которые влияют на циркуляцию жизненной энергии; воздействуя на них, можно вылечить различные заболевания.

Клеткам удавалось удивительно долго скрывать от нас свои тайны. Примерно две тысячи лет назад древние римляне, экспериментируя с формами стекла, толстыми в середине и тонкими по краям, обнаружили, что, когда подобные «линзы» подносят к предметам, те выглядят крупнее. Однако стеклянные линзы так и не нашли применения вплоть до тринадцатого столетия, когда в Италии стали изготавливать очки для коррекции зрения.

Первые микроскопы, которые были просто увеличительными стеклами, состояли из одной линзы, обладающей способностью увеличивать предметы примерно в десять раз. Этого было недостаточно, чтобы увидеть клетку, хотя было очень интересно смотреть сквозь такое увеличительное стекло на мух и других крохотных насекомых. Решительный прорыв вперед произошел в 1590 году, когда два голландских мастера, занимавшихся изготовлением стекол для очков, догадались поместить сразу несколько линз в трубку и тем самым сделали важнейшее открытие. Предмет при взгляде через такую трубку увеличивался многократно — гораздо больше, чем под одним увеличительным стеклом. Так был изобретен прообраз микроскопа.

Первым человеком, который увидел клетку и назвал ее так — хотя и не осознал в тот момент, что же именно он сумел разглядеть, — стал Роберт Гук. Это случилось в 1665 году. Будучи еще совсем юным, Гук обладал блестящими способностями быстро схватывать все новое. К тому же он от природы обладал умением конструировать различные приспособления. Закончив Вестминстерскую школу в Лондоне, он поступил в колледж Крайст-Черч в Оксфорде. Там он научился разбираться в широком спектре научных дисциплин, включая астрономию, биологию, физику и архитектуру, и заслужил репутацию умелого изготовителя инструментов для проведения научных исследований. В 1663 году он стал членом Королевского научного общества в Лондоне, а позднее — его председателем.

В своих научных работах, которые публиковались на протяжении сорока лет, Гук разрабатывал идею основополагающего принципа, который мог бы служить единой основой для развития всей природы. Он называл его «великой единой теорией». Гук считал аксиомой то, что вся природа создана на основе общего принципа, ибо он верил в то, что природа — продукт Божественного разума, а предположить, что Господь был непоследователен или противоречив, разрабатывая и осуществляя великий замысел сотворения мира, было немыслимо. А поскольку человека также сотворил Господь по Своему образу и подобию, то было логично предположить, что человек способен постичь единый принцип, который лежит в основе всего живого. Как сказал однажды Кеплер, «наука думала за Господа Его мысли».

Гук создал свою собственную модель микроскопа. Под ним он исследовал нарезанные скальпелем тончайшие ломтики пробки и сумел разглядеть стенки клеток и пустое внутреннее пространство, которое они окружали. Он назвал эти образования «клетками», от латинского слова «cella», что означает «маленькая комнатка», ибо они напомнили ему монашеские кельи в монастырях. Однако у него не было ни малейшего представления о том, чем же на самом деле они являлись и какую функцию выполняли. Он решил, что это протоки, через которые осуществляется движение жидкостей в растениях.

«Микрография» Гука, в которой содержались первые рисунки клетки, а также зарисовки множества других мельчайших образований, увиденных им в микроскоп, появилась на прилавках книжных магазинов в январе 1665 года. Через шесть лет после публикации записей наблюдений Гука Королевское научное общество в Лондоне получило рукописи от двух других ученых, которые утверждали, что растения состоят из клеток с толстыми стенками. В результате возник спор о том, кто же первым сделал это открытие.

Первым человеком, который сумел увидеть клетку животного, был Антон ван Левенгук. Его и следует называть истинным основоположником исследований при помощи микроскопа. Левенгук был самоучкой — он не учился ни в каком университете, однако стал одним из величайших и наиболее опытных исследователей природы. В 1648 году Левенгук в шестнадцатилетнем возрасте отправился в Амстердам и стал учеником в полотняной лавке. В этой лавке пользовались увеличительными стеклами для того, чтобы сосчитать количество ниток на единицу площади в полотне, — так определяли его качество. На основе увеличительных стекол, которыми пользовались торговцы полотном, Левенгук создал свой первый микроскоп. По-видимому, «Микрография» Гука вдохновила Левенгука на то, чтобы с микроскопом приступить к изучению живых организмов.

