Льюис Уолперт

Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Что есть такое — жизнь? Соленая вода,

Что форму обрела в пространстве клетки,

Не знающей покоя никогда.

Но кто ее патрон? Он не оставил метки…

Джон Мейсфилд

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.

1. Открытие

Как наука прояснила основные факторы жизни

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.

2. Как мы живем

Как воспроизводятся клетки, как поддерживается порядок в сообществах клеток, как клетки зарождаются и как умирают

Лишь изучая клетки, мы можем выяснить, что же такое жизнь. Я не буду пытаться решить непосильную задачу и дать всеобъемлющее определение жизни — вместо этого я просто опишу ее главные свойства. Первым является способность к размножению, к воспроизводству самой себя, что происходит, например, когда клетка вырастает и делится на две новые клетки. Вторым свойством является способность к упорядочиванию и выработке энергии для происходящих в клетке процессов — таких, как перемещение молекул и синтез новых химических соединений. Третье свойство — способность клетки к развитию, а четвертое, и последнее, — к смерти. Удивительно, но во всех этих процессах ключевую роль играют одни и те же нитевидные молекулярные образования — ДНК и белки.

Белки внутри клеток — настоящие волшебники. Однако еще более важную роль играют ДНК, из которых образуются гены в хромосомах и которые обеспечивают матрицы для строительства новых белков. При этом все ДНК обладают уникальным общим свойством — это единственное внутриклеточное образование, которое точно воспроизводит само себя. Перед тем как происходит деление клетки, создается точная копия-двойник ее ДНК. Определяя структуру различных белков клетки, ДНК эффективно контролирует многие из происходящих внутри клетки процессов.

ДНК содержатся в клеточном ядре — на находящемся внутри клетки плоском диске, окруженном оболочкой. Оболочка эта очень тонка, и даже при рассматривании в мощный электронный микроскоп представляет собой лишь тонкую линию. Однако именно она является внешними границами клетки и отделяет ее содержимое от окружающей среды. Но клеточная оболочка — это нечто большее, чем просто граница клетки, ибо она содержит в себе специальные белки, которые позволяют определенным молекулам легко проникать внутрь клетки и так же легко выводиться из нее; одновременно они служат преградой для проникновения других молекул. Словом, белки клеточной оболочки играют активную роль в переносе отдельных молекул и атомов, которые вводятся в клетку и выводятся из нее. Ведь в клетку необходимо ввести пищу и обеспечить вывод из нее продуктов распада. Особой функцией клеточной оболочки является ее способность проводить электрические импульсы, что позволяет действовать в организме клеткам нервной системы.

Белки, которых всего в нашем организме около ста тысяч разновидностей, представляют собой связанные друг с другом цепочки небольших простых молекул, называемых аминокислотами. В белках содержится двадцать различных видов аминокислот. Десять из них вырабатываются клетками нашего организма, другие же десять мы получаем из пищи.

Белки отличаются друг от друга числом аминокислот и последовательностью их расположения. От этого зависят трехмерная структура и принципы функционирования каждого отдельного белка. Белки похожи на акробатов, которые складываются, изгибаются и меняют свою форму самым причудливым образом. Большая часть наших клеток содержит несколько тысяч различных белков, всего же в организме находятся миллионы белков самых разных видов. Если было бы возможно проникнуть внутрь этого миниатюрного царства и окинуть его взглядом, то оставалось бы только удивляться, как что-то может выйти из всей этой лихорадочной активности, ибо белки не только меняют форму, но и большую часть времени движутся очень быстро и хаотично — каждые несколько секунд они входят в соприкосновение с миллионами других молекул. Почти все, что происходит внутри наших клеток, является следствием взаимодействия белков друг с другом или с другими молекулами — нуклеиновыми кислотами, углеводами и жирами.

Самой важной функцией клетки является ее способность образовывать новые клетки, что происходит благодаря ее увеличению и последующему делению. Новые клетки формируются за счет роста и последующего деления существующих клеток. Однако прежде чем мы перейдем к изучению процесса деления клеток, мы должны понять, как происходит подготовка к этому событию.

Содержимое готовящейся к делению клетки удваивается, чтобы каждая из двух дочерних клеток получила все, что ей требуется: гены, белки, митохондрии, клеточную оболочку и множество других необходимых молекул. Чтобы это стало возможным, клетка должна сначала значительно вырасти. И действительно, перед моментом разделения клетка весьма увеличивается в размерах.

Перед разделением клетки должна быть продублирована и находящаяся внутри клеточного ядра молекула ДНК. Это единственная молекула клетки, которая подвергается точному дублированию, и это не случайно — в ДНК содержится информация, на основе которой образуются белки, выполняющие основные жизненно важные функции внутри клетки. Специальные белки отвечают за то, чтобы соединить длинные молекулы ДНК в нити хромосом, которые образуют систему витков и петель, благодаря чему ДНК не переплетаются ни друг с другом, ни с другими хромосомами. Точная копия каждой из 46 хромосом, содержащихся в каждой клетке нашего тела, во время процесса митоза переходит в каждую из двух дочерних клеток.

Все другие компоненты клетки также должны быть продублированы перед ее разделением. Каждая митохондрия — а митохондрий в каждой клетке содержится несколько сотен — также будет скопирована вместе с содержащейся внутри нее спиралью ДНК. Во время роста клетки перед ее делением происходит синтез новых белков, жиров и углеводов, и во всех этих процессах ведущую роль играют белки.

Простые одиночные клетки, такие, как клетки дрожжей, делятся каждые два часа. У большинства же клеток цикл жизнедеятельности от одного деления до другого занимает обычно 24 часа. Этот цикл разбит на четыре фазы. Первой и самой длительной является фаза роста. Во время второй фазы происходит дублирование хромосом со всеми их ДНК и генами. За ней следует третья фаза, подготовка к делению, и после нее наступает четвертая — деление клетки, то есть митоз. Точно так же, как, скажем, в любой стиральной машине, каждая фаза этого процесса заранее запрограммирована — и подготовка к ней, и ее завершение происходят в строгом порядке и очередности.

Процесс деления клетки имеет основополагающее значение для ее жизнедеятельности, поэтому нет ничего удивительного в том, что существует особая система контроля за делением, которая обеспечивает то, что непосредственное физическое разделение клетки происходит только в нужное время, а не раньше того, например, момента, когда будут точно и достоверно продублированы хромосомы. Сам митоз происходит в течение относительно короткого времени — не более одного часа, однако подготовка к нему может длиться от 12 до 24 часов. В рамках цикла жизнедеятельности клетки существуют отдельные контрольные точки, которые обеспечивают правильное и последовательное прохождение всех подготовительных фаз деления. Ни одна следующая фаза не может начаться до того, пока она не будет полностью подготовлена.

Время и последовательность событий в каждой фазе контролируются в основном за счет специальных белков, называемых циклинами, концентрация которых по необходимости возрастает и убывает. Циклины позволяют исполнять свои функции другим белкам клетки главным образом за счет того, что либо присоединяют к белку главный источник энергии — фосфор, производимый молекулами АТФ, либо, наоборот, отнимают его. Например, ряд циклинов начинает вырабатываться сразу же после разделения клетки в процессе митоза, и их концентрация постепенно нарастает в течение всего периода жизнедеятельности клетки вплоть до начала следующего митоза, наступлению которого эти циклины и способствуют. В момент, когда завершение митоза близится, концентрация циклинов резко снижается, а затем постепенно начинает нарастать вновь. Эта последовательность роста и снижения концентрации циклинов в клетке повторяется вновь и вновь. Другие виды циклинов вызывают начало других важных процессов внутри клетки — например, таких, как синтез ДНК.

Внутри клетки имеются контрольные и ограничительные механизмы, действующие на всем протяжении ее роста и деления. Главный механизм включается в самом начале цикла, перед тем как клетка начнет синтезировать новый набор хромосом и дублировать содержащиеся в ней ДНК. И если в спирали ДНК имеются повреждения, то синтез новой ДНК не начинается. В выполнении этих контрольных функций участвует крайне важный белок «р53», который откладывает начало синтеза ДНК до тех пор, пока повреждение ДНК не будет восстановлено. Его воздействие либо вызывает прекращение роста и деления клетки, либо приводит к самоуничтожению клетки ради того, чтобы в организме не появлялись раковые клетки с поврежденными ДНК.

Этот же контрольный механизм определяет, имеются ли благоприятные условия для роста и деления клетки — скажем, есть ли необходимые питательные вещества. Если результаты такой проверки оказываются неудовлетворительными, то весь процесс роста и деления клетки приостанавливается. Оказавшаяся в подвешенном состоянии клетка может оставаться пассивной в течение длительного времени. Перед митозом вступает в действие другой контрольный механизм, который должен проследить за тем, чтобы все спирали ДНК оказались продублированными. Существуют также контрольные механизмы, которые выявляют поврежденные хромосомы перед разделением клетки и откладывают митоз клетки до устранения повреждения.

Процесс дублирования хромосом прямо связан с особенностями структуры ДНК. Главным открытием в области ДНК, случившимся в 1953 году и дополнившим то, что ранее обнаружили Уотсон и Крик, стало обнаружение спиралеобразной структуры ДНК. Ученые выяснили, что ДНК состоит из двух спирально закрученных вокруг друг друга цепочек, построенных из четырех различных типов нуклеотидов. Молекулы ДНК лежат в основе 46 наших хромосом. Каждая хромосома представляет собой длинную молекулу ДНК, состоящую из двух цепочек, закрученных в знаменитую двойную спираль. При этом сами цепочки ДНК представляют собой набор из связанных воедино четырех различных видов нуклеотидов, благодаря которым саму ДНК следует считать разновидностью нуклеиновой кислоты.

Четырьмя различными видами нуклеотидов являются аденины (А), цитозины (Ц), тимины (Т) и гуанины (Г). Цепочка ДНК представляет собой набор отдельных нуклеотидов, соединенных друг с другом в строгой последовательности. Нуклеотиды всегда располагаются так, что аденин (А) в одной нити спирали ДНК соответствует цитозину (Ц) в противоположной нити, а тимин (Т) соединен с аденином (А), и так далее. Благодаря такому соединению и образуется двойная спираль ДНК. Поскольку одна нить молекулы ДНК в плане расположения в ней нуклеотидов четко соответствует другой нити, и наоборот, дублирование спирали ДНК не вызывает затруднений: каждая из нитей ДНК служит матрицей, согласно которой формируется ее точная копия. Когда начинается формирование одной нити спирали ДНК, одновременно с ней в строгой последовательности начинает формироваться и другая нить, пока не образуется двойная спираль ДНК, являющаяся точной копией уже присутствующей в данной клетке. Подобный порядок формирования ДНК делает эту молекулу уникальной и позволяет ей служить главным передаточным механизмом наследственной информации от поколения клеток — или людей — в другое поколение.

Процесс дублирования спирали ДНК начинается с того, что белки способствуют разведению в разные стороны нитей, из которых состоит эта спираль. Разведение нитей в разные стороны начинается одновременно в нескольких местах. Процесс этот идет довольно быстро — за одну секунду разводятся в разные стороны до ста нуклеотидов. Затем белковый механизм, отвечающий за дублирование ДНК, принимается строить новую двойную спираль ДНК, используя каждую из разведенных нитей в качестве матрицы и помещая нуклеотиды на точно обозначенные места. Процесс синтеза новой двойной спирали ДНК происходит сразу с двух направлений. В результате вместо одной первоначальной молекулы ДНК образуются две новые, совершенно одинаковые.

Когда процесс репликации достигает концевых участков нити ДНК, возникает проблема их недорепликации из-за нехватки места для воспроизведения цепочки ДНК. Эта проблема решается за счет того, что на концевых участках хромосом существуют особые структуры, которые называются теломерами («теломер» по-гречески означает «концевой участок»). При каждом следующем делении клетки участок теломер на конце спирали ДНК становится все короче, если только специальные энзимы не восстанавливают длину участка теломер в прежнем виде. Чем большее число раз делится клетка, тем короче становится участок теломер. Если спираль ДНК утрачивает участок теломер, то ее репликация становится более невозможной. Укорачивание участка теломер на концах хромосом может являться одним из факторов старения организма.

Процесс репликации хромосом должен осуществляться с исключительной аккуратностью: каждый следующий нуклеотид должен четко следовать за предыдущим нуклеотидом и соответствовать другому нуклеотиду на противоположной нити спирали ДНК, иначе неправильное воспроизводство структуры клеточной хромосомы приведет к ее мутации. Ошибки при репликации хромосом встречаются крайне редко, как если бы появлялась одна неправильная буква при перепечатке тысячи книг. Однако неправильное размещение даже одного-единственного нуклеотида в цепочке ДНК может привести к серьезным последствиям, и для того, чтобы предотвратить или скорректировать подобные сбои во время репликации, существует особый механизм.

Каждая дочерняя клетка должна получить свой набор хромосом, абсолютно идентичный хромосомам, присутствующим в изначальной материнской клетке. После завершения процесса дублирования хромосомы переходят в компактное состояние и становятся ясно различимыми в микроскоп. Именно в таком состоянии их удалось увидеть впервые. После этого хромосомы должны разделиться и перейти каждая в свою часть клетки, чтобы в дальнейшем образовались две дочерние клетки с одинаковым набором хромосом.

Процесс деления клетки называется «митоз», и главным инструментом его осуществления становится митотическое веретено деления. Как и подразумевает это название, оно представляет собой веретенообразную структуру, построенную из микротрубочек, которые, в свою очередь, созданы из белков. Микротрубочки обладают способностью быстро собираться в определенных местах, реагируя на необходимые химические сигналы, и так же быстро рассасываться. Их относительная нестабильность позволяет им быстро перестраиваться и принимать любые формы, поэтому они активно участвуют в процессе разделения клетки и расхождении хромосом. Своим видом митотическое веретено напоминает рождественское печенье, концы которого имеют звездообразную форму. Эти звездчатые зоны называются цитастерами.

При митозе центральная часть веретена начинает выпячиваться в районе клеточного экватора; к этому месту в последующем устремятся хромосомы. Само веретено деления имеет два полюса. Они состоят из белков и являются системообразующими элементами веретена. В самом начале митоза оба этих полюса находятся вместе внутри клеточного ядра. Затем они отделяются друг от друга и начинают движение к противоположным концам ядра, и между ними вытягивается тело самого веретена деления. После этого оболочка клеточного ядра разрывается, и хромосомы двигаются в направлении экваториальной плоскости веретена. Там они прикрепляются к микротрубочкам так, что каждая пара хромосом оказывается разделенной. При взаимодействии микротрубочек полюса веретена расходятся к противоположным сторонам клетки, в результате чего веретено растягивается в длину.

Затем сила, заставляющая реплицированные хромосомы держаться вместе, перестает действовать, и хромосомы с равномерной скоростью расходятся к противоположным полюсам веретена деления. В результате у каждого из полюсов образуется одинаковый набор хромосом, вокруг которого сразу же начинает формироваться ядерная оболочка, и образуются два новых клеточных ядра. Теперь клетка полностью готова к тому, чтобы разделиться на две.

Представьте себе, как вы завязываете веревку вокруг детского шарика и затем начинаете тянуть за оба конца этой веревки так, что середина шарика сжимается и у вас в руках образуется сразу два шарика. В разделяющейся клетке роль подобной веревки играет поперечная клеточная перетяжка, которая формируется внутри клетки и располагается между двумя вновь созданными ядрами будущих дочерних клеток. Положение поперечной перетяжки определяют цитастеры веретена деления. Перетяжка начинает воздействовать на клеточную оболочку, создавая силу давления на нее. Взаимодействие цитастер с участками клеточной оболочки в районе полюсов веретена деления приводит к тому, что давление на оболочку в этих местах ослабевает, но при этом продолжается в экваториальной плоскости, где образуется кольцо из актиновых и миозиновых филаментов. Постепенно образуется борозда деления, которая углубляется вплоть до полного разделения клетки и образования двух дочерних. Так происходит размножение клеток.

Второй важнейшей особенностью жизни является поддержание порядка внутри клетки. Это означает способность вызывать рост и синтез новых молекул и поставлять энергию для этих процессов. В некотором смысле клетка является миниатюрной химической фабрикой, внутри которой происходит большое количество химических реакций с участием мельчайших молекул углеводов и жиров и образуются крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Крайне важную роль в этом играют энзимы, способствующие ряду химических реакций, которые в конечном счете ведут к образованию либо разрушению молекул.

Поддержание порядка и предотвращение хаоса требуют энергии. Ведь, согласно второму закону термодинамики, материя стремится к неупорядоченному состоянию. Например, когда горсть подброшенных в воздух монет падает на землю, то соотношение монет, упавших орлом или решкой, никогда не будет упорядоченным. То, что все монеты упадут или орлом, или решкой, практически невероятно. Это касается всех изолированных систем — они имеют тенденцию скатываться к хаосу, если только для предотвращения этого состояния не тратится определенная энергия.

Синтез новых молекул во время фазы роста клетки, движение материи внутри клеток и сокращение мускульных клеток, вывод из клеток солей натрия — все это требует расходов энергии. Ключевым вопросом является то, откуда и как клетки эту энергию добывают. Подобно нам, людям, им приходится питаться для того, чтобы выжить. И большая часть питания, которое потребляют клетки, идет на выработку энергии, хотя некоторая его часть идет на образование новых белков и иных молекул.

Питание клеток осуществляется за счет той еды, которую мы потребляем, и именно она служит их основным источником энергии. Энергия же вырабатывается благодаря соединениям атомов кислорода и водорода, содержащимся в молекулах углеводов и жиров и в других молекулах, поставляющих питание клеткам.

Животные клетки, подобные клеткам человека, получают энергию от расщепления пищи во время ее переваривания и соединения получившихся элементов с атомами кислорода, в то время как растения вырабатывают энергию за счет солнечного света. Органами, отвечающими за выработку энергии в клетках животных, являются митохондрии. Они производят основной источник внутриклеточной энергии — АТФ, аденозинтрифосфорную кислоту. Объемы внутриклеточной активности обычно зависят от того, сколько в них используется молекул АТФ. Мы едим и дышим прежде всего для того, чтобы наши клетки могли вырабатывать АТФ. А АТФ необходима, чтобы обеспечивать энергией все происходящие внутри нас процессы. Когда мы занимаемся физическими упражнениями, мы ускоренно потребляем эту энергию, и именно это приводит к усталости.

АТФ является универсальным источником энергии для всего, что происходит внутри клетки — от мускульных сокращений до синтеза белков. Когда молекула АТФ вырабатывает энергию, жертвуя для этого одной из трех своих фосфатных групп, то она превращается в АДФ — аденозина дифосфат. АДФ может затем быть вновь превращена в источник энергии благодаря тому, что митохондрия снова присоединит к ней фосфатную группу, которая образуется при расщеплении углеводов.

В клетке в среднем содержится несколько миллиардов молекул АТФ. Все они используются и синтезируются вновь каждые две минуты. Почему в процессе эволюции в качестве основного источника возобновляемой энергии была выбрана именно АТФ, не совсем ясно, однако она работает очень эффективно. В принципе, это и есть тот результат, к которому должна была стремиться эволюция.

Клетки заботятся о том, чтобы, расщепляя еду на молекулы ради получения энергии или строительного материала, по ошибке не расщепить собственные молекулы. Отчасти эта задача решается за счет того, что первичное расщепление пищи происходит в небольших клеточных органеллах, которые называются лизосомами. В лизосомах содержатся энзимы, помогающие перевариванию пищи. Следующая и самая важная фаза процесса происходит в митохондриях, куда поступают продукты переваривания пищи и где происходит разрушение молекул углеводов и выработка на основе этого АТФ. Там вырабатывается большая часть энергии, и ключевым элементом для этого служит кислород.

Чтобы представить себе, как энергия, получаемая от сжигания углеводов, преобразуется в полезную энергию АТФ, вообразите себе камни, отрывающиеся от скалы и падающие вниз. Энергия их падения обратится в тепло и исчезнет, едва они коснутся земли. Однако можно установить на пути катящихся вниз камней гребное колесо и заставить их поворачивать его, да к тому же привязать к нему наполненное водой ведро, которое это колесо при своем вращении будет поднимать вверх. Когда вода в ведре поднимается выше уровня земли, она сама становится источником энергии, и эту энергию можно получить, если пропустить воду через машину, действующую по принципу гребного колеса, — точно так же источником энергии может стать АТФ, когда это потребуется.