Левенгук овладел способами шлифовки линз, которые позволили ему создать микроскоп с увеличением в 300 раз. С его помощью он в 1670 году обнаружил во взятой из пруда воде мельчайшие организмы, которые назвал «анималкулами», то есть «маленькими животными». Эти организмы включали мельчайшие движущиеся образования, состоявшие всего из одной клетки. Однако сам Левенгук еще не понял, что это клетки, — он видел лишь, что они очень маленькие и живые. В изданных в 1683 году «Философских трудах Королевского научного общества» можно увидеть сделанный Левенгуком первый в истории рисунок бактерии.

В 1673 году Левенгук взял на пробу кровь из собственного пальца и увидел, что она состоит из маленьких круглых шариков, которые он назвал «глобулусами». Он решил, что вся живая материя состоит из этих «глобулусов», но это предположение не получило широкого признания, поскольку оказалось, что наблюдения Левенгука мало применимы к монолитным животным тканям. Более популярной стала теория о том, что основным строительным материалом человеческого тела являются животные волокна. В последующие сто лет практически не произошло никакого прогресса в изучении и понимании роли клеток.

В начале XIX столетия многие ученые занялись изучением биологических материалов. В 1820-х годах во Франции ученый Рене Дютроше заинтересовался структурой эмбрионов. Изучая мозг улитки, он ясно увидел его отдельные клетки, поскольку они были весьма велики. Дютроше наблюдал за мельчайшими организмами в неподвижной воде и увидел в микроскоп то, что было уже описано до него Левенгуком. Но Дютроше же заинтересовало постоянное движение этих организмов. Из своих наблюдений он сделал вывод о том, что, возможно, наблюдал прямые проявления той самой знаменитой и ускользающей из поля зрения ученых «жизненной силы». В 1824 году Дютроше написал: «Жизнь, если рассматривать ее с физической точки зрения, есть не что иное, как движение, а смерть — прекращение этого движения». Дютроше считал, что новые клеточные «глобулусы» формируются внутри уже существующих, и не поддерживал идеи спонтанного размножения клеток.

Другой француз, Жан-Франсуа Распай, который в какой-то момент даже был кандидатом на пост президента республики, был убежден, что клетки лежат в основе всех организмов. Как и Дютроше, он полагал, что новые клетки формируются внутри уже существующих. Распай оставил нам два выдающихся высказывания: «Дайте мне кусочек живой материи, и я сотворю из него все существующее мироздание», а также: «Каждая клетка происходит от другой клетки». Но наука в ту пору еще не знала, каким именно образом формируются клетки, хотя уже в 1832 году бельгийский политик и ученый-любитель Анри Дюмортье наблюдал размножение клеток растений. Он видел, как одна из клеток становилась больше соседних, затем в ней образовывалась перемычка, и клетка делилась на две. Приятно знать, что политики в ту эпоху интересовались биологией.

В начале девятнадцатого столетия научные представления о клетках сводились в основном к повторению теории о «глобулусах», и считалось, что внутри «глобулусов» нет ничего заслуживающего внимания. И это несмотря на то, что еще в 1682 году Левенгук описал увиденные им мелкие структуры внутри клеток крови трески и лосося. Речь шла об увиденных им ядрах клеток, функции которых стали понятны ученым лишь в двадцатом веке. Само же название «ядро» было присвоено этим образованиям в 1831 году шотландским ученым Робертом Брауном. Он был убежден, что эти ядра выполняют какие-то важные функции, только не знал, какие именно.