У клеток нет таких проблем, которые испытываем мы при поглощении пищи, ибо они не знают, что такое тучность. Расщепление питательных веществ за счет их переваривания энзимами происходит в нашем кишечнике. Образующиеся при расщеплении молекулы могут затем проникнуть в клетки кишечника и использоваться для извлечения из них энергии. Главным и наиболее предпочтительным для клеток источником энергии являются углеводы. Когда клетки расщепляют углеводы на воду и двуокись углерода, высвобождающаяся при этом энергия накапливается в молекулах АТФ. На каждую расщепляемую молекулу глюкозы приходятся две молекулы вновь образованной АТФ.

Большинство вырабатываемых в нашем организме молекул АТФ — результат деятельности митохондрий. Впоследствии мы установим, что митохондрии — это не что иное, как бактерии, видоизмененные в процессе эволюции для того, чтобы обеспечивать энергией клетки нашего тела. Процесс производства митохондриями АТФ происходит на протяжении уже миллиардов лет. Его механизм достаточно сложен, он основан на прохождении через оболочки митохондрий электронов. Митохондрии имеют двойную оболочку — внешнюю и внутреннюю. При этом внешняя оболочка митохондрий обладает большой степенью проницаемости, в то время как внутренняя проницаема гораздо в меньшей степени.

Попадая в пространство между внешней и внутренней оболочками митохондрий, электроны заставляют двигаться протоны — ионы водорода. Протоны устремляются вдоль оболочки и проходят через специальный белковый механизм, который производит АТФ путем добавления одной фосфатной группы к АДФ. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется примерно тридцать молекул АТФ.

Открытие этого удивительного механизма произошло совершенно неожиданно. Вплоть до 1960 года исследователи полагали, что митохондрии вырабатывают энергию на основе того принципа, по которому расщепление молекул сахаров приводит к образованию АТФ. И только в 1961 году Питер Митчелл выдвинул идею о том, что этот механизм в действительности функционирует на основе движения протонов и возникновения электрохимического градиента. Неудивительно, что такая революционная идея была поначалу встречена с большой долей скепсиса.

Третьим основным признаком жизни является ее способность к эволюции. Именно эволюция обусловила появление живых существ — от бактерий и растений до человека. Краеугольным камнем удивительного открытия Дарвина стало представление о том, что характерные особенности живых организмов могут по наследству передаваться из поколения в поколение, видоизменяясь при этом под воздействием окружающей среды и внешних условий жизни. Если подобные изменения приведут к появлению более конкурентоспособных особей, то их количество неизбежно вырастет по сравнению с теми особями, которые не приобрели подобных преимуществ. Наследование характерных признаков живых существ осуществляется исключительно благодаря наличию в организме генов. Гены — единственная часть клетки, которая реплицируется и позволяет передавать наследственную информацию из поколения в поколение.

Характер эволюции живых существ зависит от изменений в генах и контрольных механизмах, регулирующих структуру генов, поскольку именно от генов зависит, какие именно белки будут вырабатываться в организме. Для того чтобы изменились наследственные характеристики живых организмов, необходимо, чтобы произошли изменения в генах, содержащихся в мужских и женских половых клетках, из которых в результате оплодотворения может развиться новый организм. В нашем случае речь идет о сперматозоидах и яйцеклетках.

Изменения в коде ДНК выражаются в том, что клетка начинает синтезировать другие белки, и в том, что она начинает синтезировать белки в иное время и в иных условиях. Если подобные измененные признаки помогут организму выжить, то они сохранятся и в будущих поколениях. Если же они, наоборот, осложнят существование организма, то организм с подобными мутациями вскоре погибнет. Сама мутация может выражаться в изменении всего лишь одного нуклеотида в составе гена, но это в конечном счете влияет на всю белковую структуру.

Наконец, важным отличительным признаком жизни является… смерть. Это может прозвучать странно, но для того, чтобы умереть, надо жить. Смерть клетки наступает тогда, когда прекращают функционировать ее основные органы и структуры. Ключевыми факторами смерти клетки являются непоправимые повреждения оболочки клетки и митохондрий, в результате чего перестает вырабатываться энергия, необходимая для жизнедеятельности. И, как и все, что связано с клетками, механизм их смерти способен удивить.

Точно так же, как в процессе эволюции развились сложные системы, отвечающие за рост и размножение клеток и позволяющие корректировать различные сбои в их работе, развились и механизмы, обеспечивающие самоубийство клеток. В нас ежедневно умирают миллиарды клеток костного мозга и пищеварительного тракта. Смерть клеток в результате самоубийства кардинальным образом отличается от их гибели, вызванной различными травматическими воздействиями, ибо во втором случае содержимое клетки выплескивается наружу и может вызвать воспалительные процессы.

Самоубийство клеток называется апоптозом. На него в соответствующих обстоятельствах запрограммированы все клетки, за исключением кровяных, которые не имеют ядра. Когда программа апоптоза начинает осуществляться, клетка уменьшается в размерах, и все, что находится внутри ее, расщепляется и погибает в результате воздействия особых энзимов. Особые белые кровяные тельца, отвечающие за очистку тканей нашего организма, получают в случае апоптоза сигнал и устремляются к умершим клеткам, чтобы поглотить их содержимое — дабы оно не выплеснулось наружу и не навредило окружающим клеткам.

Страшно даже представить себе, что может произойти, если у всех клеток разом запустятся механизмы самоуничтожения. К счастью, подобные механизмы обычно включаются только тогда, когда организм больше не нуждается в той или иной клетке либо они представляют для него угрозу — например, являются раковыми. Клетки также совершают самоубийство, если обнаруживается, что отсутствуют факторы, которые будут способствовать их дальнейшей жизни и развитию. Это особенно характерно для эмбрионов. Очень многие нервные клетки, как мы еще убедимся, погибают, если в процессе своего развития им не удается установить необходимые связи с другими клетками. Классическим примером запрограммированной гибели клеток является гибель клеток в пространстве между формирующимися пальцами в процессе развития человеческого эмбриона, дабы у людей не формировались перепонки, как у уток.

Далее мы подробно исследуем то, как функционируют клетки, и особенно внимательно рассмотрим роль белков, которые во многом определяют действие разнообразных клеточных механизмов.

3. Как мы функционируем

Как белки определяют работу клеток

Подобно заводам, оснащенным многими сборочными линиями, клетки исполняют множество функций: растут и делятся, двигаются и поддерживают свою структуру. Клеточная деятельность — это и мускульные сокращения, и передача нервных импульсов. Все это делается при помощи белков.

Многие наши клетки организованы в ткани — такие, как ткани кожи, легких и кишечника, — и выполняют различные функции в соответствии со своим предназначением. Возьмите, например, кожу, которая защищает нас от укусов насекомых и проникновения грязи, не позволяет жидкостям проникать в организм и выходить из него наружу. Внешний слой нашего кожного покрова представляет собой мертвые клетки, которые все время отшелушиваются и отпадают. В основном они состоят из белка кератина, который предопределяет их прочность. Этот же белок отвечает за то, чтобы связь клеток друг с другом была эластичной и одновременно прочной.

Потеря клеток кожи, которые располагаются на самой поверхности, восполняется за счет образования новых, которые образуются из стволовых клеток, находящихся в подкожном слое. Другой тип клеток образует нашу разветвленную кровеносную систему, в которую входят кровеносные сосуды, артерии, вены и капилляры общей протяженностью почти в сто тысяч километров. Одних капилляров — мельчайших сосудов, соединяющих артерии и вены, — в нашем организме 40 миллиардов.

Клеточные оболочки позволяют клеткам обмениваться газами, питательными веществами и выводить продукты распада. Каждая клетка находится на расстоянии не более чем в несколько клеток от обслуживающего ее капилляра.

При этом все наши клетки состоят из одних и тех же молекул и используют одни и те же механизмы для производства белков. Их химический состав также одинаков — все они примерно на 70 процентов состоят из воды. 95 процентов клеточной массы образовано всего лишь четырьмя видами атомов — углерода, водорода, азота и кислорода, которые соединяются друг с другом в самых различных комбинациях для того, чтобы создать множество видов молекул, содержащихся в клетках. Сложная структура клетки как раз и обусловлена тем, что все эти простейшие атомы соединяются друг с другом в разнообразнейших комбинациях, образуя белки и аминокислоты. Представляется, что главным качеством клеток является их способность генерировать великое множество различных химических соединений на основе одних и тех же базовых элементов — и эта способность зависит от белков.

Внутри каждой клетки имеется набор молекул, которые выполняют эти функции. Основная роль здесь у наиболее сложных белковых молекул. В нашем теле содержится до 200 различных разновидностей клеток — кожи, печени, жировых, нервных клеток и так далее, и функции всех их устанавливаются определенными белками. Различия в назначении клеток предопределяются различиями в составе белков.

Число аминокислот в белковой молекуле обычно варьируется от 50 до 2000. При этом существуют белки, состоящие всего из 30 аминокислот, и белки, состоящие из 10 000 аминокислот. Последовательность и состав аминокислот в каждом белке уникальна, и именно это определяет особенности поведения данного белка. Функционирование белков во многом зависит от их взаимодействия с другими белками или молекулами, причем это взаимодействие характеризуется весьма высокой степенью избирательности: определенный белок может связываться лишь с одной из тысяч разных молекул, находящихся в клетке. Эта особенность связана с характерным трехмерным строением каждого белка, соответствующим лишь определенному типу молекул. Благодаря такому строению, например, на поверхности белка может появляться полость, куда и проникает молекула, с которой он должен взаимодействовать.

Белки определяют структуру клетки — и в то же время представляют собой строительный материал, из которого образуется клетка. Белки являются основным компонентом клеточной оболочки, благодаря им клетки обладают способностью к перемещению. Белки также могут проникать сквозь клеточную оболочку и таким образом переносить молекулы из клетки и внутрь нее, они передают информацию, которой обмениваются клетки, действуют в качестве рецепторов и осуществляют контроль за работой генов. Белки могут объединять свои усилия, они соединяются вместе, образуя волокна, микротрубочки, кольца, слои ткани и т. д.

Основная функция некоторых белков — выступать в роли энзимов. Энзимы — это белки, которые связываются с молекулами и изменяют их структуру, расщепляя одни молекулы на более мелкие, а другие, наоборот, объединяя. Таким образом, они играют определяющую роль в формировании новых молекул и в расщеплении пищи на более мелкие молекулярные единицы; через это они влияют на поведение клеток. Практически все происходящие в клетке процессы контролируются и осуществляются различными типами белков.

Молекулярная цепочка аминокислоты чрезвычайно гибка, она обладает способностью свертываться и складываться любым образом. Глядя на нее, любой акробат может лишь позавидовать. Трехмерная структура, которую она образует, предопределяет функцию белка. То, какую форму принимает в конечном счете белок, зависит от последовательности входящих в него аминокислот. Представьте себе веревку, которая на всем своем протяжении завязана в узлы и петли и унизана крючками. Если складывать такую веревку хаотичным образом, то некоторые крючки зацепятся за петли и форма веревки изменится. То же самое происходит и с белками. Весьма часто белковые цепи соединяются неправильно, и тогда клетка уничтожает их. Правда, на это расходуются значительные запасы клеточной энергии. Для того же, чтобы белковые цепи связывались воедино правильно, в клетке существуют особые белки-поводыри.

Если меняется всего лишь одна аминокислота в длинной белковой цепочке, то меняется и вся структура белка. А это может вызвать серьезные изменения в его деятельности и привести к ненормальному функционированию всей клетки. Именно это обстоятельство лежит в основе многих заболеваний. Ярким примером является серповидная анемия, при которой меняется всего лишь одна аминокислота в белке гемоглобина. Эта мутация приводит к нарушению структуры белка, из-за чего меняется форма кровяной клетки — она приобретает серповидные очертания, что, в свою очередь, мешает нормальному прохождению кровяных клеток через кровеносные капилляры.

Каким же образом определяется порядковое место той или иной аминокислоты в белковой цепи? Фреду Сангеру, биохимику из Кембриджа, была присуждена Нобелевская премия за то, что он определил последовательность аминокислот в белке инсулина. Сангер разработал метод отделения от белковой цепи аминокислоты, находящейся на самом ее конце. Благодаря этому методу он получил возможность отделить одну за другой все аминокислоты, входящие в белок инсулина, и определил точную последовательность их расположения в белковой цепочке.

Однако даже точное знание расположения аминокислот не всегда помогает понять пространственную структуру белка. Самым удобным методом для выяснения этого является превращение белка в кристалл, который затем просвечивается рентгеновскими лучами. Изучение углов отражения лучей и позволяет распознать пространственную структуру белка. На практике же наиболее быстрым методом для определения пространственной структуры белка является его сравнение с другим белком, пространственная структура которого уже известна. Поэтому чем больше белков изучено, тем проще становится процедура выяснения пространственной структуры новых белков.

Некоторые белки необходимо точно доставить в определенные области клетки. Столь же важно не пускать кое-какие белки в места, где их присутствие нежелательно. Но каким же образом белки направляются на путь, по которому им следует устремиться для выполнения своих специфических функций? Ведь в большинстве наших клеток имеются миллионы белковых молекул, представляющие несколько тысяч разных видов белков. Как устанавливается порядок в этом хаосе? Но все, оказывается, просто: выбор места, в котором белки должны находиться, закодирован в самой их структуре. Свободно плавающие внутри клетки белки каждую секунду встречаются с тысячами других молекул, в том числе и белковых. В результате такого взаимодействия они получают нужную информацию и попадают туда, где и должны находиться.

Ключевую роль в определении местоположения отдельных белков играют клеточные оболочки, поскольку белки не могут проникать сквозь эти оболочки, не обладая специальными средствами транспортировки. Основной же структурой клетки, помогающей белкам оказаться в нужном месте внутри клетки, является эндоплазматический ретикулум. Именно туда устремляются сначала все белки, и именно оттуда они перенаправляются в нужные места. Это происходит за счет видоизменения структур белков, например за счет добавления их к молекулам сахаров, благодаря чему меняется характер их дальнейшего присоединения к другим белкам.

К числу наиболее поразительных по своим функциям белков относятся энзимы. Они могут преобразовывать молекулы одного типа в молекулы другого типа, могут расщеплять молекулы на исходные компоненты, могут соединять воедино две разные молекулы, и таким образом благодаря им становится возможным синтез множества молекул. Энзимы являются катализаторами, способными в миллион раз ускорить химическую реакцию, причем в процессе этого сами они остаются неизменными. Они действуют поразительно быстро, успевая воздействовать на тысячи молекул в течение одной секунды. Поэтому скорость протекания химических реакций внутри клетки исключительно высока.

Все основные химические процессы, которые протекают внутри клетки, происходят с участием энзимов. Они расщепляют молекулы сахаров, которые обеспечивают нас энергией в форме АТФ. Образно энзим можно представить в виде замка, к которому должен подойти определенный ключ — та молекула, которую этот энзим должен изменить. Когда «замок»-энзим встречается с «ключом»-молекулой, он подгоняет этот ключ под себя — меняет его форму, либо отнимая у него некоторые молекулярные компоненты, либо, наоборот, добавляя их. Энзимы часто действуют по командному принципу: молекулы, обработанные одними энзимами, становятся объектами воздействия следующих групп энзимов. Это приводит к образованию сложных внутриклеточных механизмов производства энергии или синтеза новых молекул.

Энзимы, находящиеся в нашем кишечнике, играют ведущую роль в переваривании пищи, которую мы потребляем, — иными словами, в расщеплении ее на мелкие компоненты, которые проникают в систему кровообращения и разносятся кровью по организму, предоставляя питание содержащимся в нем клеткам. Другим ярким примером того, как действуют энзимы, является функционирование содержащегося в нашей слюне и слезах лизоцима, который предотвращает распространение в организме бактериальной инфекции. Этот энзим способен разрывать молекулярные цепочки сахаров, находящиеся во внешней оболочке бактериальных клеток, что ведет к ее разрушению и гибели бактерий.

Действие лизоцима основано на том, что он добавляет к белковой цепи микроба молекулу воды, вставляя ее между двух групп молекул сахаров и заставляя тем самым белковую цепь рваться. Молекулы воды бомбардируют цепочки сахаров все время, однако существующий энергетический барьер не позволяет им разорвать цепь. Энзим же видоизменяет цепочку сахаров так, что устойчивость ее понижается и молекула воды проникает в нее.

При этом энзимы не действуют автономно, сами по себе — их деятельность контролируется другими молекулами клетки и в случае необходимости регулируется. Подавление их активности осуществляется по методу обратной связи. Так, если энзим вырабатывает некое вещество «X», то оно, в свою очередь, вырабатывает некое вещество «Y», которое вступает во взаимодействие с энзимом для того, чтобы приглушить его активность.

Форма клетки и ее передвижения определяются внутренним каркасом, состоящим из белковых нитей и трубочек, которые, вместе с различными клеточными оболочками, являются своего рода костями и мускулами клетки. Находящиеся в сложном и непрерывном взаимодействии друг с другом белковые нити и трубочки поддерживают форму клетки, заставляют эту форму видоизменяться, а также обеспечивают передвижения клетки. Нити играют роль скреп, которые оберегают клетку от воздействия сил, стремящихся деформировать ее. Из них образуются подобия белковых веревок, благодаря которым форма остается неизменной. В некоторых клеточных тканях, таких, как, например, кожа, белковые нити скрепляют клетки в местах их соединений, чтобы придать тем самым ткани дополнительную прочность. Это пример весьма умной инженерии. Нити также помогают удерживать оболочку ядра, которое формируется из небольших белковых образований, и создают своего рода дорожки, по которым внутри клетки двигаются различные мелкие частицы.

Микротрубочки представляют собой достаточно прочные полые трубки, обладающие способностью быстро возникать и затем исчезать в различных частях клетки в зависимости от посылаемых оттуда сигналов. Их относительная нестабильность наделяет их способностью быстро перестраиваться и перегруппировываться. Мы уже наблюдали это, когда рассматривали процесс деления клеток, во время которого микротрубочки участвуют в процессе разделения хромосом.

Подобно нам самим, клетки обладают развитым внутренним скелетом и высокой мобильностью. Внутренний скелет клетки строится из белков. Они же определяют движение клетки. Примером этого являются мускульные сокращения — фундаментальное свойство наших клеток. Когда наши мускулы сокращаются, они становятся короче. Можно было бы подумать, что сокращаются мускулы благодаря укорачиванию некоторых молекул, однако это не так. Клетки применяют для этого более хитроумный способ.

Особенно ясно это видно на примере скелетных мускулов — мышц, которые прикрепляются к костям скелета и состоят из выстроившихся в цепочку небольших мускульных образований, способных к сокращению. Каждое длинное волокно скелетных мышц представляет собой одну огромную клетку, которая в процессе эволюции сформировалась из нескольких малых клеток. Мышечное волокно содержит в себе специфические элементы, связанные с механизмом сокращения, — миофибриллы. Каждая миофибрилла состоит из саркомеров, следующих друг за другом. Саркомер — это функциональная единица мышцы, именно сокращение саркомеров и вызывает сокращение всей мышечной группы. В состав саркомера входят сократительные белки — актин и миозин.

Миозиновые и актиновые нити собраны в мышечные пучки, устроенные таким образом, что актиновые нити находятся между миозиновых. Сокращение мышцы происходит в результате скольжения миозиновых и актиновых нитей относительно друг друга, в результате чего вся миофибрилла становится короче. Это похоже на то, как если бы пальцы одной руки скользили между пальцами другой. Особые области миозиновых нитей воздействуют на актиновые нити, заставляя их двигаться относительно себя, и для этого требуется АТФ. Из-за этой способности к совершению мускульных движений миозин называют белком — мотором мышц.

Актин — это многоликий белок, способный легко вытягиваться в нити и затем распадаться опять на элементарные составляющие. Он может образовывать и жесткие ткани, и — вместе с миозином — сократительные волокна, которые во время деления клетки создают сократительное кольцо, приводящее к образованию двух клеток из одной делящейся. Актин обеспечивает способность клетки к движению. Особенно наглядно это проявляется при движении белых кровяных телец через ткани, когда они внедряются туда для уничтожения вторгнувшихся в организм вредоносных бактерий.

В передней части двигающейся клетки имеется густой пучок актиновых нитей. Разрастаясь, они начинают давить на клеточную оболочку, заставляя ее выпячиваться вперед. Затем эти актиновые нити сокращаются, за счет чего вся клетка подтягивается вперед. Этот процесс повторяется вновь и вновь. Все это похоже на то, как если бы кто-то карабкался вверх по лестнице, помогая себе лишь одной рукой. Однако и в задней части двигающейся клетки также происходят сокращения, которые вызываются уже миозиновыми нитями.

Непрерывное движение внутри клетки в основном вызвано движением митохондрий и небольших пузырьков, окруженных оболочкой, которые перемещаются скачкообразными движениями. В основе этих движений лежит тот же принцип, что и в основе мускульных сокращений. Находящиеся в клетке белковые нити и микротрубочки являются теми «рельсами», вдоль которых совершаются все эти движения. Осуществляется же движение благодаря двигательным белкам, которые связываются одним концом с оболочкой пузырька или митохондрии и затем путешествуют вместе с ними вдоль белковой нити или микротрубочки. Продвижение пузырька или митохондрии происходит за счет того, что с ними поочередно связываются последовательно расположенные двигательные белки, «вытягивающие» их таким образом вперед. Все это напоминает то, как тянутся относительно друг друга во время мускульных сокращений актиновые и миозиновые нити.

Двигательные белки отвечают также за движения ресничек. Многие наши клетки имеют так называемые реснички — что-то вроде одиночного волоска, находящегося на внешней оболочке. Эта ресничка изгибается и выпрямляется, заставляя окружающую жидкость обтекать клетку. Подобные реснички очищают, например, наши легкие: миллиарды ресничек в легких все время находятся в непрерывном движении, освобождая их от пыли и выводя ее наружу через рот. Сперматозоид, который после эякуляции устремляется навстречу яйцеклетке, также движется за счет похожего на ресничку отростка, но только значительно большего по своим размерам. Этот отросток изгибается и заставляет сперматозоид продвигаться вперед с завидной скоростью, превращая его в подобие оснащенного мощными ластами пловца.

Основным механизмом, приводящим в движение реснички, являются девять пар микротрубочек, собранных в кольцеобразную структуру, которая может изгибаться за счет скольжения микротрубочек относительно друг друга. Это скольжение осуществляется благодаря особым двигательным белкам. Недавно было признано, что гораздо больше клеток, нежели считалось ранее, имеют реснички и что при помощи этих ресничек клетки могут подавать друг другу различные сигналы.

Белки, расположенные на внешней оболочке клетки, также исполняют важнейшие функции. К внешней оболочке привязываются молекулы сахаров, создавая нечто вроде дополнительного защитного чехла, предохраняющего клетку от механических повреждений и неблагоприятного химического воздействия. На внешней поверхности клеточной оболочки имеются также белки, которые связываются с белками, расположенными на поверхностях других клеток, соединяя тем самым клетки воедино и позволяя им образовать клеточную ткань.

На внешней поверхности клеточных оболочек размещаются также белковые рецепторы, которые позволяют улавливать и передавать внутрь клетки сигналы, поступающие от других клеток. Поступающая таким образом информация передается прежде всего генам, находящимся в клеточном ядре, и оповещает их о том, что происходит в других клетках. Передача подобных сигналов протекает в виде сложных реакций и взаимодействия различных клеточных белков.

Клетки должны иметь возможность воспринимать сигналы соседних клеток, а также сигналы, которые поступают им издалека в виде гормонов. Например, гормон инсулин сигнализирует клеткам о том, что они должны позволить молекулам сахаров проникать в себя. В силу того, что белки внешней оболочки клетки играют определяющую роль в связях клетки с окружающим ее миром, число разновидностей таких белков достигает десяти тысяч, и они представляют собой значительную составляющую часть общей армии белков.

Основу клеточной оболочки составляют молекулы жиров, или липиды, и молекулы белков. Ключевая роль молекул жиров в строительстве клеточной оболочки основана на том, что они по природе своей отталкивают воду. Молекулы жиров не смешиваются с водой, а также держатся отдельно друг от друга. Они покрывают оболочку клетки тончайшим двойным слоем, благодаря чему она становится гибкой и подвижной и одновременно практически непроницаемой для молекул, растворимых в воде, — таких, как молекулы глюкозы. Размещенные в клеточной оболочке жировые молекулы похожи на крошечных животных, которые не выносят воду: головная часть этих молекул делает все, чтобы убраться из области, где есть вода, а хвостовая часть способна вынести лишь незначительный контакт с водой.

В образующем клеточную оболочку жировом слое размещены и молекулы белков, составляющие примерно половину всех молекул клеточной оболочки; они способны контролировать перенос и перемещение молекул сквозь клеточную оболочку. Благодаря этому клеточная оболочка обладает высокой степенью подвижности и гибкости, что позволяет ей принимать любую форму при изменении формы самой клетки, и не разрываться даже тогда, когда что-то протыкает ее извне. Новая клеточная оболочка формируется клеточным пузырьками — мельчайшими образованиями, которые, в свою очередь, также имеют оболочку. Легкость, с которой жировые молекулы образуют двойной защитный слой, сыграла важную роль в эволюции клеточной оболочки и самой клетки в целом.

Несмотря на то что жировые молекулы не терпят воды, вода все же способна проникать сквозь клеточную оболочку внутрь клетки, а также выводиться из нее. Но жировая оболочка пропускает внутрь в основном молекулы воды, не имеющие электрического заряда. Те же молекулы, что содержат электрический заряд — например, натрий и ионы калия, — проникают сквозь оболочку с большим трудом.

Ион — это атом или молекула, которая либо потеряла, либо приобрела один или два электрона, в результате чего получила отрицательный или положительный электрический заряд. Клеточную оболочку ионы преодолевают при помощи специального механизма транспортировки, состоящего из белков. Размещенные в клеточной оболочке белки также обеспечивают проникновение в клетку и вывод из нее крупных молекул. Клеточная оболочка содержит в себе две белковые системы по транспортировке молекул: одни белки обеспечивают чужим молекулам каналы проникновения сквозь оболочку, а другие выступают в роли их непосредственных переносчиков.

Концентрация ионов натрия вне клеток примерно в 20 раз выше их концентрации внутри клеток. Концентрация ионов калия вне клеток, наоборот, примерно в 20 раз ниже их концентрации внутри клеток. Подобная разница достигается за счет работы белкового «натриевого насоса» — белка, который выносит из клетки молекулы натрия и закачивает молекулы калия. Работа этого «насоса» чрезвычайно важна для того, чтобы не допустить разрыв клеточной оболочки под напором нагнетаемой в клетку воды. Если работа белкового «насоса» остановится, то давление разорвет оболочку клетки и клетка погибнет. Около одной трети всей энергии клетки — то есть около одной трети вашей энергии — уходит на обеспечение работы этого насоса.

Для того чтобы в клетку могла проникнуть глюкоза, являющаяся необходимым компонентом для обеспечения ее энергией, требуется особый белковый механизм; его роль осуществляет белок инсулин. В присутствии инсулина глюкоза переносится сквозь клеточную оболочку при помощи особых групп молекул, которые называются «транспортировщиками глюкозы». Они размещаются в мельчайших пузырьках внутри клетки. Когда инсулин связывается с оболочкой клетки, пузырьки перемещаются по системе микротрубочек, пока также не достигают оболочки и не связываются с ней. После этого транспортировщики глюкозы проникают в оболочку клетки и переносят сквозь нее молекулы глюкозы. Отказы в работе этого механизма приводят к развитию диабета.

В отсутствие инсулина глюкоза не способна преодолеть клеточную оболочку и проникнуть внутрь клетки. Инсулин вырабатывается бета-клетками поджелудочной железы, и, если эти клетки перестают вырабатывать инсулин, развивается диабет первого типа. Диабет первого типа является болезнью аутоиммунного происхождения, в ходе которой иммунная система ошибочно атакует и уничтожает бета-клетки. Проявляется диабет первого типа уже в раннем возрасте. Диабет второго типа, наоборот, поражает человека в возрасте более зрелом; причина его в том тем, что рецепторы клеточной оболочки перестают реагировать на инсулин и он не может ее преодолеть. Основным фактором риска при возникновении диабета второго типа является ожирение, поскольку увеличившиеся жировые клетки вырабатывают большее количество веществ, в том числе жирные молекулы особого вида, которые провоцируют устойчивость к инсулину. Напротив, «исхудавшие» жировые клетки вырабатывают вещества, способствующие поглощению инсулина. При диабетах обоих типов потребление глюкозы клетками значительно уменьшается, что, в свою очередь, уменьшает их способность вырабатывать энергию и ведет к сердечно-сосудистым заболеваниям, отказу почек, слепоте, нервным расстройствам, плохому заживлению ран и т. д. Плохое же заживление ран, особенно на ногах, грозит гангреной и ампутацией.

4. Как работают гены

Как ДНК кодируют структуру белков

Каждая наша клетка содержит около 30 тысяч различных генов, в то время как некоторым бактериям достаточно всего 500 генов. В генах содержатся коды, согласно которым синтезируются белки и определяется порядок расположения в них аминокислот. В каком бы месте человеческого тела ни находились клетки, они всегда содержат один и тот же набор генов. Однако в зависимости от типа клеток — клеток кожи, нервных или мышечных — в них для синтеза новых белков задействуются различные гены.

Длинные цепочки ДНК в хромосомах клетки плотно сжаты. Компактное расположение ДНК в хромосомах осуществляется за счет особых белков, вокруг которых наматываются нити ДНК. Но в клетке присутствуют белки, которые, чтобы облегчить синтез новых белков согласно содержащемуся в ДНК коду, при необходимости переводят ДНК из компактной формы в развернутую. Под воздействием этих белков готовящиеся к делению клетки хромосомы развертываются и с этого момента занимают в 10 тысяч раз больше места.

Нуклеотиды типа «А», «Т», «С» и «G», входящие в состав длинных молекул ДНК, располагаются в определенном порядке, чтобы обеспечивать кодирование белков при их синтезе, который происходит из 20 различных видов аминокислот. ДНК при этом выполняют роль матрицы — каждому белку соответствует свой ген, по образцу которого осуществляется синтез аминокислот, образующих нужный белок. Таким образом генетический код воплощается в белках, и последовательность нуклеотидов в гене определяет последовательность аминокислот в белке. Это очень похоже на азбуку Морзе, где точки, тире и их совокупность соответствуют определенным буквами алфавита. Последовательность нуклеотидов, которые считываются по три за один раз, соответствует последовательности аминокислот в белке. При этом набор из трех нуклеотидов, которые считываются за один раз, кодирует одну аминокислоту. Так, например, набор нуклеотидов AUG кодирует аминокислоту ацидометионин.

Существуют 64 комбинации нуклеотидов, однако синтезируются всего 20 различных видов аминокислот. Это означает, что некоторые троичные последовательности нуклеотидов используются не для синтеза аминокислот, а для обозначения прерывания процедуры синтеза. Совершенно бессмысленных наборов троичных нуклеотидов не бывает — каждый из них выполняет какую-то определенную функцию. Существует и несколько наборов нуклеотидов, которые кодируют одни и те же аминокислоты. Самый крупный ген состоит из двух миллионов нуклеотидов, размещенных на каждой из его нитей, а самый маленький — из одной тысячи.

Наши ДНК — это помещенные внутри клеточного ядра кладези ценнейшей информации. Однако синтез белков происходит не в ядре, а в окружающей его цитоплазме клетки. Как же это происходит? Сначала содержащийся в ДНК белковый код передается другой аминокислоте — РНК, которая, подобно ДНК, представляет собой цепь из четырех нуклеотидов. Однако, в отличие от ДНК, представляющей собой двойную цепочку, свернутую в спираль, РНК состоит из одной цепочки нуклеотидов. Другое отличие РНК от ДНК заключается в том, что вместо нуклеотида «Т», в цепочке РНК помещен нуклеотид урацил, который легко связывается с нуклеотидом «А». Это означает, что цепочка РНК может присоединяться к цепочке ДНК и дополнять ее.

Открытие РНК последовало после того, как ученые пришли к выводу о том, что должен существовать какой-то механизм передачи генетической информации от ДНК, находящейся внутри клеточного ядра, в цитоплазму. Эта мысль посетила Сиднея Бреннера, ученого из Южной Африки, который является моим кумиром, и Фрэнсиса Крика во время научной конференции, которая состоялась в 1960 году в Кембридже. После этого Бреннер и Крик отправились в США, чтобы провести серию экспериментов, и в ходе их открыли РНК.

Ген включается в активную работу по синтезу новых белков тогда, когда он передает свой код РНК при помощи специального белкового механизма, который копирует генетический код ДНК, представляющий собой последовательность нуклеотидов.

Процесс считывания генетической информации, который называется «транскрипция», начинается с открытия и развертывания небольшой части двойной спирали ДНК в конце хромосомы. Генетические коды этого участка хромосомы копируются затем на растущую по мере продвижения процесса копирования молекулу РНК; при этом белковый копирующий механизм продвигается вдоль нити ДНК. Процесс переноса генетического кода заканчивается, когда на конце РНК синтезируется так называемая терминальная группа аминокислот — ее присутствие сигнализирует об окончании белковой цепочки данного кода. Многие могут подумать, что после этого РНК готова к тому, чтобы на основе ее матрицы начался синтез нужного белка. Однако, как и все остальное клетках, все не так просто.

Большинство генов, которые находятся в наших клетках, содержат в своем составе намного больше нуклеотидов, чем реально требуется для синтеза белков. Те нуклеотиды, которые не нужны для синтеза, называются нитронами. Они копируются на РНК, но перед тем, как она может начать синтез новых белков, удаляются.

Те области РНК, которые непосредственно кодируют последовательность аминокислот в белках, называются аксонами. Они вступают в дело лишь после того, как интроны ретируются при помощи хитроумного механизма, который называется «сращиватель РНК». Удаляя интроны, он одновременно проверяет состояние эксонов и гарантирует то, что они четко связаны воедино. После этого РНК разрешается покинуть клеточное ядро и перейти в область цитоплазмы.

При этом существует еще одно затруднение. Когда РНК разрезается ради извлечения из нее интронов, а затем сращивается опять, то часто эксоны соединяются в неверном порядке. Это приводит к тому, что они начинают синтезировать совсем не те белки, которые нужны. Поэтому специальные механизмы клетки тщательно следят за сращиванием эксонов, чтобы в конечном счете синтезировались именно те белки, которые действительно необходимы, и именно в тех местах клетки, где их ждут.

Активация гена и последующее копирование на РНК содержащейся в нем наследственной информации зависят от воздействия особых белков — так называемых транскрипционных факторов, — которые привязываются к специальным контрольным зонам ДНК. Эти контрольные зоны сами не осуществляют кодирование новых белков — они лишь опознают транскрипционные факторы и используются особым белковым механизмом, который передает генетические коды РНК для дальнейшего синтеза белков. Транскрипция начинается в промоторной области, которая располагается непосредственно перед кодировочной областью. Процесс транскрипции гена начинается только в том случае, если надлежащий транскрипционный фактор достигает соответствующей контрольной зоны. Мы говорим о том, что ген активирован, если осуществляется его транскрипция в РНК; если же транскрипция не осуществляется, то такой ген считается неактивированным.

Для работы с отдельным геном может быть задействована не одна, а сразу несколько контрольных зон, ибо активация гена может потребоваться в самых различных ситуациях и обстоятельствах. Невозможно переоценить важность контрольных зон. Мы вновь вернемся к ним, когда станем рассматривать вопросы развития эмбриона.

Белок, синтезированный одним геном, может активировать несколько других генов или равным образом деактивировать их. Таким образом, в клетке существует система взаимодействия различных генов, определяющая поведение клетки и ее изменение со временем.

Срощенная РНК покидает клеточное ядро, проникает в цитоплазму и направляется к рибосомам — местам сборки белков. Рибосомы — это небольшие округлые белковые образования, в которые попадают РНК и в которых в точном соответствии с последовательностью нуклеотидов РНК происходит синтез новых белков — так, что расположение аминокислот синтезируемых белков точно соответствует последовательности нуклеотидов матричной РНК.

Само превращение последовательности нуклеотидов РНК в последовательность аминокислот вновь синтезируемого белка в рибосомах происходит при помощи небольших молекул РНК, известных как «передаточные РНК». Эти молекулы способны распознавать набор из трех нуклеотидов, которые считываются за один раз, и прикрепляться к той аминокислоте, которая соответствует этому троичному набору. Например, аминокислота лизин кодируется последовательностью нуклеотидов «ААА» или «AAG», а аминокислота тирозин — последовательностью нуклеотидов «UAC» либо «UAU». Передаточная РНК распознает эти последовательности нуклеотидов. Затем вступает в действие рибосома — своеобразная клеточная «фабрика» по производству новых белков.

Рибосомы являются одними из наиболее сложных образований клетки. В их состав входят белки и РНК. Рибосома движется вдоль молекулы РНК и соединяет воедино аминокислоты при помощи передаточных РНК. Рибосомы работают весьма быстро — как и все остальные части клетки — и за одну секунду способны соединить две аминокислоты. В результате белки синтезируются в период времени от 20 секунд до нескольких минут.

В настоящее время мы способны понять природу мутаций и то, как они могут влиять на поведение клетки. Мутация ДНК может поменять последовательность нуклеотидов в генах и тем самым привести к изменению последовательности расположения аминокислот во вновь синтезируемых белках. Это способно изменить пространственную структуру белка и его функции, привести к образованию белка-мутанта, что может иметь как негативные, так и позитивные последствия. Все это мы рассмотрим в последующих главах. Мутации, меняющие функции белков в яйцеклетках или сперматозоидах, являются основными факторами эволюции, поскольку они будут унаследованы следующими поколениями. Изменения в ДНК, расположенных в контрольных зонах, также влияют на поведение клеток, поскольку они определяют, когда и в какой клетке происходит активация наследственного гена.

ДНК человека содержат 3 миллиарда основных пар нуклеотидов. В среднем человеческий ген содержит 27 тысяч основных пар нуклеотидов, однако при этом лишь 1300 пар нуклеотидов в составе такого гена используются для кодирования последовательности аминокислот во вновь синтезируемом белке, определяя тип и последовательность примерно 430 его аминокислот. Люди, не являющиеся родственниками, отличаются друг от друга в среднем всего на 1 процент, однако подобное различие включает в себя и различия в трех миллионах их нуклеотидов.

Трудно представить себе, как такой гигантский объем информации может содержаться в наших клетках. Меня поразила выставка, где вся последовательность наследственной информации человека была для наглядности представлена в виде книг, заполнявших собой огромный шкаф. Достаточно открыть любую из этих книг на какой угодно странице и увидеть, что каждый из этих томов заполняет описание последовательности нуклеотидов, напечатанное мелким шрифтом: «ATGCTGACCGATTAGTCA» — и так далее, при этом в каждом таком томе не меньше пятисот страниц. Достаточно просто взглянуть на это, чтобы испытать чувство неподдельного почтения к способности клеток хранить и использовать наследственную информацию. Если вытянуть содержащуюся в клетке цепочку генов в длину, то длина ее составит два метра. Каким же образом клетка находит нужный ей ген? И откуда клетка знает, в какой из этих книг и на какой именно странице находится нужный ей ген? Что определяет переход гена в активированное состояние и создание РНК, содержащей информацию, необходимую для синтеза какого-то конкретного белка?

Ответ на этот вопрос раскрывает фундаментальные особенности механизма контроля за поведением клетки, ибо именно это определяет, какие белки содержатся в клетке, что, в свою очередь, непосредственно определяет и само поведение клетки.

Теперь мы видим, что делают гены — или, вернее, чего они не делают, ибо во время всего процесса синтеза новых белков они остаются пассивными. Они лишь задают код, по которому будут синтезированы белки, и образуют контрольные зоны, которые запускают процесс синтеза белков. Когда же приходит время продублировать сам ген, белки также выполняют эту работу.

Необходимо всегда помнить, что ДНК — это не чертеж, по которому строится весь организм. Это станет совершенно очевидно, когда мы будем рассматривать вопросы развития эмбриона. Тем не менее совершенно поразительным является то, что гены управляют огромным множеством процессов, проистекающих в клетке за счет того, что в данный момент времени задают синтез тех или иных белков. В наших клетках содержится около 30 тысяч различных генов, и если мы представим, что несколько сотен различных белков могут обусловить какое-то определенное состояние клетки, то получается, что если внутри клетки активированы различные комбинации генов, то мы имеем дело с миллиардами разных клеток, каждая из которых синтезирует свой уникальный набор белков.

Сейчас ученые признают, что структура генов и роль ДНК — гораздо более сложные, чем это считалось прежде. Лишь небольшая часть ДНК, содержащихся в наших хромосомах — менее 2 процентов, — непосредственно отвечает за синтез белков. В структуре хромосом существует множество повторяющихся участков, функция которых до конца не ясна. Некоторые исследователи вообще считают, что в структуре ДНК присутствует множество «лишних», не играющих никакой роли, и просто накопленных за многие годы эволюции звеньев.