На развитие научных представлений о клетках оказала огромное влияние работа немецкого физиолога и убежденного католика Теодора Шванна. Он занимался исследованиями нервных и мускульных тканей при помощи микроскопа и открыл жировую оболочку, покрывающую многие нервные клетки. С тех пор эти клетки так и называются «клетками Шванна». Немецкий ученый порвал с традиционным и, по сути, мистическим представлением о неких «жизненных силах» и стал искать сугубо научное объяснение жизненным феноменам, которое базировалось бы на точных законах физики и химии.

Во время обеда Шванна и ботаника (он же адвокат) Маттиаса Шлейдена в 1837 году разговор коснулся ядра растительных клеток, и Шванн вспомнил, что видел внутри животных клеток такие же образования, которые он ранее наблюдал внутри растительных клеток. Этот миг положил начало созданию подлинной клеточной теории.

В 1838 году Шлейден предположил, что каждый структурный элемент растений был создан из клеток либо из их производных. В следующем, 1839 году с подобным же выводом относительно животных выступил и Шванн, выпустивший свой знаменитый труд «Исследования сходства в структуре и развитии растений и животных при помощи микроскопа». В этом труде Шванн утверждал, что «первичные структуры всех тканей образованы клетками». Имена Шлейдена и Шванна столь же тесно связаны с теорией клеток, как имена Ватсона и Крика — с открытием ДНК, сделанным столетием позже. Однако когда Шлейден и Шванн попытались понять, как же размножаются клетки, они допустили серьезнейшие ошибки.

Разумеется, нам следует принять во внимание те объективные трудности, с которыми они столкнулись. Если ученый обладает микроскопом, то какие области он должен исследовать, чтобы увидеть, как формируются клетки? В любом живом теле нет таких очевидных мест. Лучше всего наблюдать за этим на примере развивающегося эмбриона, но для этого требуется сначала осознать, что все клетки тела ведут свое происхождение от одной-единственной клетки, от оплодотворенного яйца, которое в дальнейшем размножается путем деления. Шлейден и Шванн этого не знали, и это было неизвестно еще нескольким поколениям ученых, работавших позже них. Шлейден полагал, что первый этап в процессе воспроизводства клетки связан с формированием центра кристаллизации в пространстве за пределами клетки, после чего вокруг этого центра начинает образовываться новая клетка. По мнению Шванна, формирование новой клетки начинается с образования центра кристаллизации в свободном пространстве между отдельными клетками.

При этом Шлейден и Шванн либо не знали, либо игнорировали результаты наблюдения, сделанного Дюмортье в 1832 году, когда французский ученый увидел, что клетки зеленой водоросли размножаются путем деления. В области исследования животных клеток ключевым стало открытие в 1841 году немецким ученым Робертом Ремарком, который критически отнесся к теории, выдвинутой Шлейденом и Шванном, процесса размножения клеток эмбриона цыпленка. Другим важнейшим открытием Ремарка стало то, что оплодотворенное яйцо лягушки подвергается многократному последующему делению, в результате чего появляется эмбрион лягушки. Ремарк также сделал вывод о том, что различные злокачественные опухоли и новообразования на теле людей и животных появляются за счет деления изначально здоровых клеток.

В 1859 году немецкий ученый Рудольф Вирхов писал: «Любое животное является слагаемым из основных элементов, каждый из которых обладает характерными признаками живого организма. Из этого следует, что основной живой организм, так называемый индивидуальный организм, можно сравнить со своего рода социально организованным обществом, в котором отдельные члены зависят друг от друга таким образом, что при этом каждый отдельный элемент ведет свою собственную особую деятельность и, получая стимулы к своей деятельности от других элементов, тем не менее выполняет свою задачу своими собственными силами».

Здесь впервые прозвучала концепция, что мы представляем собой сообщество клеток. Идеи Вирхова стали основой теории формирования клеток, пусть даже сами механизмы возникновения новых клеток и не были еще до конца понятны ученым. Ученые уже увидели развитие оплодотворенного яйца лягушки и его последующее деление, приводящее к возникновению множества новых клеток, ряд из которых впоследствии развивался в клетки мускулов и хрящей. Как происходило это превращение, они не знали. Кроме того, ученым было нелегко признать некоторые «казусы» — например, то, что и нервы состоят из одной клетки хотя их отростки, аксоны, тянутся порой на метр в длину, и они мало похожи на привычные небольшие круглые клетки, которые наблюдались во всех остальных животных тканях. Попытки воссоздать и описать трехмерную структуру нервной системы наталкивались на невозможность определить истинные взаимоотношения нервных клеток и их длинных отростков и ответвлений.