Звенья, в которых содержатся повторяющиеся нуклеотиды, составляют не менее 10 процентов объема хромосом. При этом некоторые из них перемещаются из одного места в другое. Подобные переходы приводят к тому, что звено ДНК копируется и затем вставляется в какое-то другое место. Многие мутации, которые происходят в клетке, как раз и порождаются тем, что эти звенья переходят в кодировочные или контрольные зоны и тем самым меняют их характер.

ДНК и гены — гораздо более сложные образования, нежели было принято считать ранее. Появились данные, которые свидетельствуют о том, что области, отвечающие за кодирование белков некоторых генов, пересекаются со спиралями других генов, расположенных на большом расстоянии от них. Почему так происходит, не известно.

В течение долгого времени РНК считалась рядовым переносчиком генетической информации от генов к рибосомам, где происходит синтез белков. Однако совсем недавно стало ясно, что РНК выполняют и множество других функций. В ходе глобальных исследований, которые скоординированно проводились учеными многих стран, было выяснено, что существует множество РНК, являющихся копиями с отдельных участков ДНК, функции которых до конца не ясны. Ученые установили, что происходит значительное копирование генетической информации с ДНК на РНК, не связанное с целью последующего синтеза новых белков. Существует даже мнение, что количество подобных РНК превышает общее количество генов в клетках. Образующиеся в результате этого микро-РНК способны регулировать функции «основной» РНК и контролировать, будет ли синтезирован белок по ее матрице или нет. Некоторые микро-РНК контролируют группы белков, состоящих из сотен различных разновидностей.

Микро-РНК состоят всего из 20 нуклеотидов. Одна из их основных функций — связываться с РНК, содержащей информацию, необходимую для синтеза белка, и уничтожать ее, с тем чтобы данный белок не был синтезирован. Эти микро-РНК со всей очевидностью представляют собой еще один контрольный механизм клетки, регулирующий синтез отдельных видов белков.

Все белки синтезируются в рибосомах, содержащихся в цитоплазме клетки. Некоторые рибосомы прикреплены к таким внутренним структурам клетки, как оболочки эндоплазматического ретикулума. Белки, синтезируемые подобными рибосомами, поступают в эндоплазматический ретикулум и таким образом передаются в распоряжение своеобразной «почтовой службы» клетки, которая отправляет их в те места, где они нужны. Транспортировка белков происходит благодаря взаимодействию различных клеточных оболочек. Это — довольно сложная, но весьма эффективная «почтовая служба».

Существует и особая «пересыльная служба» для организации перемещений РНК, которые переносятся в те места, где необходимо появление новых белков, и только тогда, когда они туда попадают, синтез необходимых белков осуществляется.

Когда перемещается сама клетка, то ее передняя часть требует большого количества актина, из которого образуются волокна, позволяющие передней части клетки перемещаться вперед. В этом случае соответствующие РНК доставляются в переднюю часть клетки, и там синтезируется актин. Ученым еще предстоит выяснить, как РНК перемещаются в эту область клетки и каким образом синтез новых белков по их матрице задерживается, пока они там не окажутся.

При этом клетки «чувствуют» время. Функции тела в значительной степени зависят от суточного ритма, который нарушается, когда мы совершаем авиаперелеты в направлении на восток или запад. Этот ритм воздействует не только на цикл бодрствования и сна, но и на выделение гормонов и работу печени и почек. На формирование 24-часового цикла воздействует интенсивность дневного света: когда свет достигает сетчатки глаза, то соответствующие сигналы посылаются в особый отдел мозга — главный «хранитель времени» в организме. Однако биологические часы имеются не только в мозге: представляется, что каждая клетка нашего тела обладает своеобразным часовым механизмом. В таких разных тканях, как ткани печени и легких, присутствуют гены, которые активируются и деактивируются в зависимости от различных фаз 24-часового цикла.

Клетки, которые находятся в искусственной среде длительный срок — скажем, на протяжении двадцати лет, также способны подчиняться этому 24-часовому циклу. Вполне вероятно, что часовой механизм клеток куда больше влияет на состояние нашего здоровья, чем было принято считать ранее. И возможно, в будущем будут найдены более эффективные способы переводить биологические часы клеток на новое время.

Каждый человек обладает уникальным набором генов, если только у него не имеется брат-близнец. Благодаря этому анализ ДНК может использоваться для исключительно точной идентификации личности, что является весьма эффективным инструментом при расследовании уголовных дел и установлении личностей жертв катастроф.

Но содержащиеся в наших хромосомах ДНК не так стабильны, как можно было бы ожидать. Нуклеотиды могут перескакивать в структуре хромосомы с одного места на другое. Изменение структуры ДНК, вызванное заменой всего лишь одного нуклеотида, может иметь серьезные последствия, ибо следствием такого изменения становятся изменения в синтезируемых клеткой белках. Например, изменение нуклеотида в гене, отвечающем за синтез гемоглобина, приводит к серповидной анемии: белок получает из-за этого неправильную структуру и деформирует кровяную клетку, придавая ей ненормальную серповидную форму.

Мутации, то есть изменения в последовательности нуклеотидов в ДНК, случаются в первую очередь во время деления клетки и репликации всех ее составных частей. Однако ДНК может быть повреждена и из-за этого подвергнуться мутации не только в этот момент. ДНК, как и все остальные молекулы клетки, непрерывно бомбардируется другими молекулами, стремящимися найти себе подходящий объект, с которым они могли бы соединиться и создать новое химическое соединение. К сожалению, в результате некоторых таких столкновений структура ДНК может подвергнуться изменению — то есть место одних нуклеотидов в ней займут другие, в результате чего записанная в ней наследственная информация изменится. Очень часто это ведет к тому, что белки, синтезируемые по матрице измененной ДНК, приобретают новые свойства и не могут работать эффективно. Ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, а также некоторые химические соединения также вызывают изменения в структуре ДНК, приводящие к мутациям.

При этом заметим, что в ходе эволюции были выработаны способы противодействия нежелательным мутациям и в случае повреждения цепочки ДНК немедленно вступают в действие особые механизмы по ее «ремонту». В этом случае спирали ДНК разводятся в разные стороны особыми белками в местах повреждения и «неправильный» нуклеотид заменяется на «правильный».

Когда мы говорим о перемещающихся генах, нельзя забывать о вирусах. Это не что иное, как гены, упакованные в защитную белковую оболочку. Вирусы сами по себе нежизнеспособны и воспроизводят себя только тогда, когда оказываются внутри клетки. Они используют для целей собственного воспроизведения внутриклеточные механизмы, созданные для репликации и размножения белков. В основе своей вирусы являются паразитами. Их размножение внутри клетки часто приводит к ее гибели, в результате чего клетка разрушается и выпускает из себя вирусы, которые заражают другие клетки.

Вирусы содержат простейшие геномы, необходимые для синтеза их защитной белковой оболочки и выработки энзимов, позволяющих воспользоваться клеточными механизмами воспроизводства и размножения. Оболочка простейшего вируса — пример возбудитель кори — состоит из белка одного вида и позволяет укрывать всего лишь три гена. Более сложные вирусы имеют несколько сотен генов и сложную оболочку. В дальнейшем мы рассмотрим вопрос о том, каким образом вирусы порождают болезни. Отметим, что гены некоторых вирусов являются не ДНК, а РНК.

Гены контролируют все, что происходит в нашем теле, — именно они определяют, какие белки и в каком количестве присутствуют в наших клетках. Однако у меня не вызывают симпатии рассуждения тех, кто приписывает влиянию генов все особенности человека — от красоты до нетерпимости. Коренятся или нет подобные отличительные черты в наших генах — слишком сложный вопрос. Сама его постановка может невольно ввести в заблуждение. Ведь, например, не существует единого гена, отвечающего за глаз. Многие сотни, если не тысячи генов влияют на развитие глаза, и при этом сбой или ошибка даже в одном из них может привести к возникновению серьезных отклонений.

Сам язык, при помощи которого обычно описываются многие явления, связанные с генами, часто провоцирует недоразумения. Ни один нормальный человек не возьмется утверждать, что автомобильные тормоза сконструированы для того, чтобы вызывать аварии. При этом, однако, очень часто можно встретить упоминания о «генах гомосексуальности» или «генах преступности».

Когда автомобильные тормоза, предназначенные для того, чтобы обеспечить безопасное вождение, отказывают, случается авария. Точно так же если преступные наклонности человека имеют некоторую генетическую основу, что отнюдь не является точно установленным фактом, то они проявляются не потому, что существует пресловутый «ген преступности», но потому, что изменения во множестве генов привели к нежелательным последствиям. Подобные изменения могли, например, повлиять на развитие мозга на ранней стадии или вызвать изменения в функционировании нервных клеток уже взрослого мозга.

Важно осознать, что в настоящий момент даже обладание знаниями обо всех генах человека не поможет нам точно предсказать, как будет функционировать его клетка или как будет развиваться его эмбрион. Возьмите, к примеру, следующую фразу: «Намерен тлена соединенью двух сердец я не может ли знает любви и безмерной измена мешать конец любовь не положить убыли». Слова, из которых она составлена, взяты из начальных строк знаменитого сонета Шекспира. По ним можно представить себе, чему посвящен его сонет, — кажется, речь в нем идет о любви, однако из набора этих слов совершенно невозможно понять, какие мысли автор сонета выражает в связи с этим. Примерно в таком же положении мы находимся сейчас в отношении понимания роли генов.

Мы знаем всю последовательность спирали ДНК человеческого генома, то есть последовательность цепочки ДНК всех человеческих генов. И это является выдающимся достижением, ведь мы можем идентифицировать 30 тысяч генов, которые контролируют наше развитие и нашу жизнь. Однако каждый из этих генов — что-то вроде отдельного слова в поэме и сам по себе мало что говорит нам о том, как будет вести себя в человеческом теле тот белок, который синтезируется на основе заключенной в нем наследственной информации, и о том, как этот белок будет взаимодействовать с другими белками. Выяснение последовательности человеческого генома — это только начало познания, и существует еще слишком много неизвестного, что только предстоит открыть. Если мы узнаем, как контролируется развитие эмбриона, то тогда, может быть, доберемся и до смысла шекспировского текста, который должен выглядеть так:

Мешать соединенью двух сердец

Я не намерен. Может ли измена

Любви безмерной положить конец?

Любовь не знает убыли и тлена.

Всего шесть лет назад были опубликованы две версии последовательности генома человека. Обе эти версии — результат сравнительных исследований геномов многих анонимных доноров. Не так давно один американский ученый, Крейг Вентер, опубликовал последовательность своего собственного генома.

Сложно представить, что именно приводит Вентера в восторг, когда он рассматривает свой собственный геном, однако в принципе изучение последовательности нуклеотидов в гене может быть потенциально полезным, — например, благодаря этому можно выявлять известные науке виды мутаций генов, увеличивающих риск тех или иных заболеваний.

Можно ли, исследуя геном человека, предсказать, как будет вести себя организм в целом? Относительно отдаленного будущего ответ, вероятно, будет утвердительным, но сейчас это так же невозможно, как реконструировать связный текст сонета по отдельным хаотично разбросанным словам. Ключ к пониманию того, как функционируют живые системы, — это белки, а гены всего лишь предоставляют информацию, благодаря которой белки синтезируются. Знание структуры человеческого генома подскажет, какие белки будут синтезироваться в клетках, однако это не позволит нам получить легкий ответ на вопрос, когда и где такие белки будут синтезироваться в теле растущего эмбриона. Ведь десятки тысяч белков постоянно и непрерывно взаимодействуют друг с другом внутри клетки, но при этом геном сам по себе не может задавать ни характер, ни последовательность этих взаимодействий.

5. Как заменяются наши клетки

Как стволовые клетки воспроизводят сами себя

Стволовые клетки обладают функцией самообновления — они могут делиться снова и снова, порождая многие другие типы клеток. Они ежедневно делятся в нашем теле, порождая клетки крови, клетки кожи, клетки, выстилающие наш кишечник, клетки хрящей, даже некоторые нервные клетки и клетки, обеспечивающие работу нервных окончаний. Таким клеткам, как клетки кожи и кишечника, которые постоянно отмирают, все время требуется замена. После деления стволовой клетки одна из образовавшихся дочерних клеток так и остается стволовой, в то время как вторая развивается в специализированную клетку — например, клетку кожи. Стволовые клетки могут делиться и симметрично, то есть так, что обе новые дочерние клетки остаются стволовыми.

Из-за способности к громадному числу делений, равно как и способности порождать самые разнообразные типы клеток, стволовые клетки представляют собой восхитительный многообещающий инструмент, который можно было бы использовать для лечения различных болезней. Они могли бы стать основой регенеративной медицины.

При этом наивысшей способностью развиваться во все существующие типы клеток обладают стволовые клетки, взятые из человеческого эмбриона, — эмбриональные стволовые клетки. Это обстоятельство спровоцировало целую массу этических проблем. Многие люди, которые, зачастую в силу религиозных представлений, считают человеческого эмбриона на ранней стадии его развития и даже саму оплодотворенную яйцеклетку уже готовым человеческим существом, возражают против того, чтобы с эмбрионом проводились какие-либо медицинские манипуляции и из него извлекались клетки.

Следующий набор этических проблем связан с вопросом клонирования. В принципе возможно создать эмбрион с генами какого-то конкретного индивида, поместив взятое из клетки этого человека ядро в яйцеклетку, заранее лишенную ядра, и таким образом получив стволовые клетки, обладающие генами донора. Эти последние достижения клеточной биологии вызвали ряд жарких дискуссий и одновременно открыли новые возможности, — например, весьма вероятно, что благодаря стволовым клеткам будет найден способ заменять нервные клетки пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, или клетки в больном сердце.

Весь этот ажиотаж, связанный со стволовыми клетками, побуждает нас исследовать вопрос о том, как происходит развитие оплодотворенной яйцеклетки. Пока нет ясности в вопросе о развитии яйцеклетки, невозможно квалифицированно судить о том, порождают стволовые клетки и клонирование этические проблемы или нет. Я также постараюсь развеять некоторые заблуждения, из-за которых эти вопросы стали настолько спорными.

Когда выяснилось, что радиоактивное облучение помогает излечивать некоторые виды рака, а трансплантация костного мозга способствует восстановлению клеток крови, уничтоженных радиацией, ученые взялись за изучение механизмов этих процессов. Двое канадцев, Джеймс Тилл и Эрнест Мак-Каллох, провели серию экспериментов, делая различные объемы инъекций клеток костного мозга мышам после того, как они получали смертельную дозу радиации. Джеймс Тилл вспоминает: «Чем больше костного мозга мы вводили, тем выше был процент выживших мышей». Объектом исследования ученых стали кроветворные ткани мышей, и в конце концов Эрнест Мак-Каллох обнаружил странные комочки в селезенках некоторых подопытных. «Мы оба обладали опытом в культивировании клеток, помещенных в искусственную питательную среду, и сразу же подумали о том, что в селезенках мышей возникли новые колонии клеток», — вспоминает Джеймс Тилл.

Им удалось доказать, что странные комочки — это действительно колонии клеток, которые каким-то образом развились из введенных мышам клеток костного мозга. Основываясь на результатах своих экспериментов, Тилл и Мак-Каллох разработали определение стволовых клеток, которое является верным и по сей день: это самовозобновляющиеся клетки, способные к интенсивному размножению и превращению при этом в клетки самых разных типов. Канадские ученые доказали, что стволовая клетка костного мозга может произвести любую клетку крови.

Пересадка костного мозга пациентам, страдающим от лейкемии, осуществляется после того, как стволовые клетки, вызывающие разрастание раковой опухоли, уничтожаются при помощи радиоактивного облучения. Пересадка демонстрирует роль тех стволовых клеток, которые содержатся в донорских порциях костного мозга. Чтобы восстановить работу кроветворной системы организма, их требуется незначительное число. Правда, при этом возникает серьезная проблема — отторжение чужих стволовых клеток иммунной системой организма; это происходит даже тогда, когда эти клетки для пересадки берутся у близкого родственника.

Все наши кровяные клетки берут начало из стволовых кровяных клеток, находящихся в костном мозге вместе с теми стволовыми клетками, которые сформировались у нас в печени, когда мы были эмбрионами. Эти стволовые клетки делятся, и их дочерние клетки способны породить любой из нескольких типов кровяных клеток, имеющихся в нашем организме, — прежде всего красные кровяные клетки.

Стволовые клетки также порождают клетки иммунной системы и другие виды клеток, содержащиеся в крови, — такие, как макрофаги, которые обволакивают и уничтожают чужеродные элементы, попадающие в кровь, например бактерии и вирусы, и тромбоциты, которые обеспечивают свертываемость крови в тех местах, где возникают раны или порезы. Стволовые клетки крови, кроме того, производят клетки, которые играют важную роль в формировании костей, когда в ходе развития зародыша создается костная система или когда выявлено повреждение в кости.

Основным типом клетки, порождаемым стволовыми кровяными клетками, является красная кровяная клетка, которая содержит в себе белок гемоглобин, позволяющий переносить кислород из легких в ткани. Красные кровяные клетки имеют ограниченный срок жизни — около 120 дней, и поразительным является то, что каждую секунду наш костный мозг производит два миллиона новых красных кровяных клеток. Красные кровяные клетки не способны делиться, так как они лишены ядра, митохондрий и некоторых других элементов и в них остался в основном лишь гемоглобин. Продукты жизнедеятельности красных кровяных клеток утилизируются макрофагами.

Откуда стволовые клетки узнают, какой именно тип кровяных клеток необходимо произвести и как развиваются эти кровяные клетки? Стволовая клетка имеет в своем составе гены, позволяющие приступить к формированию новых кровяных клеток; производство какого-то определенного типа кровяных клеток требует провести активацию тех генов, которые нужны для их синтеза, и деактивацию других генов — необходимых для производства иных типов кровяных клеток. Эти процессы контролируются двумя сотнями транскрипционных факторов, управляющих активностью гена. Находящиеся вне стволовых клеток белки контролируют, насколько быстро и часто будут делиться стволовые клетки и какой именно тип клеток разовьется из них. Стволовые клетки получают также сигналы издалека: когда организм чувствуют нехватку кислорода, производство красных кровяных клеток стимулируется гормоном, который вырабатывается в почках.

Внешний слой нашей кожи меняется за время жизни человека около тысячи раз. Это происходит благодаря стволовым клеткам, которые порождают клетки кожи и способны неоднократно повторять этот процесс. Стволовые клетки находятся в глубинных слоях кожи и в основании волосяных луковиц. Они порождают кератиноциты, клетки кожи внешнего кожного покрова, которые перемещаются к поверхности кожи. Белок кератин скрепляет их воедино, благодаря чему они образуют внешний защитный слой. Эти клетки все время отмирают и спадают с нашего тела — они один из источников пыли в доме.

Стволовые клетки, находящиеся в основании волосяных луковиц, могут порождать и клетки волос, и клетки кожи. Слой клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кишечника, также обновляется каждую неделю, и это тоже заслуга стволовых клеток. Еще одним примером являются клетки в носу, способные распознавать запахи. Стволовые клетки, существующие в определенных частях головного мозга, способны порождать нервные клетки. Стволовые клетки располагаются также вблизи наших мускулов, и если мускул повреждается, то они превращаются в новые мускульные клетки.

Механизм, который определяет, что одна из двух дочерних клеток станет стволовой клеткой, до сих пор до конца не ясен. Существует теория, согласно которой то, какие типы клеток будут образовываться при делении стволовых клеток, и то, как будут затем развиваться дочерние стволовые клетки, определяют клетки, окружающие нишу со стволовыми клетками. От самих же стволовых клеток зависит, какая из двух дочерних клеток останется стволовой.

Впрочем, все, может быть, организовано совсем иначе и механизм, который определяет будущее нарождающейся клетки, базируется на том, что во время разделения материнской стволовой клетки набор специальных белков не разделяется между двумя дочерними клетками, а отходит только к одной из них. И, как уже отмечалось ранее, возможно такое деление материнской стволовой клетки, когда образуются две дочерние стволовые клетки-близнецы. Это происходит при необходимости увеличить количество стволовых клеток в определенных местах организма.

Отвечающие за регенерацию тканей у взрослых стволовые клетки, которые воспроизводят клетки крови, внутренней поверхности кишечника, кожи, нервов, могут породить лишь весьма ограниченное число разновидностей новых клеток. Они способны действовать только в весьма специфической среде — им требуется для функционирования особая ниша; хотя стволовые клетки крови присутствуют в крови, там они действовать не могут. Но можно ли заставить эти стволовые клетки производить те разновидности клеток, которые они обычно не производят? Могут ли стволовые клетки крови порождать, например, нервные клетки? Некоторые исследователи утверждают, что при изменении условий стволовые клетки на это способны. Промелькнуло сообщение о том, что нервные стволовые клетки, пересаженные мыши, породили в ее костном мозгу стволовые кровяные клетки, которые стали в свою очередь делиться и создавать клетки крови. Однако достоверно подтвердить эти данные не удалось.

Другие исследователи заявляли, что когда они культивировали клетки костного мозга в искусственной питательной среде, то те вели себя так, словно они могли породить иные разновидности клеток, не относящиеся к клеткам крови. Однако эти данные также не поддаются убедительному подтверждению. Заявления о том, что стволовые клетки крови могут регенерировать поврежденные ткани печени, возникшие вследствие наличия дефектного гена, были вызваны в действительности тем, что введенные в организм стволовые клетки смешивались с клетками печени и обеспечивали их здоровыми генами.

Стволовые клетки эмбриона не сталкиваются с подобными проблемами. Они значительно отличаются от тех клеток, которые позволяют обновлять ткани взрослого человека. Их способность превращаться в практически любые типы клеток почти неограниченна: они могут произвести любой тип клеток нашего тела. Каждая наша клетка произошла от этих стволовых клеток, когда мы были эмбрионами. Стволовые клетки эмбриона, взятые из тканей эмбриона на ранней стадии его развития, способны создать любые типы тканей нашего тела, и поэтому их относят к числу клеток, обладающих мультипотенцией.

Если эти клетки поместить в искусственную питательную среду и снабдить нормальным питанием, то он начнут безгранично разрастаться, делясь каждые двенадцать часов. Более того — и это самое важное, — они сохранят при этом мультипотенцию. Видоизменяя условия искусственной среды, в которых растут и размножаются эмбриональные стволовые клетки, можно заставить их развиться в специализированные типы клеток — нервные, мышечные и клетки крови. Стволовые клетки эмбриона мыши могут даже породить яйцеклетки.

Ученым лишь частично понятно, каким образом поддерживается мультипотенция этих клеток. Чтобы не позволить стволовым клеткам развиться в различные типы клеток и сохранить их способность к самовоспроизводству, необходимы соответствующие гены, которые уже удалось идентифицировать, и питательная среда.

В большинстве экспериментов забор стволовых клеток из эмбриона, находящегося на ранней стадии развития, приводил к его гибели. Однако при наличии правильно подобранной искусственной среды можно забрать от эмбриона, не нанеся ему никакого вреда, всего одну стволовую клетку и впоследствии превратить ее в целую культуру клеток.

В принципе стволовые клетки, взятые от эмбриона, могут использоваться для целей восстановительной медицины и восстанавливать функции ткани, когда определенные типы клеток отсутствуют или повреждены. Возможно, наиболее важное потенциальное применение человеческих стволовых клеток — воспроизводство на их основе клеток и тканей для использования в клеточной терапии. Сейчас для того, чтобы заменить состарившиеся или пришедшие в негодность органы, применяются донорские органы и ткани, однако потребность в них значительно превышает предложение. Стволовые клетки же способны дать возобновляемые источники клеток и тканей и послужить победе над болезнями Паркинсона и Альцгеймера, поражениями спинного мозга, инсультами, заболеваниями сердца, диабетом, остеоартритом и ревматоидным артритом.

Болезнь Паркинсона обусловлена постепенной утратой особого набора клеток, которые используют химическое вещество допамин, чтобы передавать сигналы другим нервам. Она приводит к тремору и потере равновесия. Пересадка эмбриональных стволовых клеток, которые вырабатывают допамин, вызывает значительное улучшение состояния пациентов. Однако пока все еще не получается с помощью стволовых клеток выращивать у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, утраченные нервные клетки.

Обнадеживающие результаты дала пересадка стволовых клеток пациентам с травмами спинного мозга, которые приводят к обездвиживанию и потере ощущений, хотя механизм наступающих улучшений понятен не до конца. Замена утраченных или поврежденных нервных клеток является крайне актуальной проблемой, и в этой области ведутся обширные исследования.

Эксперименты на мышах дали результаты, которые позволяют предположить, что со временем появится возможность использовать эмбриональные стволовые клетки для замены мускулов и сердечной мышцы, а также для лечения диабета первого типа, заменяя производящие инсулин клетки.

Но какими бы обнадеживающими ни были результаты экспериментов, необходимо помнить, что опыты на мышах показали: на месте инъекции эмбриональных стволовых клеток в кожу мыши появляется опухоль, состоящая из разных типов клеток. Поэтому стволовые клетки следует вводить в человеческий организм с чрезвычайной осторожностью. Существует и проблема отторжения чужих стволовых клеток иммунной системой человека.

Один из способов преодолеть проблему отторжения видят в изменении генетической конституции эмбриональных стволовых клеток таким образом, чтобы они не рассматривались организмом как чужие. Этого можно добиться за счет пересадки клеточного ядра, взятого из клетки пациента — причем из любой, даже из клетки соединительной ткани, — в яйцеклетку. Если этот метод сработает, станет возможным взять у эмбриона на ранней стадии развития стволовые клетки, которые будут иметь ту же генетическую конституцию, что и клетки самого пациента. Такие стволовые клетки не вызовут реакции иммунного отторжения. Но несмотря на то, что в последнее время достигнуты успехи в экспериментах как на клеточном материале людей, так и высших приматов, оказалось весьма непросто добиться последующего развития яйцеклетки с пересаженным в нее ядром чужой клетки.

Другой вариант преодоления иммунного отторжения — создание стволовых клеток на базе обычных клеток пациента. В этой сфере достигнут значительный прогресс. Идентифицированы гены, которые должны быть активированы, чтобы клетка приобрела характеристики эмбриональной стволовой клетки, — их оказалось всего четыре. В ходе экспериментов установлено, что клетки, обладающие характеристиками эмбриональных стволовых клеток, могут быть созданы из клеток кожи человека или мышей при помощи вируса, который введет в них эти четыре ключевых гена, и тогда они станут кодировать белковые транскрипционные факторы. А транскрипционные факторы, в свою очередь, активируют гены, чье воздействие необходимо, чтобы обычные клетки заработали как стволовые. Это позволит создать высококачественные клетки из клеток тела, которые сравнимы с эмбриональными стволовыми клетками по форме, распространению и генетической составляющей.

Правда, есть опасность, что эти клетки из-за участия в их создании вируса могут привести к формированию опухоли. Поэтому ученые подходят к перспективе их использования в медицине очень осторожно.

В общем, требуется еще немало времени, чтобы изучить молекулярные основы перепрограммирования обычных клеток в стволовые и отыскать молекулы, которые смогут перепрограммировать клетки, не передавая им при этом потенциально вредоносные гены наподобие тех, что содержатся в вирусах. Имеются, например, обнадеживающие данные о возможности создания эмбриональных стволовых клеток из мужских яичек. Если подобные исследования увенчаются успехом, это будет равносильно превращению свинца в золото.

Последние достижения в сфере клеточной биологии спровоцировали возражения со стороны религиозных групп — давление ощутили даже области патентного права и законодательства. В 1988 году ученые из университета Висконсина создали технологию, позволяющую выделять и выращивать в искусственной среде человеческие эмбриональные стволовые клетки, и запатентовали ее вместе с набором придуманных ими практических методов. В апреле 2007 года патентное бюро США по моральным соображениям отменило решение о регистрации этого патента. Однако позже это решение пересмотрели, и регистрация патента вновь была подтверждена.

Проблему нехватки человеческих яйцеклеток, накладывающую ограничения на производство эмбриональных стволовых клеток для разного рода экспериментов, можно решить, создавая клетки-химеры. Есть возможность создавать человекоподобные эмбриональные стволовые клетки, добавляя гены человека в яйцеклетки животных, например коров. Ядро из обычной человеческой клетки (скажем, клетки подкожной соединительной ткани) можно трансплантировать в яйцеклетку коровы и затем выделить эмбриональные стволовые клетки на ранней стадии развития эмбриона. При этом все ключевые гены такой клетки будут человеческими и лишь несколько генов, которые задают коды белков в митохондриях, будут взяты от коровы. Выделенные таким образом клетки могут стать весьма ценным материалом для изучения генетических заболеваний человека. Британские власти поддерживают исследования, которые проводятся подобным образом, хотя некоторые религиозные группы и протестуют против этого.

Многие возражения против забора эмбриональных стволовых клеток из эмбриона на ранней стадии развития основаны на том, что эмбриону может быть нанесен ущерб и он может даже погибнуть, — это, дескать, равносильно тому, чтобы убить человека. Для некоторых групп протестующих решающим является то соображение, что в данном случае эмбрион создается непосредственно для исследовательских целей, — таким образом, по их мнению, ставится эксперимент над человеком.

Католическая церковь придерживается того взгляда, что оплодотворенная яйцеклетка равнозначна новорожденному ребенку или даже взрослому человеку. Но у подобного воззрения нет никакого научного обоснования. Даже Фома Аквинский полагал, что эмбрион или зародыш не становится человеческой личностью до тех пор, пока его тело не изменится под воздействием разумной души. Святой Августин считал, что «оживление», то есть вход души в тело, когда новорожденного можно крестить, происходит на сороковой день для мальчиков и на восьмидесятый день для девочек. Впоследствии он посчитал этот срок равным сорока дням для представителей обоих полов.

Но в течение последних тридцати или сорока лет католическая церковь придерживается того взгляда, что душа присутствует в теле с самого начала существования оплодотворенной яйцеклетки, хотя в Библии не содержится ничего, что позволило бы считать эмбрион на ранней стадии развития человеческим существом. Католики (к ним присоединяются многие протестанты) призывают наложить запрет на все исследования в области эмбриональных стволовых клеток, заявляя, что они являются преступлением против невинных людей. В то же время многие христиане и иудеи, напротив, приветствуют проведение исследований в области изучения эмбриональных стволовых клеток, надеясь, что это обеспечит излечение целого ряда тяжелых заболеваний. В США Национальный институт здоровья, дабы не возбуждать излишние страсти, изъял слово «эмбриональный» из своего реестра стволовых клеток и заменил его словом «плюрипотентный».

Примерно четверть всех оплодотворенных эмбрионов погибает на ранней стадии развития в утробе матери. Помимо этого в той же Великобритании ежегодно совершается до 200 тысяч абортов. Может ли кто-то с полной ответственностью утверждать, что гибель этих эмбрионов хоть в чем-то походит на смерть ребенка или взрослого человека? Мое собственное мнение состоит в том, что эмбрион превращается в человеческое существо только тогда, когда он становится способен самостоятельно существовать за пределами утробы своей матери при минимальной технической поддержке, а это происходит тогда, когда возраст эмбриона достигает 36 недель. Энн Макларен, ведущий исследователь в этой области, как-то задала вопрос: сколько человек из числа тех, кто считает, что оплодотворенная яйцеклетка является человеческим существом, во время пожара предпочтет спасти сотню находящихся в горящем здании оплодотворенных яйцеклеток или эмбрионов на ранней стадии развития вместо одного живого ребенка?

Во время искусственного экстракорпорального оплодотворения происходит оплодотворение сразу нескольких яйцеклеток, которым затем позволяют развиться до той стадии, когда становится возможным пересадить их в матку матери-реципиента. При этом пересаживаются не все оплодотворенные яйцеклетки, а те, что остаются, уничтожаются. В период между 1991 и 2005 годом в Великобритании один миллион эмбрионов, созданных по методу экстракорпорального оплодотворения, оказался неиспользованным. Не существует никакой разницы с точки зрения этики между искусственным экстракорпоральным оплодотворением и созданием стволовых клеток, поскольку оба метода требуют создания эмбрионов, которые впоследствии окажутся лишними и от них просто избавятся. Исходя из религиозных воззрений, кто-то, вероятно, выступает против обоих методов, но при этом нельзя быть против одного из них и в то же время поддерживать другой. Метод искусственного экстракорпорального оплодотворения приобрел исключительно важное значение для человечества, и так же будет и со стволовыми клетками.

Без сомнения, существуют те, кто испытывает отвращение к самой мысли о том, чтобы взять человеческий эмбрион на ранней стадии развития и извлечь из него клетки. Однако безоговорочно негативный настрой отнюдь не лучший способ выработать взвешенное суждение. Стоит задаться вопросом — кому, в конце концов, наносится вред использованием этого метода? Люди приходили в ужас при известиях о первых пересадках сердца, однако в настоящее время живут тысячи тех, кто успешно прошел через эту операцию и безмерно благодарен врачам. И если кому-то, кто негативно относится к стволовым клеткам, они спасут жизнь, этот человек, скорее всего, будет счастлив, что кому-то пришла в голову идея использовать их для лечения людей.

Для того чтобы лучше понять природу человеческого эмбриона, мы рассмотрим далее другое уникальное жизненное явление — происхождение всего живого из одной-единственной яйцеклетки.

6. Как мы становимся людьми

Как мы развиваемся из одной-единственной клетки

Поразительно все-таки, что всего одна-единственная клетка, а именно оплодотворенная яйцеклетка, развивается в нечто столь сложное, как человек, или в такое огромное, как слон, или в такое маленькое, как муха. Как же это происходит?

На протяжении многих столетий известно, что мы и другие животные развиваемся из эмбрионов. Загадкой оставалась природа самого эмбриона и то, как именно происходит его развитие. Никакой прогресс в исследовании этого был невозможен, пока не установили, что мы представляем собой набор клеток и происходим из одной-единственной клетки, из яйцеклетки после того, как совершается процесс ее оплодотворения.

Гиппократ в пятом веке до н. э. пытался описать процесс нашего происхождения из огня и воды, объясняя, как взаимодействие этих двух стихий приводит к застыванию при одновременном сохранении влажности. Столетие спустя Аристотель поставил вопросы, для ответов на которые потребовались последующие столетия. Он задался вопросом, формируются органы эмбриона одновременно или последовательно? Возникают органы эмбриона в законченном и упорядоченном виде с самого начала (преформация) или же образуются мало-помалу, и это похоже на постепенное вязание рыбацкой сети (эпигенезис)? Аристотель поддерживал идею эпигенезиса.

Влияние идей Аристотеля на взгляды о развитии эмбриона было колоссальным, и, несмотря на то что не существовало никаких достоверных данных ни за, ни против его теории, она главенствовала вплоть до XVII столетия. Затем теорию эпигенезиса отвергли, поскольку признали невероятным, что физические или химические силы могут привести к формированию эмбриона и породить столь сложные виды жизни, как человеческая. Благодаря этому в ученой среде стал превалировать противоположный взгляд — что эмбрион появляется в законченном виде с самого начала.

Даже блестящий итальянский эмбриолог XVIII столетия Марчелло Мальпиги не мог освободиться от влияния этой доктрины. Детально описывая развитие эмбриона цыпленка, он оставался на позициях теории преформации и заявлял, что ранние стадии развития эмбриона слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Другие сторонники этой теории утверждали, что им удавалось увидеть полностью сформированный эмбрион в головке каждого сперматозоида.

Однако открытие клеток привело к полному изменению взглядов на развитие эмбрионов. Окончательно эпигенезис в умах эмбриологов победил в 1840-е годы, когда было признано, что яйцеклетка — это клетка, от которой происходят все клетки организма.

На практике это весьма сложный процесс, включающий взаимодействие различных клеток, которые то и дело перегруппировываются, что по мере роста и развития эмбриона ведет к образованию отдельных типов тканей. Но откуда изначальные клетки эмбриона знают, что им следует делать? Существовало воззрение, что это происходит благодаря структурированности яйцеклетки, которая по мере дальнейшего деления образует различные группы клеток, а они, подобно сложной мозаике, соединяются в необходимые группы тканей. Эта теория несколько напоминала теорию преформации. Однако затем — это случилось более ста лет тому назад — немецкий биолог Ганс Дриш разделил клетки эмбриона морского ежа на двухклеточной стадии развития, и каждая из получившихся отдельных клеток развилась в маленькую, но вполне обычную по форме личинку. Сейчас хорошо известно, что можно получить особи близнецов при разделении на этой стадии развития двухклеточных эмбрионов многих животных. Близнецы человека образуются при разделении эмбриона на значительно более поздней стадии — через две недели после оплодотворения яйцеклетки.

После оплодотворения в яйцеклетке происходит деление клеток, которое, однако, не сопровождается ростом самой яйцеклетки. В результате этого деления образуется группа из 30 клеток, и они формируют полую сферу. Внешняя оболочка этой сферы в последующем развитии эмбриона не участвует — из нее образуются такие структуры, как, например, плацента. Зародыш формируется из клеток внутренней поверхности этой полой сферы; оттуда же происходят эмбриональные стволовые клетки, способные развиться в любой из типов клеток.

На ранней стадии между клетками не наблюдается различий. Интересен вопрос, откуда клетки знают, в каких местах им надлежит быть и что делать. Откуда им становится известно, что они должны четко выполнять свои функции в целях развития эмбриона — стать, например, частью глаза или же образовать часть желудка. Выяснилось, что все это происходит благодаря взаимодействию генов и белков, в результате чего нужные белки синтезируются в нужное время и в нужном месте.

Во время развития эмбриона оказываются задействованными пять основных клеточных механизмов — деления клеток, образования структур тела, изменения форм, дифференциации клеток, роста клеток.

Деление клеток на ранней стадии развития эмбриона называется дроблением. В этот период яйцеклетка расщепляется на несколько более мелких клеток, и некоторые из них становятся эмбриональными стволовыми клетками.

Процесс образования структур состоит из формирования в эмбрионе органов и частей тела — например, конечностей или такой важной структуры, как нервная система. Клетки закрепляются на отведенных им местах и образуют четкую структуру будущего органа.

Если образование структур тела напоминает собой рисование или, лучше сказать, создание каркаса, то изменение формы походит на процесс лепки скульптуры, во время которого клетки совершают значительные перемещения и ткани меняют форму. Наш позвоночник представляет собой сначала плоскую полоску. Затем края этой полоски начинают закругляться и, встретившись, соединяются для того, чтобы образовать пустотелую трубку, которая и становится впоследствии позвоночным столбом. Разумеется, эта трубка пронизана множеством нервов, и их образование является прямым следствием процесса дифференциации клеток.

Дифференциация клеток приводит к появлению сотен различных типов клеток в нашем организме.

Механизм роста клеток способствует увеличению отдельных частей тела эмбриона. В основном он включается уже после того, как мы появляемся на свет.

Контроль над активностью всех этих клеточных механизмов осуществляется за счет присутствующих в клетках белков, а их деятельность, в свою очередь, определяется теми генами, которые на данный момент находятся в активированном состоянии. Таким образом, фундаментальным механизмом процесса развития клеток является процесс активации и деактивации генов. Гены в клетках растущего носа — такие же, как и гены в клетках растущего пальца, однако активные гены в этих частях тела сильно отличаются друг от друга.

Мы уже видели, что существуют контрольные зоны генов, с которыми связываются белки, участвующие в процессе транскрипции, — тем самым они делают ген активным либо неактивным. Изменения в статусе гена определяются как последовательностью событий внутри клетки, так и сигналами, которыми клетки обмениваются друг с другом.

В процессе развития эмбриона в активированном состоянии находятся несколько тысяч генов, которые осуществляют контроль над его развитием. Существует также множество генов, функция которых заключается в поддержании обычной жизнедеятельности клеток. Эти гены, не имеющие отношения к генетической программе развития эмбриона, присутствуют в большинстве клеток.

Все клетки, из которых состою я и из которых состоите вы, ведут начало от тех клеток, которые формируются из слоя внутренней поверхности оплодотворенной яйцеклетки. Строительство человеческого тела из этого набора клеток является чрезвычайно сложной задачей. Для этого необходимо задействовать не только механизм образования структур тела, чтобы клетки знали, что им следует делать в различных местах в разное время, но и обеспечить возможность изменения форм клеток и их свободное перемещение.

Из клеток внутренней поверхности оплодотворенной яйцеклетки происходят три клеточных слоя, из которых состоит наше тело: эктодерма, мезодерма и эндодерма. Эктодерма — это внешний тканевый слой, в нее входят кожа и нервная система. Находящаяся под ней мезодерма включает в себя мускулы, скелет, сердце, кровь и почки. Третьим, самым глубинным тканевым слоем является эндодерма, из нее состоят кишки, печень и легкие. В процессе формирования клеточных слоев эктодерма, мезодерма и эндодерма должны расположиться в правильном порядке. Этот процесс называется гаструляцией.

Особенность животных в том, что клетки, которым предстоит сформировать их кишечник и мускулы, скелет и сердце, изначально находятся на внешней стороне эмбриона и им необходимо передвинуться во время гаструляции. Определение будущих функций этих клеток на ранней стадии позволяет сформировать основные оси развития эмбриона — в частности, выявить, где будет находиться его голова, а где хвост. При этом определяется расположение трех клеточных слоев, из которых будет состоять тело, в результате чего клетки мезодермы и эндодермы направляются внутрь эмбриона, чтобы занять назначенное положение. Меня знают как автора высказывания «Самым важным моментом вашей жизни является не рождение, свадьбы и смерть, а гаструляция». В нем действительно содержится изрядная доля истины.