Важный прорыв в этой области произошел в 1873 году, когда итальянский физиолог и нейрогистолог Камилло Гольджи (1843–1926) разработал способ окрашивать нервные клетки контрастным материалом. Теперь даже слепой, по словам самого Гольджи, мог легко увидеть нервы со всеми их отростками и соответственно изучить их. Гольджи полагал, что нервные аксоны со всеми их многочисленными ответвлениями, ясно видные после их окраски черной краской, образуют гигантскую разветвленную нервную сеть, через которую передаются нервные импульсы. Но Гольджи заблуждался: то, что он видел, было не аксоном одной нервной клетки с многочисленными ответвлениями, а множеством пересекающихся аксонов, которые относились к различным нервными клеткам.

Решающие изменения случились во второй половине 1880-х годов. В октябре 1886 года швейцарский эмбриолог Вильгельм Хис выдвинул идею о том, что каждая отдельная нервная клетка со всеми ее аксонами представляет собой отдельную системную единицу. С этого момента нервную систему стали рассматривать как совокупность отдельных клеточных элементов, каждый из которых взаимодействует с другими благодаря пересекающимся отросткам. Решающее доказательство правильности этой теории было получено лишь с помощью электронного микроскопа, который появился в 1930-е годы и позволил увидеть межнейронные синапсы — зоны функционального контакта двух нервных клеток.

С открытием Хиса наибольшую важность приобрели исследования внутренней структуры клетки. Ученые уже определили, что внутри как растительных, так и животных клеток находится ядро, хотя в ту пору никто еще не знал, что это ядро содержит в себе набор генов. Для того чтобы понять это, требовалось более тщательно изучить внутреннее строение клетки. Во время исследований растительных и животных клеток было установлено, что в момент деления клетки оболочка ядра растворяется и через срединную часть клетки протягивается веретенообразная структура. На этом веретене в центре клетки собирался определенный органический материал, который затем попадал в обе дочерние клетки. Когда клетка разделялась на две новые клетки, каждая из них получала свою отдельную оболочку и в каждой из них формировалось свое собственное ядро.

То, что собиралось в центре клетки на веретене, и представляло собой наследственный материал клеток — но кто мог понять это в ту пору? В 1870-е годы ученые установили лишь, что этот материал представляет собой набор микротрубочек различных размеров, каждая из которых делится надвое, и затем образовавшиеся пары разделяются и расходятся к разным полюсам клетки-матери, чтобы оказаться в новых клетках. Эти микротрубочки ученые назвали хромосомами.

Профессор зоологии Лейденского университета Эдуард ван Бенеден во время изучения паразитического червя установил, что в его клетках содержится всего несколько хромосом. Благодаря этому он мог легко проследить за судьбой каждой из хромосом при делении клеток, то есть в процессе митоза. Ван Бенеден установил, что каждая пара хромосом делится в центре клетки, после чего хромосомы отходят к противоположным полюсам клетки. В ходе этих исследований ван Бенеден установил также, чем определяются половые различия особей.

Животные, размножающиеся половым путем, как, например, люди, половину своих хромосом получают от матери, половину — от отца. Это происходит в момент оплодотворения яйцеклетки. У людей каждый из родителей дает плоду по 23 хромосомы, в результате чего оплодотворенная яйцеклетка имеет 46 хромосом, и точно такое же количество хромосом содержится в каждой клетке человеческого эмбриона.