Гаструляция в ходе развития человеческого эмбриона крайне сложна и трудно поддается описанию. Однако основные стороны этого процесса можно наглядно проиллюстрировать на примере гаструляции эмбриона морского ежа, яйцеклетки и эмбрионы которого являются превосходными объектами для наблюдения за поведением клеток, поскольку они, во-первых, легкодоступны и, во-вторых, прозрачны. Достаточно просто извлечь из особей морского ежа женского пола во время брачного периода яйцеклетки и поместить в пробирку. Затем в пробирку следует ввести каплю спермы морского ежа мужского пола, дабы произвести оплодотворение. Через час каждая яйцеклетка начнет делиться, причем процесс повторится на протяжении следующих десяти часов примерно десять раз, в результате чего из оплодотворенной яйцеклетки образуется полая сфера толщиной всего в одну клетку.

После этого яйцеклетка проходит период гаструляции и образует личинку. Первой стадией гаструляции эмбрионов морских ежей является движение примерно шестидесяти клеток, находящихся в той области, где будет сформирован кишечник эмбриона, в пустую внутреннюю полость оплодотворенной яйцеклетки. Эти клетки порождают мезодерму, мускулы эмбриона и те клетки, из которых будет сформирован скелет. Они направляются в нужное место, выбрасывая длинные пальцеобразные усики-филоподии, которые сокращаются и за счет этого двигают клетку вперед. Когда в пределах досягаемости филоподий появляется другая клетка, с нею устанавливается прочная связь.

Затем образуется кишечник морского ежа — за счет того, что клетки свертываются, образуя подобие трубочки, которая протягивается через все полое внутреннее пространство оплодотворенной яйцеклетки, пока не вступит в соприкосновение с клетками на противоположной стороне. Это похоже на то, как если бы у вас в руках был воздушный шарик и вы давили бы на одну его сторону пальцем до тех пор, пока не коснулись бы им противоположной стороны шарика.

После этого клетки, находящиеся на конце кишечника, выбрасывают филоподии, которые вытягивают кишки — также к противоположной стороне яйцеклетки. Здесь они сращиваются со встреченными клетками и образуют ротовую полость. Этот процесс представляет собой удивительное зрелище — он заснят, и его можно наблюдать. Он демонстрирует, что все изменения форм эмбриона объясняются довольно простыми растяжениями и сокращениями клеток. Подобные процессы происходят и во время гаструляции человеческого эмбриона, только проявляются они в более сложном виде. Разумеется, все это происходит, потому что в нужное время и в нужном месте синтезируются определенные белки, а это становится возможным благодаря активации и деактивации соответствующих генов.

Первый явный признак гаструляции в человеческих эмбрионах — формирование плотного слоя клеток, который разрастается и формирует желоб, соответствующий основной оси нашего тела. На конце этого слоя находится область, организующая рост и движение, которая называется наростом. По мере продвижения нароста к противоположному концу яйцеклетки образуется новый слой клеток. Клетки, находящиеся по разные стороны от этого слоя, перемещаются под него и формируют эндодерму и мезодерму. Когда эти перемещения заканчиваются, новообразованный плотный слой начинает сдвигаться в направлении заднего конца эмбриона. Теперь на его кончике находится будущая голова эмбриона.

При этом поверхностный слой клеток, эктодерма, начинает разворачиваться в районе срединной линии, образуя трубку, из которой впоследствии будут сформированы спинной мозг и головной мозг. Находящаяся под ней и возвращающаяся назад мезодерма оставляет за собой пары небольших комочков ткани, по одному на каждой стороне, которые известны под названием сомитов; впоследствии сомиты сформируют позвоночный столб, мускулы спины и конечностей. Таким образом становится очевидна основная структура эмбриона; конечности же его разовьются позже из отростков, которые вырастут из тела.

Но если теперь можно определить, где находится голова и где будут находиться ноги эмбриона, то по-прежнему остается не ясно, где будут правая и левая его стороны. Несколько органов нашего тела являются симметричными, как, например, конечности, однако сердце располагается слева, у печени имеется только левая доля, слева располагаются желудок и селезенка.

Во время развития эмбриона левую сторону от правой отличают реснички. Благодаря им активируется особый ген, который в свою очередь активирует гены левой стороны тела. У одного из десяти тысяч человек обычная асимметрия правой и левой стороны нарушена. Такие люди во всем остальном являются совершенно нормальными; правда, некоторые, очень немногие, могут испытывать проблемы с дыханием.

Все это развитие происходит за счет деятельности клеток, которая контролируется генами и теми белками, которые закодированы в них. Важно понимать, что гены не содержат в себе готовый чертеж того взрослого человека, в которого должен превратиться эмбрион. Скорее, содержащиеся в тканях эмбриона гены обеспечивают основу для выполнения программы развития новорожденного человеческого существа, в которой каждая предыдущая фаза обусловливает последующую.

Хорошей аналогией в этом смысле является оригами — искусство создания фигурок из бумаги. Довольно легко, например, последовательно сгибая листок бумаги, превратить его в сложную фигурку птицы, однако эта фигурка не появляется сама собой из складок бумаги, ведь каждое складывание листка оказывает сложное воздействие на то, каким будет эффект от последующих складок. То же самое происходит и с действием генов — каждая фаза развития эмбриона определяется тем, как была выполнена ей предшествующая.

Развитие эмбриона, подобно созданию оригами, зависит от реализации наследственной программы. Важно отметить, что развитие эмбриона определяется в первую очередь поведением отдельных клеток, а не сложностью взаимодействия, происходящего между клетками. Сигналы, которыми обмениваются клетки между собой, не приводят к передаче сложной информации, а прежде всего определяют выбор того состояния клетки, в которое клетка может войти в конкретный момент. Таким образом, в развитии эмбриона по-настоящему определяющим фактором является именно внутреннее состояние клетки.

Связь, которая осуществляется между различными клетками в развивающемся эмбрионе, позволяет активировать нужные гены в нужное время, чтобы белки могли выполнять свою работу. Подобно инструкциям по составлению оригами, которые предписывают, когда и как следует сгибать бумагу, гены активируются тогда и в тех местах, когда там необходимо синтезировать определенные виды белков. Сигнал, который получает при этом клетка, редко проникает внутрь нее. Почти всегда этот сигнал, являющийся в форме некоего вещества, воздействует на внешнюю оболочку клетки и вызывает ряд цепных реакций внутри клетки, которые приводят к активации либо деактивации определенных генов. Это немного напоминает то, как если бы вы нажимали определенные кнопки на музыкальном автомате, чтобы заставить его играть нужные вам мелодии. Таким образом, развитие эмбриона проистекает в результате последовательных реакций внутри клетки, которые вызываются сигналами, поступающими извне.

Сигнал, достигший клеточной оболочки, передается далее путем последовательного взаимодействия белков. Это приводит к добавлению фосфата к целому ряду белков, располагающихся как в клеточной оболочке, так и в клеточном ядре, что стимулирует либо останавливает работу гена. Это сложный процесс, известный под названием сигнальной трансдукции.

Клетки редко передают соседним клеткам новую информацию — никакого обмена записками или письмами между ними не происходит. Возможно, кому-то в голову приходит мысль, что такие сообщения могут содержать белки, которые передаются от одной клетки другой, однако это не так. Белковые сигналы лишь активируют рецепторы, которые далее посылают соответствующие сигналы внутрь самой клетки. И лишь очень небольшое число белков непосредственно проникает в клетку. Обычно это — гормоны.

Многие из ключевых генов, контролирующих развитие человеческого организма, а также развитие других позвоночных, были впервые обнаружены и исследованы в плодовых мушках дрозофилах. Исследователи использовали мушек, чтобы выяснить, как гены и белки контролируют поведение клеток. Благодаря дрозофилам удалось прояснить многие аспекты генетики. Возможно, после этого мушки стали с удивлением говорить друг другу, до какой же степени механизмы их собственного развития схожи с человеческими…

Использовался, в частности, следующий метод: ученые брали гены, игравшие важную роль в развитии дрозофил, и затем искали соответствующие гены в организмах позвоночных животных. Хороший пример — ген, получивший название «Акустический еж». Он был обнаружен в плодовой мушке и назван так потому, что, во-первых, при его мутации поверхность личинки мухи становится похожей на спину ежа. И во-вторых, потому, что, когда сходный ген был открыт у позвоночных животных, сын ученого, который его обнаружил, увлекался компьютерной игрой «Акустический еж». Биологи, занимающиеся подобными исследованиями, имеют право сами подбирать имена новым генам, и им явно нравится этот процесс.

«Акустический еж» — это сигнальный белок, который неоднократно используется в процессе развития нашего организма. Клетки по-разному реагируют на его появление, поскольку у всех у них разная история и они содержат различные белки.

Большой вклад в понимание закономерностей развития нашего организма внесло изучение лягушек и цыплят. Ведь в большинстве живых существ задействованы одинаковые или очень похожие механизмы. Эволюция раз за разом без стеснения идет одним и тем же путем, что, однако, не мешает создавать видовое разнообразие.

Для того чтобы проиллюстрировать действие механизма, отвечающего за создание структуры тела, и понять принципы его работы, мы прибегнем к аналогии с французским флагом, который состоит из трех одинаковой величины полос синего, белого и красного цветов, расположенных на одной оси. Сам флаг может быть любого размера, однако схема его раскраски всегда остается неизменной. Если мы имеем популяцию клеток, которые способны раскраситься в синий, красный и белый цвета, и при этом знаем, что число клеток в популяции может меняться, то какой же механизм с гарантией расположит их в виде французского флага? Представьте, что вы стоите вместе с другими людьми и у каждого из вас имеется по куску бумаги синего, белого или красного цвета. Вы ждете известного французского деятеля и хотите приветствовать его французским флагом — для этого люди с листами разных цветов должны выстроиться в строгой последовательности. Это реально только в том случае, если вы будете твердо знать свое место в общем ряду, которое, разумеется, будет соответствовать цвету листа бумаги у вас в руках. Без постоянного обмена сигналами между участниками мероприятия добиться успеха вам не удастся.

Точно так же выстраиваются в необходимом порядке и клетки эмбриона. Клетки получают соответствующую информацию и, согласно ей, занимают позицию в ряду других клеток, ориентируясь на границы этого ряда. После обретения клетками своих мест в них включаются генетические программы: клетки из левой трети становятся синими, из центральной трети — белыми, а из правой трети — красными. Смысл этого механизма в том, что на основе использования одного и того же позиционного значения могут развиться различные формы клеток — это происходит благодаря тому, что, в соответствии с заложенной в них генетической программой, клетки способны интерпретировать свое позиционное значение различным образом. Этот же механизм с успехом действует и в двухмерной системе координат, в которой интерпретирование позиционного значения происходит по двум осям. Далее мы рассмотрим подобные примеры.

Как клетки определяют свою позицию по отношению к начальной и конечной границам группы клеток, к которой они принадлежат? Это непростая проблема. Поскольку все схемы последующего развития клеток изначально формируются внутри небольших клеточных групп, протяженность линии клеток по прямой в любом направлении составляет меньше тридцати клеток. Это заставило Френсиса Крика предположить, что клетки определяют свою позицию благодаря считыванию информации о концентрации того или иного химического соединения. Однако как бы привлекательно ни выглядела эта теория, в настоящее время считается, что распространение сигнала в виде определенной концентрации химического вещества слишком ненадежный способ для получения столь важной информации. Ученые продолжают спорить о том, каким именно образом клетки обретают свои позиционные значения. Возможно, это происходит за счет непосредственного обмена сигналами между клетками в местах их соединения друг с другом.

Как бы то ни было, исследования регенерации тканей дают убедительные доказательства того, что клетки действительно обладают позиционными значениями. Несколько видов лягушек способны регенерировать свои конечности, что требует, чтобы клетки обладали позиционными значениями относительно утраченной конечности, то есть чтобы процесс регенерации начинался с того места, в котором конечность подверглась ампутации, и далее по направлению к кончикам утраченных пальцев.

Ученые выявили специфический белок на оболочках клеток конечности лягушки, концентрация которого уменьшается от плеча к конечностям лягушки. И при этом установили, что возможно изменить позиционные значения клеток, обрабатывая регенерируемую конечность ретиноевой кислотой, которая приводит к появлению у клеток в районе пальцев более высокой концентрации этого белка и уподобляет их клеткам в районе плеча. Если ампутировать лягушке кисть, то при обычных условиях у нее будет регенерирована именно кисть. Но если в процессе регенерации ввести в ткани ретиноевую кислоту, то регенерируемые клетки решат, что они являются клетками плечевой области, и тогда на месте отрезанной кисти вырастет целая лапка.

Другой пример того, что клетки обладают позиционными значениями, дало изучение тканей дрозофилы. В ходе экспериментов ученые установили, что позиционные значения клеток ног и усиков дрозофилы одинаковы, но по-разному интерпретируются из-за воздействия особых контролирующих генов. И ноги, и усики дрозофилы являются довольно длинными образованиями, но при этом ноги вырастают из тела мушки, а усики — из ее головы и весьма сильно отличаются друг от друга по форме. Однако мутация одного-единственного гена может привести к тому, что у дрозофилы вместо усика вырастет нога.

Ученым еще предстоит понять, как действуют контрольные гены, которые следят за интерпретацией клетками своих позиционных значений. Но как бы то ни было, поразительно, что один-единственный ген может иметь столь мощное значение для формирования эмбриона.

Важность контрольных зон генов в деле образования структур тела подтверждается другим примером, почерпнутым из изучения особенностей развития дрозофилы. На ранней стадии развития некоторые гены проявляются в спинной области мушки семью полосками — их можно увидеть, если промаркировать белок, который они кодируют. Изначально исследователи думали, что эти полоски наделяет особыми свойствами и точно устанавливает их очертания и границы лежащая под ними волнообразная структура — что полоски развиваются в районе гребней каждой из волн. Но на самом деле механизм установления очертания и границ полосок основан на других принципах, в число которых, однако, не входит принцип позиционной информации. Дело в том, что каждая полоска отличается от всех остальных. Это происходит из-за того, что имеется семь различных контрольных зон, в результате чего образуется семь разных полосок. Каждая из контрольных зон активируется разными белками, которые играют роль транскрипционных факторов, присутствующих в области каждой полоски.

Формирование структур тела во время развития эмбриона хорошо наблюдать на примере образования конечностей. Особенно полезными в этом плане оказались исследования эмбриона цыпленка, поскольку за развитием его конечностей очень легко вести наблюдение — для этого достаточно вскрыть скорлупу яйца и увидеть эмбрион во всех деталях.

Конечности начинают расти, когда само тело уже достаточно хорошо сформировано. Их зачаток на раннем этапе развития похож на сплюснутый воздушный шарик. При этом одни клетки создают его «оболочку», внутри которой делятся другие клетки; это деление и ведет к росту «шара». Впоследствии внутренние клетки образуют зародышевые элементы костной системы — предтечи костей. На верхушке оболочки «шара» находится утолщенный гребень; он и придает лапке цыпленка ее окончательную форму.

То же самое происходит с конечностями человека. На краю зоны развития в том месте, где будет сформирован мизинец, находится особая сигнальная зона, в которой образуется белок «Акустический еж». Он передает информацию по линии, которая пролегает от большого пальца к мизинцу. Концентрация «Акустического ежа» наивысшая в районе формирования мизинца, она снижается ближе к зоне, где образуется большой палец. Ученые полагают, что степень концентрации «Акустического ежа» определяет позицию клеток, а значит, и то, какой именно палец здесь сформируется.

Присвоим трем пальцам цифры 4, 3, 2 по направлению от мизинца к большому пальцу. Они обычно располагаются согласно формуле «4-3-2», и палец «4» характеризуется высоким содержанием «Акустического ежа», а палец «2» — низким. Если взять у одного эмбриона участок тканей с присутствием «Акустического ежа» и пересадить в область зачатка конечностей другого эмбриона, где должен будет вырасти большой палец, то конечность расширится и на ней появится шесть пальцев по формуле «4-3-2-2-3-4».

«Акустический еж» помогает контролировать развитие пальцев как на руках, так и на ногах. Ответная реакция на него клеток, располагающихся на руках и на ногах, не одинакова — дело в том, что на верхних и нижних конечностях активируются разные гены. Иногда — к счастью, довольно редко — дети рождаются с лишними пальцами; это происходит из-за того, что в районе формирования большого пальца образуется дополнительная сигнальная область с «Акустическим ежом».

В развитии конечностей большую роль играет программируемая смерть клеток — апоптоз, которая заставляет умирать те клетки, которые располагаются между пальцами. Если бы этого не происходило, на руках были бы перепонки и они походили бы на утиные лапки. Апоптоз является частью механизма образования структур тела; он контролируется генами.

По мнению ряда ученых, позиции клеток на основной оси руки, от плеча до кисти, определяются временем, которое клетки проводят в зоне развития. Те клетки, которые находятся в зоне развития дольше всего, становятся пальцами. Те же клетки, которые покидают ее раньше других, образуют кости — лучевые и локтевые. Такая модель, в которой за позиции клеток отвечает механизм, регулирующий время, объясняет эффект препарата талидомида — его прием беременными женщинами приводил к деформациям конечностей у новорожденных младенцев. Талидомид, вероятно, убивает клетки в зоне развития и ломает график их распределения вдоль оси конечности. Это приводит к тому, что из всех тканей руки развиваются только ткани в районе кисти. Есть данные, что талидомид блокирует развитие кровеносных сосудов, и это вызывает незапланированный природой апоптоз в зоне развития, из-за чего дети рождаются с кистью, которая начинается прямо от плеча.

Все клетки мускулов в наших конечностях мигрируют туда из сомитов, о которых мы уже упоминали. В отличие от клеток конечностей, клеткам, которым предстоит развиться в клетки мускулов, не присвоено на ранней стадии никаких позиционных значений; они совершенно одинаковы — в этом смысле между ними царит подлинная демократия. Когда будущие мускульные клетки проникают в ткань конечностей, клетки конечностей, обладающие позиционными значениями, направляют их в нужные места, где эти клетки превращаются в мускульные и прикрепляются к костям и сухожилиям. Они и на этой стадии развития ведут себя абсолютно демократично, без каких-либо претензий, и готовы соединиться с любой костью и сухожилием, с какими войдут в непосредственный контакт. Это показали многочисленные эксперименты на эмбрионах цыплят.

Существует и пока еще до конца не понятый механизм, который определяет позиции клеток, располагающихся вдоль основной оси тела, то есть от него зависит, где разовьются шея, ребра, конечности и нижняя часть спины. Этот механизм активирует специальный набор генов, известных как гены Хокса, которые также были открыты во время исследований на дрозофилах. У дрозофилы набор этих генов отображается вдоль ее тела в той последовательности, в которой они отражены в хромосоме. Это — единственный известный пример пространственной взаимосвязи между порядком генов в хромосоме и их расположением в эмбрионе. У нас имеется четыре набора, в которые входят до тринадцати таких генов, называемых гомеотическими, — расположенные на четырех различных хромосомах, что объясняется удвоением первоначального набора в ходе эволюции, они тесно связаны между собой.

Наборы гомеотических генов отображаются на различных позициях вдоль оси нашего тела, идущей от головы к копчику, и определяют развитие тканей в различных локальных секторах — например, то, где вырастут ребра или где разовьются зачатки будущих конечностей. Так, например, ген Хокса А1 отображается в той части тела, которая относится к голове, а ген Хокса А13 — в нижней части нашего позвоночника.

Спинной мозг — это хороший пример морфогенезиса (изменения формы), в основе которого лежат механические процессы, способные восхитить любого инженера. Ткань, из которой в будущем разовьется головной и спинной мозг, выделяется на весьма ранней стадии нашего развития и представляет собой узкую полоску. Формирование трубки, из которой затем разовьется спинной мозг, похоже на складывание листка бумаги. Первой ступенью является образование борозды вдоль срединной линии, в результате чего области ткани, располагающиеся по обеим сторонам от борозды, поднимаются вверх, двигаются в направлении срединной линии, встречаются и соединяются. В результате образуется трубка, состоящая из всего лишь одного слоя клеток и пустая внутри.

За все изменения формы отвечает программа, заложенная в клетках, образующих полоску. Формирование первоначальной борозды вызывается клетками, располагающимися на срединной линии. Они приобретают клинообразную форму — возможно, из-за сжатия клеток, находящихся под оболочкой трубки.