Изучая животное, в каждой клетке которого содержалось всего по две хромосомы, ван Бенеден догадался, что одна из этих хромосом была получена из отцовского сперматозоида, а другая — из материнской яйцеклетки. Таким образом, яйцеклетка и сперматозоид содержат лишь по одной хромосоме, и, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, она получает две хромосомы, и далее от нее путем деления образуются все без исключения клетки данного животного. Но как же взрослая особь, каждая из клеток которой содержит по две хромосомы, производит яйцеклетки и сперматозоиды, которые содержат лишь по одной хромосоме? Выяснилось, что процесс уполовинивания числа хромосом, мейоз, происходит одновременно с развитием яйцеклеток и сперматозоидов. Они проходят через две стадии деления клеток, однако при этом число хромосом в них удваивается лишь один раз. Мейоз — это один из основных генетических процессов. У людей, клетки которых содержат по 46 хромосом, в яйцеклетках и сперматозоидах получается по 23 хромосомы.

Главный вопрос, который так и не смогли разрешить в то время, как же именно передаются от родителей к детям их генетические характеристики. Особенно сложным он оказался для Чарлза Дарвина, выдвинувшего теорию эволюции и естественного отбора. Труды Дарвина по этой проблеме были впервые опубликованы в 1859 году. Каким же образом возникает разнообразие видов и их разнообразные отличительные характеристики, которые затем подвергаются естественному отбору? Дарвин, который не знал о теории клеток, полагал, что исходный материал, из которого развивается эмбрион, происходит из всех без исключения частей тел его родителей. Это стало известно под названием «теории пангенезиса». Племянник Дарвина Фрэнсис Галстон, не веривший в теорию пангенезиса, выдвинул предположение о том, что наследственный материал каким-то образом передается из поколения в поколение.

Фундаментальный прорыв в области генетики совершил Грегор Мендель. Рассказывать об этом весьма сложно, ибо неясно, насколько сам Мендель сознавал все его значение.

Результаты экспериментов Менделя с горохом в монастырском саду под Брно были опубликованы в издаваемом в Брно естественно-историческом журнале в 1866 году, однако они привлекли к себе очень мало внимания. Мендель писал, что характерные признаки гибридов гороха — такие, как округлая или угловатая форма семян, их желтый или зеленый оттенок, — следует считать наследственными признаками. Однако проявляются далеко не все признаки, поскольку некоторые из них подавляются каким-то одним, доминантным. При скрещивании рослых и малорослых сортов все потомство было высокорослым. Когда же между собой скрещивались эти гибриды, то треть потомства оказывалась низкорослым, а две трети — высокорослым. Речь о том, что за все это отвечают гены, в ту пору еще не шла.

Теодор Бовери из университета Вюрцбурга развил выводы ван Бенедена, сделанные в результате наблюдений за хромосомами, и доказал, что при развитии клетки все их характеристики сохраняются неизменными. Бовери пришел к выводу о том, что хромосомы являются независимыми образованиями по отношению к самой клетке. Он также обнаружил, что если в яйцеклетку морского ежа проникало больше одного сперматозоида, то в оплодотворенной яйцеклетке оказывалось избыточное количество хромосом и эмбрион развивался с дефектами. Исследование хромосом в клетках дождевых червей и морских ежей привело Бовери к выводу о том, что хромосомы переходят во вновь образовывавшиеся клетки при делении клеток и что именно они являются носителями наследственной информации. В 1902 году Бовери увидел взаимосвязь между своей теорией об индивидуальном характере хромосом и исследованиями Менделя о передаче наследственных признаков.

Бовери имел дело с генами, хотя их еще не называли так. У самого термина «ген» — весьма запутанное происхождение. В 1889 году Гуго де Вриес придумал термин «панген», которым он решил обозначить мельчайшую единицу, заключающую в себе наследственные характеристики. Затем этот термин укоротил до «гена» Вильгельм Йоханнесен. В 1908 году Уильям Бейтсон, зоолог из Кембриджского университета, описывая вопросы наследственности и изменения видов, написал: «Крайне необходимо придумать слово для того, чтобы обозначить само понятие об этом, и в этой связи слово „генетика“ вполне бы подошло».