После соединения краев полоски и образования трубки трубка отделяется от окружающей ее ткани. Это становится возможным в результате изменения молекул, располагающихся на клеточных оболочках, которые ранее способствовали соединению и сцеплению клеток, а теперь не препятствуют их разъединению. Обретя самостоятельность, трубка превращается в сплошной стержень, но затем клетки в сердцевине стержня начинают отмирать, в результате чего он вновь превращается в трубку. О развитии спинного мозга мы поговорим далее — в контексте развития всей нервной системы.

Наше лицо в основном образуется группой клеток, принадлежащих к нервному гребешку. Первоначально они обладают способностью превращаться в различные типы клеток и, таким образом, являются мультипотентными клетками. Но позже, начав миграцию, они дифференцируются на клетки различных типов (мой большой нос также обязан своим происхождением нервному гребешку). Путь, проделываемый этими клетками в ходе миграции, определяется клетками, поверх которых они движутся, — движение зависит от выделений, испускаемых нижним слоем клеток. Эти выделения могут как увеличить, так и уменьшить сцепление между клетками и, следовательно, затруднить или ускорить их перемещение. Кроме того, на скорость и направление движения влияет выпячивание клеточной оболочки в нижнем слое.

По мере миграции способность клеток к мультипотенции уменьшается. Причина этого в сигналах, получаемых ими от слоя, над которым они движутся. Эти сигналы направляют их в совершенно определенные места, и то, в какой тип клеток они разовьются, зависит от места, в котором они в конце концов окажутся. Когда клетки прибывают в пункт назначения, они получают сигналы, благодаря которым начинается активация одних и подавление других генов, отвечающих за превращение этих клеток. Что же до числа сигналов, которыми обмениваются клетки, то оно очень велико, и все эти сигналы так или иначе связаны между собой — как правило, каждый следующий сигнал клетки модифицируется на основе информации, пришедшей с предыдущим сигналом. Все это вместе составляет весьма сложную, постоянно меняющуюся картину. Правда, надо иметь в виду, что изменения происходят в заданных рамках.

Наша сосудистая система — это первое, что развивается в эмбрионе. Сердце, вены, артерии и другие сосуды формируются из одних и тех же клеток. Эти клетки, соединяясь, образуют трубки, и один из концов каждой трубки становится центром роста, где клетки размножаются. Клетки, находящиеся на кончике сосуда, имеют длинные сокращающиеся отростки, которые вытягиваются вперед и направляют рост сосуда. При этом они чутко реагируют на сигналы от клеток той ткани, через которую сосуд прорастает.

Трубки, из которых образуются сосуды, уже на самой ранней стадии, еще до того, как они начинают расти, имеют характерные признаки либо артерий, либо вен, однако в процессе развития эти особенности могут исчезнуть. Во время развития сосудов у них появляются многочисленные отростки, на возникновение и направление движения которых опять-таки влияют сигналы, получаемые от локальных групп клеток. Поскольку функция сосудов заключается в том, чтобы доставлять кровь в различные части тела, сигналы им посылают именно те клетки, которые строят органы, нуждающиеся в притоке крови.

Процесс дифференциации, в результате которого образуется множество разных типов клеток, определяется изменениями в поведении генов и процессами синтеза различных белков. Транскрипция гена определяется белковыми транскрипционными факторами, которые связываются с контрольными зонами. В клетках человека существует около 3000 различных транскрипционных факторов, но не все они вовлечены в деятельность по контролю за развитием тканей — некоторые отвечают лишь за контроль над генами, которые необходимы для поддержания обычной жизнедеятельности клетки. При этом многие гены активируются любыми из множества транскрипционных факторов, однако есть и такие, для активации которых нужны совершенно определенные факторы.

Красные кровяные тельца не обладают ни ядром, ни митохондриями. Они наполнены белком гемоглобином, который окрашивает их в красный цвет. Именно гемоглобин, с одной стороны, захватывает кислород в наших легких и снабжает им клетки, а с другой — забирает из клеток двуокись углерода и переносит ее в легкие.

Наш гемоглобин состоит из белковой части — глобина и небелковой — железосодержащего гема, причем молекула гема встроена в каждую цепь глобина. Содержащийся в геме атом железа и связывает кислород. Каждая молекула гемоглобина содержит две цепи альфа-глобина и две бета-глобина, которые кодируются генами, находящимися на различных хромосомах. Цепи альфа-глобина и бета-глобина создаются на разных этапах развития эмбриона, поскольку они с разной степенью силы связывают кислород. Связано это с тем, что потребность в кислороде на разных этапах развития не одинакова.

7. Как мы воспроизводим себя

Как работает механизм мейоза

Яйцеклетки и сперматозоиды — это настоящие короли и королевы клеточного сообщества. Лишь их потомство остается жить тогда, когда все остальные миллиарды клеток погибают. По сути, единственная роль всех этих миллиардов клеток заключается в том, чтобы обеспечить встречу яйцеклетки и сперматозоида.

То, как эволюция пришла к воспроизводству на сексуальной основе, а не на самооплодотворении самой яйцеклетки, — весьма сложная история. Но почему так случилось — понятно. Сексуальный механизм воспроизводства обеспечивает, во-первых, возможность большего генетического разнообразия, а во-вторых, возможность избавления от нежелательных генов. Самый простой способ избавиться от никчемных генов — поступать так, как это делают самки многих позвоночных, которые отказывают самцам с какими-либо изъянами. В известном смысле так же поступают женщины, выбирая одного мужчину и отвергая другого.

Яйцеклетки — это единственные клетки животных, из которых способна развиться целая взрослая особь. Развитие человеческой яйцеклетки инициируется за счет оплодотворения ее сперматозоидом, в результате чего она получает второй набор генов. Схема развития и форма сперматозоида и яйцеклетки весьма различны, однако для оплодотворения нужны они оба, ибо самостоятельно яйцеклетка развиваться не будет. Вместе они передадут по наследству следующему поколению особенности человеческой внешности и строения тела — от цвета глаз до длины носа. Я, признаться, испытываю благоговение перед тем фактом, что мы происходим от одной крохотной яйцеклетки. В этой связи важно знать и понимать, где и как она развивается. Так как же появляются яйцеклетки и сперматозоиды?

Область тела, в которой зарождаются яйцеклетки и сперматозоиды, можно выявить на стадии гаструляции. Образовавшись, эти клетки мигрируют в будущие области человеческих гениталий — в область яичника и яичек. По мере продвижения будущие яйцеклетки делятся и понемногу увеличивают свою численность; более того, они продолжают делать это еще некоторое время после того, как достигают яичника. Затем они перестают делиться, и с этого момента никакого увеличения числа яйцеклеток больше не происходит. Число их равняется примерно шести миллионам. В этих клетках содержится по 23 материнских и по 23 отцовских хромосом.

После этого начинается мейоз, в ходе которого происходит не только сокращение ровно наполовину числа хромосом в яйцеклетках, но и тесное взаимодействие и перемешивание хромосом. Мужские и женские хромосомы перемешивают отцовские и материнские гены, рекомбинируют их по-новому — так образуются новые и отличные от прежних хромосомы.

Во время мейоза будущая яйцеклетка делится дважды, однако при этом хромосомы удваиваются всего один раз и число их сокращается наполовину. Первоначальное число хромосом восстанавливается впоследствии при оплодотворении яйцеклетки за счет проникновения в нее сперматозоида.

Первым шагом на пути к сокращению числа хромосом в ходе мейоза является их удвоение — хромосомы дублируются так, как это происходит во время нормального процесса митоза при обычном делении клетки. При этом удвоенные хромосомы сохраняют связь друг с другом. А затем каждая пара отцовских хромосом находит точно такую же пару материнских хромосом, и эти пары хромосом также связываются. После этого происходит обмен сходными областями между отцовскими и материнскими хромосомами, в результате чего некоторые наборы генов матери оказываются на хромосомах отца, и наоборот. Затем следуют еще два деления клеток без дальнейшего увеличения числа хромосом, в результате чего образуется 4 яйцеклетки с генетическим набором из всего лишь 23 хромосом, которые при этом перемешаны так, что каждая из четырех яйцеклеток имеет различные наборы генов. Это обеспечивает практически безграничное генетическое разнообразие.

Яйцеклетки в яичнике проходят первую стадию мейоза, но больше уже никогда не размножаются, так что общее число возможных яйцеклеток — около шести миллионов — предопределено при рождении девочки. Однако к тому времени, когда девочка достигает половой зрелости, из них остаются в сохранности, избегнув разрушения и деградации, лишь около 40 тысяч. Каждая яйцеклетка способна после оплодотворения развиться в новорожденного ребенка. По достижении половой зрелости яйцеклетки вырастают в размерах в тысячу раз, и мейоз при этом продолжается.

Развитие сперматозоидов не включает мейоза на эмбриональной стадии. Он начинается позже в яичках половозрелого мужчины. Но перемешивание и замещение генов в хромосомах сперматозоидов происходит. В отличие от яйцеклеток, сперматозоиды образуются на протяжении всей жизни мужчины.

В ходе развития как яйцеклеток, так и сперматозоидов конечный набор и состояние их генов должны стать такими, чтобы они могли породить все клетки нашего тела. Отдельные гены, как яйцеклеток, так и сперматозоидов, в дальнейшем, однако, могут и не понадобиться. Они специально деактивируются в ходе процесса, известного под названием «импринтинг». Осуществляется импринтинг за счет добавления особой метиловой группы к необходимым областям ДНК, в результате чего блокируется транскрипция соответствующего гена. У млекопитающих удалось идентифицировать около 70 генов, заблокированных в результате импринтинга, однако ученые установили функции лишь некоторых из них.

Самый ясный пример относится к росту эмбриона: ген, кодирующий фактор роста, блокируется в хромосоме яйцеклетки, но сохраняется в сперматозоиде. С эволюционной точки зрения это объясняется тем, что существует противоречие интересов отца и матери относительно стратегии воспроизводства. Отец стремится к максимальному росту своего потомства, в то время как мать заинтересована в более-менее равномерном распределении своих ресурсов между всеми рожденными ею особями и поэтому хочет, чтобы рост каждого ее эмбриона был разумным, но не чрезмерным; поэтому в яйцеклетке деактивируется ген, кодирующий фактор роста.

С эффектом геномного импринтинга связаны различные генетические болезни и нарушения у человека. В их число входят синдром Прадера-Уилли, который характеризуется чрезмерным вниманием к приему пищи и трудностями в обучении, и синдром Ангельмана, который приводит к задержкам умственного развития, ненормальной походке, дефектам речи, припадкам и неоправданно приподнятому состоянию с частыми приступами беспричинного смеха. Гены, вызывающие эти болезни, располагаются на 15-й хромосоме. Они подвергнуты импринтингу в материнской хромосоме и соответственно должны иметься на отцовской хромосоме, чтобы у ребенка было нормальное развитие. Однако если эти гены отсутствуют и в отцовской хромосоме, то у ребенка неизбежно разовьется синдром Прадера-Уилли. Если же повреждена материнская 15-я хромосома, то это вызовет синдром Ангельмана.

Развитие яйцеклетки начинается с ее оплодотворения, когда с ней соединяется сперматозоид. В ходе полового сношения в женское влагалище выбрасывается около 300 миллионов сперматозоидов, однако до яйцеклетки, которая ждет оплодотворения, добирается в конечном итоге меньше тысячи из них. Правда, эти сперматозоиды способны сохранять свою жизнеспособность на протяжении еще трех суток.

Сперматозоид направляется к яйцеклетке, совершая колебательные движения своим хвостом, однако лишь один из тысячи сперматозоидов, стремящихся к яйцеклетке, в действительности имеет шанс соединиться с ней, пробившись сквозь ее защитную оболочку. Как только один сперматозоид сливается с яйцеклеткой и происходит ее оплодотворение, доступ для всех других сперматозоидов к этой яйцеклетке блокируется. Оплодотворение вызывает выброс кальция, что активирует энзим, который добавляет к белкам фосфатные группы и инициирует развитие яйцеклетки. Она начинает делиться и завершает процесс мейоза, произведя крошечную дочернюю клетку, которая затем распадается.

Для родителей, у которых возникают проблемы с оплодотворением и зачатием, сейчас существует возможность оплодотворить яйцеклетку искусственно, вне организма матери, и затем поместить ее в материнский организм — то есть совершить то, что называется экстракорполярным оплодотворением. Для совершения этой процедуры в организме матери с помощью гормонов инициируется созревание яйцеклеток. Затем они извлекаются из яичника и помещаются в искусственную питательную среду в пробирке. Туда добавляются сперматозоиды, и происходит оплодотворение, после чего оплодотворенная яйцеклетка помещается в матку матери. Если существует проблема с наличием сперматозоидов и для искусственного оплодотворения их недостаточно, то возможно оплодотворить яйцеклетку, введя непосредственно в нее один-единственный здоровый сперматозоид.

При оплодотворении в яйцеклетку обычно проникает лишь один сперматозоид, и примерно 12 часов спустя 23 материнские хромосомы соединяются с 23 отцовскими хромосомами. В результате мы получаем оплодотворенную яйцеклетку с полным набором хромосом, которая, если все и далее пойдет хорошо, способна развиться в целого человека. С этого момента начинается процесс деления клеток.

Наш пол определяется тем, какие половые хромосомы предоставляет при оплодотворении сперматозоид. Существуют две хромосомы, связанные с половой принадлежностью человека, — хромосомы X и Y. У мужчин имеются они обе, их сочетание обозначается как XY; у женщин есть две хромосомы X, обозначаемые обычно как XX. В ходе развития сперматозоидов происходит процесс мейоза, в результате которого число хромосом уменьшается наполовину, и поэтому одна половина сперматозоидов несет хромосому X, а другая — хромосому Y. У каждой яйцеклетки есть хромосома X. Если в яйцеклетку во время оплодотворения проникает сперматозоид с хромосомой X, то эмбрион получает хромосомный набор эмбриона XX и обретает женский пол. Если же в яйцеклетку проникает сперматозоид с хромосомой Y, то рождается ребенок мужского пола. В случае, если хромосомный набор оплодотворенной яйцеклетки представляет собой XXY или одну лишь X, то происходит ненормальное половое развитие. Таким образом, кто родится — мальчик или девочка, — зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку.

Хромосома Y приводит к развитию эмбриона мужского пола, поскольку она содержит ген, который кодирует белок, приводящий к развитию у эмбриона яичек и производству мужского гормона тестостерона, в силу чего возникают половые различия, характерные для мужчин и женщин. На ранней стадии развития разница между мужскими и женскими эмбрионами неразличима. Изначально все эмбрионы имеют женские признаки. Но когда в дело вступает производимый яичками гормон тестостерон, начинается развитие мужских признаков и ряду органов тела придается мужская форма. Воздействие тестостерона ведет к развитию пениса, а не клитора в области гениталий, хотя на самой ранней стадии нет никакого различия в структуре и строении ткани, из которой в будущем разовьются либо пенис, либо клитор. Тестостерон также предотвращает заметный рост груди у мужчин и оказывает воздействие на развитие головного мозга. Если мужчина невосприимчив к воздействию тестостерона, он, хотя и имея яички, будет выглядеть, как женщина.

Эмбрион, имеющий хромосомный набор XX и запрограммированный к тому, чтобы превратиться в женщину, изначально имеет двойное количество генов X по сравнению с мужским эмбрионом, обладающим хромосомным набором XY. Это необходимо скорректировать, поскольку на хромосоме X должно проявляться одинаковое число генов как у женщин, так и у мужчин. У человека, подобно другим млекопитающим, эта диспропорция корректируется путем случайной деактивации одной из хромосом X в каждой клетке женского эмбриона на ранней стадии развития. Этот процесс приводит к тому, что в клетках по всему телу содержится одинаковое число хромосом X, заимствованных у отца и у матери. В тех же случаях, когда число либо поведение половых хромосом не соответствуют норме, происходят отклонения от нормального развития.

Изучение развития яйцеклеток и сперматозоидов показывает, почему невозможно унаследовать приобретаемые людьми во время их жизни качества — такие, как знания, воспоминания или способности. В самом деле, как могут способности, которые в основном развиваются в нашем мозгу, быть переданными яйцеклетке или сперматозоиду? Это опрокидывает теорию, выдвинутую в начале девятнадцатого столетия Жаном-Батистом Ламарком, который утверждал обратное. Впрочем, передача по наследству характерных особенностей поведения возможна, но эти особенности должны быть обусловлены физиологией, связанной с генетической информацией.

Насколько обратимы и пластичны изменения в поведении клеток и генов в процессе развития? Прежде считалось, что гены, которые функционируют на ранних стадиях развития, позже «теряются». Эксперимент, который был призван подтвердить потерю генов и дать ответ на вопрос, можно ли изменить модель активности генов во взрослой клетке, поставили на клонированных объектах. Он включал в себя введение ядра клетки, подвергнувшейся дифференциации, в яйцеклетку, собственное ядро которой было удалено. Это делалось для того, чтобы увидеть, сможет ли яйцеклетка после этого нормально развиваться. Для эксперимента использовались лягушки, поскольку ядра их яйцеклеток находятся сразу под оболочкой и могут быть легко уничтожены при помощи радиоактивного облучения. После этого в яйцеклетку, лишившуюся ядра, вводили ядро клетки лягушачьего кишечника. Получившаяся в результате этого яйцеклетка проходила все ранние стадии развития, вплоть до фазы превращения в головастика. В клетке после дифференциации не терялись никакие гены. Введение ядер от других клеток, подвергшихся дифференциации, таких, как клетки кожи, приводило к аналогичному развитию, и это ясно показывало, что модель активности генов в клетках, подвергшихся дифференциации, может быть изменена и возвращена к той, которая существовала в ядре яйцеклетки. Более того, по своей генетической конституции образовавшийся головастик был идентичен тому экземпляру лягушки, от которой была взята клетка, подвергшаяся дифференциации. Эта клетка породила сообщество генетически идентичных клеток — это и есть то, что подразумевается под термином «клонирование».

Большая часть клонов, которые произошли от яйцеклетки лягушки, не смогли развиться далее стадии головастика — по причинам, которые исследователи понять не сумели. Однако если ядро бралось из клетки эмбриона лягушки на ранней стадии развития, то из такой клетки вырастали нормальные взрослые особи лягушек.

С млекопитающими — такими, как мыши и овцы, — ситуация сложнее. Овечка Долли прославилась, став первым млекопитающим, которое было клонировано из взрослой клетки, взятой из овечьего вымени, однако Долли умерла молодой, и ее короткая жизнь была полна проблем со здоровьем. Сотням эмбрионов, на которых проводились другие эксперименты по клонированию, так и не удалось превратиться в полноценных особей. У многих клонированных таким образом животных наблюдаются различные аномалии развития, например деформация конечностей; их часто подстерегает преждевременная смерть. В клонированных мышах не менее 5 процентов генов проявляются неправильно.

С другой стороны, нельзя сказать, что клонирование связано исключительно с неудачами. Уже то, что исследователи смогли не только клонировать мышей, коров и овец и вырастить из клонированных экземпляров взрослых животных, следует признать несомненным успехом. Удалось даже клонировать мышей, используя ядра, взятые из нервных клеток мозга. Впрочем, в большинстве случаев использование ядер, взятых из нервных клеток, приводило к прекращению развития эмбриона на ранней стадии.

Не существует достоверных данных об успешном клонировании приматов, однако их клонированные эмбрионы в лабораториях создавались. Все это указывает на то, что мы близки к клонированию человека, а это крайне опасное предприятие, поскольку получившийся в результате ребенок наверняка будет страдать различными отклонениями от нормы. Поэтому вполне правильной кажется идея запретить клонирование человека, причем сделать это не только по этическим соображениям, но прежде всего исходя из задачи сохранения здоровья людей.

Но почему все-таки возникает стремление получить человеческие клоны? Дело в том, что у кого-то появляется желание создать точную копию самих себя, или своего ребенка, или какой-то известной личности. При этом почему-то не учитывается, что клонированный человек, даже если он и является точной генетической копией донора ДНК, все равно будет отличаться характером, который определяется воспитанием, полученным в процессе взросления, тут, однако, следует оговориться, что клонирование, которое ограничивается созданием эмбрионов, скорее всего, окажется полезным для целей восстановительной медицины, поскольку получившиеся клетки пригодятся для лечения пациента с поврежденными тканями — они не вызовут у него реакции отторжения.

С самого начала идея клонирования человека сталкивалась с сильнейшими возражениями этического порядка. Раздаются требования ввести универсальный международный запрет на клонирование и более того — наказывать тех, кто его нарушит, как за тяжкое уголовное преступление. С осуждением идеи клонирования выступили многие деятели науки и культуры, а также руководители ряда государств.