Ученым, который с полной достоверностью установил существование генов, стал американец Хант Морган, сделавший это в первой четверти XX столетия. Морган был биологом-исследователем, однако никаких особых успехов он не добился. Однажды он изучал дрозофил и заметил, что одна из дрозофил обладает необычным свойством — белыми глазами (в то время как обычно у дрозофил глаза красные). Морган доказал, что эта необычная особенность была связана с полом дрозофилы.

Затем Морган обнаружил еще трех дрозофил, имеющих общие характерные признаки, которые были связаны с полом, и смог доказать, что за каждый из них отвечала особая область хромосомы, или ген. После этого ученые смогли наконец точно определить место генов в составе хромосом, и это позволило заложить фундамент науки генетики. Было признано, что гены — единственный механизм, отвечающий за передачу наследственных признаков от родителей потомству. Дрозофилы до сих пор остаются важным объектом генетических исследований, а Моргану за его достижения в этой сфере в 1933 году была присуждена Нобелевская премия.

Большая часть исследователей полагала, что ген сформирован на основе белка. Обнаружение в 1920-е годы вирусов, которые обладали способностью воспроизводиться внутри бактерий, подтвердило верность этих взглядов, поскольку исследования показали, что в 90 процентах случаев вирусы состояли из белка. В 1928 году были получены данные, которые указывали на то, что наследственная информация содержится в ДНК. Исследуя бактерию, которая вызывала пневмонию, британский медик и ученый-генетик Фред Гриффитс обнаружил, что эта бактерия существует в двух разновидностях: вирулентной, вызывающей заболевание в подопытных мышах, и безвредной. Когда он нагревал раствор с вирулентными штаммами, они также становились безвредными. Однако, к его удивлению, если он вводил подопытным мышам раствор с вирулентными штаммами, который был обезврежен в ходе нагревания, вместе с раствором с безвредными штаммами, то мыши заболевали пневмонией. Получалось, что вирулентные штаммы даже после того, как их подвергли нагреванию, сохраняли способность передавать свои болезнетворные качества безвредным штаммам.

Для того чтобы выяснить, что же именно передается в этом случае, ученым потребовалось пятнадцать лет, и они установили, что передается именно ДНК. Это открытие вызвало удивление, поскольку в те годы ученые полагали, что передаваться должны белки. Что ДНК содержит наследственный материал, выяснилось в ходе проведенных в 1944 году экспериментов с вирусами. Сами вирусы состоят из белка и ДНК, и исследования доказали, что наследственная информация, которая приводила к образованию новых вирусов, содержалась лишь в ДНК. В конце 1940-х годов было доказано, что качества бактерии меняются не под воздействием белка, но под воздействием ДНК. Однако некоторые ученые сомневались, что гены образованы спиралями ДНК. Предположение, что наследственный материал содержится именно в ДНК, а не в белках, получило окончательное подтверждение в начале 1950-х годов после открытия Криком и Уотсоном двойной спирали ДНК. Затем последовало открытие механизма саморепродукции ДНК и обеспечения строительства белков согласно содержащемуся в ДНК наследственному коду. Так ученые начали приближаться к пониманию молекулярной основы функционирования клеток.

Они выяснили, в чем заключаются функции хромосом, однако функции митохондрий удалось разгадать только в 1950-х годах. Эти небольшие образования были обнаружены во всех клетках, кроме клеток бактерий, еще в XIX столетии, однако выяснить их функцию тогда не смогли. Само название «митохондрии» отражает впечатления от их внешнего вида, зафиксированное впервые обнаружившими их учеными, — в основе его лежат греческие слова «нить» и «гранулы». В течение многих лет после открытия митохондрий ученые ошибочно полагали, что их функция состоит в переносе наследственной информации. Только в 1950-е годы их удалось извлечь из клеток и выяснить их структуру при помощи электронного микроскопа. Отделить митохондрии от других структур клетки удалось следующим образом: большое количество клеток надрезали и помещали в центрифугу. Поскольку удельный вес митохондрий отличается от удельного веса других структур клетки, в процессе центрифугования они отделяются. В результате биохимического исследования митохондрий ученые установили, что они обеспечивают клетки энергией, поставляя ее в форме АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты.

При исследовании клеток ученым зачастую необходимо иметь в своем распоряжении большое количество одинакового материала для проведения биохимического анализа. Извлечение клеток из живого организма — если только речь не идет о клетках крови — представляет собой немалую трудность. Поэтому встал вопрос о том, чтобы научиться выращивать их в искусственной питательной среде. Такие технологии стали разрабатывать с конца 1890-х годов, настоящий же прорыв в этой области произошел в 1907 году, когда ученые научились искусственно культивировать клетки тканей в течение нескольких недель.

Большинство клеток, изъятых из живого организма и помещенных в искусственную питательную среду, растут там в течение ограниченного периода времени — по причинам, которые будут объяснены позднее. Однако в процессе исследований выяснилось, что возможны практически «бессмертные» популяции клеток; они-то и оказались наиболее удобным объектом для изучения. Одна такая популяция клеток, которую называют «ГеЛа», возникла из тканей Генриетты Лакк, проходившей лечение по поводу рака шейки матки в 1951 году. Саму Генриетту Лакк раковая опухоль в конце концов убила. Популяция же клеток «ГеЛа», взятая из ее тела, оказалась весьма живучей. Благодаря наблюдениям за ней удалось изучить многие аспекты жизнедеятельности клеток — такие, как, например, рост внутри клеток вирусов полиомиелита. Всего только за два года в различные лаборатории по всему миру для изучения было разослано 600 тысяч образцов клеточных культур «ГеЛа».

Ученые серьезно продвинулись вперед, когда научились выделять из ткани клетки разных типов. Причем не беда, если первоначально удается выделить слишком малое число клеток какого-то одного типа — искусственная питательная среда поможет увеличить их количество. При этом большая часть клеток в искусственной среде сохраняет свои изначальные свойства: у нервных клеток вытягиваются длинные отростки-аксоны в поисках тех объектов, куда они могут передать нервный импульс, мускульные клетки непроизвольно сокращаются, а клетки ткани могут, размножаясь, формировать новые слои.

Все это позволило дать твердое научное обоснование клеточной теории. От того, как функционируют клетки, зависит жизнедеятельность организма и развитие в нем различных заболеваний, которые являются следствием неправильного функционирования клеток. Такой подход позволяет анализировать болезненные процессы на клеточном уровне. Он применяется при патологоанатомических исследованиях, когда определенные участки тканей исследуются при помощи микроскопа, чтобы выявить отклонения в развитии клеток, приводящие к болезни.

Клеточная теория позволила выработать общий универсальный подход к проблемам биологии. Эта теория подчеркивает глубинное единство всего живого и лежит в основе концепции о том, что все живые организмы представляют собой своеобразные «республики элементарных живых частиц» — иными словами, являются сообществом клеток.

Все клетки происходят от одного и того же общего прародителя, и все они в процессе эволюции сохранили свои основные базовые свойства. Подобные свойства клеток и живых организмов обусловливают то, что познание особенностей функционирования одного живого организма способно в большинстве случаев обеспечить понимание и познание другого живого организма, включая и человеческий, что крайне ценно, ведь с человеческим организмом особенно не поэкспериментируешь, в то время как эксперименты на мышах, лягушках, мушках, морских ежах, червях и бактериях способны дать нам знания, касающиеся всего живого, в том числе и нас самих. Например, обитающая в человеческом кишечнике бактерия Escherichia coli, которая вырабатывает 4300 различных белков, хорошо растет и быстро размножается. Исследованиям этой бактерии мы обязаны значительному росту наших знаний о молекулярных основах жизнедеятельности клеток, включая знания о воспроизводстве информации ДНК и белковом синтезе. Изучение многоклеточных животных, таких, как плодовые мушки, заложило основы классической генетики. Изучение лягушек, мышей и цыплят позволило узнать особенности эмбрионального развития позвоночных животных.

Рассказывая же в этой книге об основных процессах жизнедеятельности, мы сосредоточимся прежде всего на человеческих клетках.