Опасения ими высказываются самые разные, в том числе и весьма экзотические. Одно из них предостерегает от клонирования на том основании, что оно неминуемо приведет к созданию клонов профессиональных преступников. Другое сводится к тому, что клонированный ребенок будет морально страдать от своей генетической идентичности донору ядра клетки, на основе которой произведено его клонирование; дескать, его постоянно будут сравнивать с донором, а это создаст нагрузку на психику.

Против клонирования выступают и религиозные деятели, поскольку ставят знак равенства между эмбрионом и человеческой личностью. Однако в свете знаний о том, какой гигантской активности множества клеток требует наше развитие, разумно ли заявлять, что оплодотворенная яйцеклетка уже является человеком и что к ней надо относиться, как к человеку? Признаться, довольно трудно заставить себя относиться к одной-единственной клетке, как к человеческому существу, особенно если знать, какой путь ей предстоит пройти, чтобы примерно через девять месяцев из нее получился человек.

Я готов спорить с каждым, кто попытается доказать мне, что клонирование человека приведет к проблемам этического порядка. То, что какой-то индивид будет похож на человека-донора, не может являться основанием для серьезного беспокойства, поскольку многие дети и так похожи на своих родителей. А кроме того, мы знаем немало родителей, предъявляющих неоправданно высокие ожидания к своим детям. Стоит также отметить, что многие дети сейчас рождаются благодаря оплодотворению спермой доноров, которые не являются членами семьи. В общем, я считаю, что запрет на клонирование людей может быть продиктован только вероятностью появления детей с отклонениями в развитии, но никак не этическими соображениями.

В будущем, может быть, научатся изменять генетическую составляющую яйцеклетки таким образом, что у появившегося в результате этого на свет ребенка разовьются особые способности — скажем, высокий интеллект или склонность к спортивным достижениям. С подобным развитием событий действительно могут быть связаны этические проблемы, а также опасность, что вмешательство окажет непредвиденное негативное воздействие на ребенка. Яйцеклетки и эмбрионы — это чрезвычайно сложные образования, и мы еще не понимаем их сущность в достаточной степени, чтобы брать на себя ответственность за будущие жизни.

Пользующийся большим авторитетом врач Льюис Томас в своей книге «Медуза и улитка» назвал чудом момент, когда одна клетка сперматозоида соединяется с одной яйцеклеткой для того, чтобы появилась одна новая клетка под названием зигота, которая девять месяцев спустя превратится в новорожденного человека. Описание этого процесса Льюис Томас заключил такими словами: «Само существование этой клетки — одно из величайших чудес на Земле».

8. Как мы двигаемся, думаем и чувствуем

Как сообщаются друг с другом нервные клетки

Серая, мягкая, комковатая масса, которую представляет собой человеческий мозг, совершенно справедливо считается самым сложным образованием во Вселенной. В нашем мозгу содержится около 100 миллиардов нервных клеток, которые также называют нейронами, и еще большее число клеток, которые обеспечивают их деятельность. То, что вся эта масса клеток позволяет нам мыслить и чувствовать, представляется почти невероятным. Все, что мы делаем, определяется этим невообразимо сложным сообществом нервных клеток. Однако для нас по-прежнему во многом загадка то, как именно они сообщаются друг с другом, чтобы мы могли думать и испытывать ощущения, сознавать, что мы делаем, или хотя бы идти и одновременно думать о чем-то.

Любые наши действия осуществляются благодаря сигналам, которыми обмениваются друг с другом нервные клетки. Длинные отростки нервных клеток часто собираются вместе в общие пучки. Каждый такой пучок в просторечии называется нервом — он может достигать относительно большого размера. В дополнение к собственно нервным клеткам в нашем мозгу есть немало клеток, известных под названием глиальных. Их функция заключается не в передаче сигналов, а в обеспечении изоляции нервных волокон, в питании нервных клеток и удалении отходов их жизнедеятельности.

Нервные клетки сообщаются друг с другом, а также посылают сигналы через длинные нервные окончания, которые заставляют наши мускулы сокращаться. Одной из основных функций нашего мозга и причиной его возникновения с эволюционной точки зрения является контроль за сокращением наших мускулов. Благодаря этому мозговому контролю мы и способны двигаться.

С учетом неимоверной сложности всех нервных соединений в мозгу неизбежно встает вопрос: каким образом создаются все эти связи и соединения в период формирования мозга? Хорошим вопросом является и то, насколько глубоко определяются уникальные отличия одних нервов от других в ходе развития эмбриона. На самом деле различные комбинации из всего 37 генов могли бы в принципе определить уникальный характер каждого из миллиардов нервов в мозгу. Однако каким именно образом это гигантское сообщество нервных клеток, сообщаясь друг с другом, способно породить наши мысли, эмоции, движения и само сознание, до сих пор остается загадкой.

Главная обязанность нервных клеток — быстро передавать сигналы другим клеткам, в первую очередь — соседним нервным клеткам и клеткам мускулов. Весьма важны нервы, которые переносят информацию из различных частей тела в мозг, благодаря чему мы чувствуем то, что происходит вокруг нас. Другие нервы позволяют нам осязать, ощущать боль (и, значит, помогают устранить болезнь — причину боли), видеть, различать запахи и температуру окружающей среды, — словом, они поставляют нам самую разнообразную информацию.

Каждая нервная клетка имеет область, в которой находится ее ядро с генами и митохондриями. В этой области происходит синтез белков, и от нее отходят длинные тонкие ответвления. Одно из таких ответвлений, особенно длинное, — так называемый аксон, который передает сигналы другим нервным клеткам и расположенным на значительном удалении мускулам. Аксоны, отходящие от нервных клеток, часто связаны в пучки — нервы. Аксон, будучи лишь одну сотую миллиметра в диаметре, может достигать одного метра в длину. Таковы аксоны, идущие от спинного мозга к мускулам рук и ног. На конце аксон может разветвляться, и таким образом сигнал от него поступает одновременно сразу нескольким нервам и мускулам. Волокна аксонов окружены оболочкой из особых изолирующих клеток, которые позволяют сигналу быстрее проходить через нерв. Утрата изолирующих клеток приводит к рассеянному склерозу.

Из области нервной клетки, где расположено ее ядро, исходит также множество более мелких отростков, называемых дендритами; именно они принимают сигналы от других нервов. В человеческом мозгу одна нервная клетка может иметь до 100 тысяч дендритов. Зона контакта двух нервных клеток называется синапсом — и таких зон у каждой клетки от 5 до 299 тысяч. Многочисленные связи и соединения огромного количества различных нервных клеток делают наш мозг чрезвычайно сложной структурой. Чтобы окончательно понять, каким именно образом он функционирует, ученым еще потребуется провести гигантское число исследований и, наверное, огромное время.

Все нервные клетки передают сигналы по своим аксонам и дендритам одним и тем же способом — с помощью ионов натрия, генерирующих электрический заряд. Из нервной клетки, находящейся в спокойном состоянии, ионы выводятся постоянно. Если же на оболочку клетки воздействует импульс, приходящий от другой клетки, то ионы, наоборот, возвращаются в нее через открывшиеся поры. Однако нервная клетка никогда не бывает в восторге от поступления в нее дополнительных ионов натрия, и поэтому поры в оболочке быстро закрываются, а ионы начинают откачиваться обратно во внешнюю среду. Все это раз за разом вызывает изменения электрического потенциала внутри нервной клетки и оказывает ключевое воздействие на ее функционирование.

В прохождении электрического заряда, который называют потенциалом действия, по аксону и заключается механизм передачи сигнала нервной клеткой. Сам сигнал обычно именуют нервным импульсом. И прямо в эту секунду по миллиардам ваших нервных клеток передаются миллиарды нервных импульсов.

Когда нервный импульс достигает конца аксона, то он — в том случае, если здесь, в районе конца аксона, расположена другая нервная клетка, — доходит до синапса. Здесь, между концом аксона и оболочкой принимающей сигнал клетки, есть разрыв, через который электрический сигнал не может пройти. Чтобы преодолеть это препятствие, выбрасывается небольшое количества химических веществ — нейротрансмиттеров, которые создают «мост» между синапсом и оболочкой принимающей сигнал клетки и связываются с расположенными на этой оболочке рецепторами.

Такие нейротрансмиттеры, как адреналин, допамин и серотонин, изменяют электрический потенциал клетки, принявшей сигнал, и тем самым побуждают ее передать его дальше. Таким образом электрический импульс преобразуется в химический сигнал, который затем вновь преобразуется в электрический импульс.

Подобные события в области синапсов — это основа взаимодействия нервных клеток в нашем мозгу. Одна нервная клетка, как уже говорилось, может иметь тысячи синапсов, благодаря которым она связана с другими нервными клетками, и все вместе они определяют, станет ли эта нервная клетка источником нервного импульса и будет ли она передавать его дальше.

Сходным образом передаются сигналы мускульным клеткам, что вызывает сокращения скелетных мускулов и приводит к движениям наших тел. Мускульные клетки могут быть чрезвычайно большими, если сравнивать их размеры с размерами других клеток; они имеют волокнистую структуру и достигают в длину нескольких сантиметров. Это не совсем обычные клетки — они представляют собой соединение множества клеток, слившихся вместе, и поэтому имеют много ядер. Впрочем, есть и другие мускульные клетки — например, мышечные клетки сердца — одноядерные и небольшие по своим размерам. Однако все мускульные клетки, какими бы они ни были, сокращаются благодаря тому, что содержащиеся в них белки актин и миозин скользят относительно друг друга. Инициирует сокращение особое химическое вещество, которое выбрасывается в расположенном на конце мускульного нерва особом месте, подобном синапсу. Выброс этого химического вещества вызывает, по цепочке, изменение электрического заряда в оболочке мускульной клетки, высвобождение в клетке ионов кальция, изменение состояния миозина, вследствие чего он взаимодействует с актином, — и, наконец, происходит сокращение мышц.

Мой коллега Джеффри Бернсток поставил перед собой задачу узнать, как нервы вызывают непроизвольные сокращения гладкой мускулатуры — например, мускулатуры стенок кишечника. Считалось, что этот процесс сходен с процессом произвольных сокращений обычной мускулатуры, тех же мышц рук и ног, — нерв проводит электрический импульс, который вызывает выброс нейротрансмиттера, а тот связывается с оболочкой мускульной клетки и активирует ее. Бернсток разработал метод, с помощью которого он мог регистрировать электрическую активность гладкой мускулатуры, и обнаружил, что блокирование всех известных нейротрансмиттеров не мешало нервам активировать мускулатуру стенок кишечника. Значит, активировало ее что-то доселе неизвестное.

Чтобы определить это вещество, Бернсток проводил эксперимент за экспериментом и наконец сделал в 1970 году фундаментальное открытие: в роли нейротрансмиттера в данном случае выступает молекула АТФ, которую используют все клетки в качестве основного источника энергии. Лишь немногие ученые признали его открытие, большинство же исследователей подняло его на смех, однако время показало, что Бернсток прав. Ни много ни мало, но сделанное им открытие имеет важное значение для лечения целого ряда заболеваний, включая рак, цистит, мигрень.

Основная функция нервных клеток заключается в том, чтобы обработать информацию, поступающую как извне, так и изнутри нашего тела, и затем передать необходимые сигналы мускулам, с тем чтобы вызвать соответствующие моторные реакции. Все это осуществляется благодаря особым группам взаимосвязанных нервов, которые расположены в головном и спинном мозге. Ярким примером действия этих нервов является коленный рефлекс — когда доктор ударяет молоточком по сухожилию под коленной чашечкой, нога непроизвольно подпрыгивает вверх. Воздействие молоточка вызывает кратковременное напряжение разгибающих мышц ноги, что приводит к передаче соответствующего сигнала нервам, контролирующим сокращение этих мышц. Но одновременно поступают сигналы мышцам, которые должны противодействовать проявлению коленного рефлекса, — так что все не столь просто, как может показаться.

Взаимодействие между нервными клетками сложнее, нежели взаимодействие между нервными клетками и мышцами. С мышцами связан лишь один моторный нерв, и они получают лишь возбуждающие сигналы, которые варьируются по силе. Клетки же центральной нервной системы получают как возбуждающие, так и тормозящие сигналы. Одна нервная клетка в составе спинного мозга получает от других нервных клеток благодаря синапсам сотни и даже тысячи сигналов одновременно. И то, выдаст ли получающая эти сигналы нервная клетка необходимый нервный импульс, зависит от соотношения возбуждающих и тормозящих сигналов. Порой нервной клетке необходимо получить до пятидесяти возбуждающих сигналов для того, чтобы преодолеть тормозящий сигнал и выдать соответствующий импульс.

В нашей коже имеются сенсорные нервные окончания реагирующие на воздействие со стороны окружающей среды. Они воспринимают боль или, скажем, высокую температуру окружающей среды и передают соответствующие сигналы в наш мозг. Наиболее чувствительны подушечки наших пальцев. На прикосновения также реагируют клетки волос. Действие сенсорных нервных окончаний приводит к формированию в мозге человека своеобразной карты, точно отражающей, на какие именно участки кожи приходится воздействие, — ведь прикосновение к гениталиям возбуждает одну часть мозга, а прикосновение к языку — другую. Проводились эксперименты, когда при стимуляции различных зон мозга, отвечающих за формирование осязательных ощущений, испытуемые ощущали прикосновения к различным участкам тела. Тем самым удалось выявить области мозга, от которых зависит реакция на прикосновения к тем или иным частям тела.

Последующие исследования, в ходе которых регистрировалась активность отдельных клеток, выявили области мозга, отвечающие за температурные ощущения в различных частях тела. Благодаря нервным импульсам, которые передаются с поверхности кожи в мозг, мы можем ощутить нежный бриз и избегнуть ожога от контакта с раскаленным предметом. Мы способны ощущать температуры в диапазоне от минус десяти до плюс шестидесяти градусов. Различные клетки-сенсоры, находящиеся в коже, отвечают за передачу данных на нервные окончания. Механизм, позволяющий нам различать тепло и холод, работает благодаря тому, что в зависимости от температуры изменяются каналы прохождения ионов в этих клетках. При этом каждая группа клеток реагирует лишь на узкий диапазон температур. Они с постоянной частотой испускают нервные импульсы в том случае, если температура окружающей среды для них комфортна. Если же температура меняется, скорость передачи нервных импульсов замедляется или ускоряется.

Боль мы ощущаем благодаря рецепторам, которые реагируют на раздражители, потенциально способные нанести вред организму. Одни рецепторы реагируют на химические вещества, которые испускают поврежденные клетки, другие — непосредственно на неблагоприятное механическое воздействие или экстремальные температуры. Необходимость в болевых ощущениях очевидна — боль предупреждает нас о повреждениях, угрожающих телу. Чувство боли передается в мозг с помощью электрических импульсов, проходящих по специальным нервам, в оболочках которых имеются специальные каналы для ионов натрия; эти ионы, собственно, и сигнализируют мозгу о боли. Утрата или повреждение такого канала приводят к неспособности нервов посылать болевые сигналы в мозг, и это может стать фатальным для организма.

Известен случай, когда все члены одной семьи не ощущали боли. Исследования привели ученых к выводу о том, что у них у всех присутствовала мутация одного гена. Она препятствовала поступлению ионов натрия в нервные клетки, которые должны были реагировать на боль и передавать в мозг соответствующий нервный импульс.

Механизм, позволяющий нам видеть, основан на свойствах нашей сетчатки и состоит из двух фаз. Свет, поступающий в глаз, преобразуется в электрические импульсы клетками сетчатки, и эти импульсы передаются через глазные нервы в мозг. В нашей сетчатке представлены клетки-рецепторы двух видов — палочки и колбочки; они действуют соответственно либо ночью, либо днем. Один фотон света может вызвать электрический импульс в палочке, но не в колбочке, которая требует поступления большего количества света для того, чтобы этот импульс сгенерировать. Внешние области палочек и колбочек наполнены светопоглощающими пигментами (фотопигментами), прикрепленными к их оболочкам. Эти пигменты вызывают изменения электрического потенциала по разным сторонам клеточных оболочек, что порождает сигналы, идущие к нервам, связанным с оптическим нервом, в состав которого входят несколько миллионов аксонов. Эти аксоны особым образом связаны с той областью мозга, которая ведает зрением.

В основе цветного зрения лежат три типа колбочек, которые реагируют на свет с разной длиной волны, то есть на цвета. С каждым из этих трех типов связаны особые виды фотопигментов. Отсутствие либо неправильное функционирование колбочек приводит к цветовой слепоте.

Наша способность слышать и воспринимать как сложный музыкальный фрагмент, так и слова из обычного повседневного разговора зависит от слуховых рецепторов в ушах. Звуковые волны заставляют колебаться три мельчайшие косточки в среднем ухе, что, в свою очередь, приводит к колебаниям жидкости, заполняющей внутреннее ухо, и эта жидкость воздействует на тысячи находящихся там волосковых клеток, которые и превращают эти звуковые колебания в нервные импульсы. При этом каждая отдельная волосковая клетка наиболее чувствительна к звуковым колебаниям определенной частоты и реагирует лишь на них. В среднем частотные характеристики воспринимаемых звуковых колебаний двух соседних волосковых клеток отличаются на 0,2 процента. Для сравнения можно сказать, что частотные характеристики двух соседних струн фортепьяно отличаются на целых 6 процентов. Каждая волосковая клетка передает воспринимаемые ею колебания примерно десяти нервным клеткам. Затем вся поступающая информация обрабатывается мозгом. Утрата волосковых клеток либо их неправильное функционирование являются основной причиной потери слуха у человека.

Специалисты, работающие с духами, утверждают, что способны различать до 5 тысяч различных запахов. Клетки, расположенные в носу и во рту, передают эту информацию в мозг. В носу расположены особые нервные клетки с отростками, обращенными в полость носа, которые имеют на конце, как правило, около десяти ресничек. Другой конец этих нервных клеток соединен с нервными волокнами, которые посылают в мозг сигналы о запахах.

Реснички обонятельных клеток носа имеют рецепторы, способные выявлять запахи, — всего таких рецепторов около тысячи. Когда молекула запаха связывается с рецептором, это инициирует нервный импульс, который идет в мозг. Нервные клетки, которые опознают запахи, обновляются примерно на один процент в сутки. Они позволяют человеку распознавать до 10 тысяч различных запахов. А те, кто обладает особыми способностями на этот счет, различают до 50 тысяч запахов. В этой связи неудивительно, что около трех процентов наших генов обслуживают обонятельные клетки. Но все равно — собаки распознают запахи в десять раз лучше людей.

Вкус еды и питья определяется при помощи клеток, расположенных на языке и в ротовой полости. Дегустаторы способны различать более ста различных вкусов. Обычным же людям легче всего даются четыре основных вкуса: горький, соленый, кислый и сладкий. Нервные клетки, заведующие вкусом, отличаются от других нервных клеток тем, что живут очень недолго — они постоянно обновляются.

Почти все нервные клетки расположены в головном и спинном мозге. Как мы уже знаем, спинной мозг развивается из нервной трубки эмбриона; во время этого процесса часть клеток в трубке превращается в моторные нервы, которым предназначено доносить импульсы до мышц нашего тела, и сенсорные нервы, которые будут приносить информацию со всей поверхностности нашего тела. Те клетки, которым суждено сформировать нервы, возникают в результате деления стволовых клеток. Повторяющиеся циклы деления и миграция вновь образованных нервных клеток во время развития эмбриона приводят к формированию слоев нервов в спинном мозге.

В ходе дальнейшего формирования нервов определяется, куда они протянут свои аксоны и с какими клетками произойдет их соединение. Данные обстоятельства обусловливаются расположением клеток. Считается, например, что там, где высока концентрация нашего старого приятеля «Акустического ежа», развиваются моторные нервные клетки. Вероятно, расположенные вдоль оси нервной трубки клетки обмениваются информацией для того, чтобы обеспечить максимальную точность в выборе своих позиций. В результате одни моторные нервы протягивают свои аксоны к мышцам на внешней стороне конечностей, а другие — к мышцам на внутренней стороне.

Чтобы нервы смогли дотянуться до своих конечных целей во время развития эмбриона, крайне важна правильная ориентация растущего аксона. Еще на ранней стадии развития нервной клетки на кончике аксона формируется бугорок роста. Он направляет движение растущего аксона и тянет его за собой: подобно клетке, мигрирующей в пределах организма, он постоянно выбрасывает вперед тонкие, похожие на пальцы отростки; они прикрепляются к той поверхности, над которой движется бугорок роста, и затем сокращаются. Выбрасывание и последующее сокращение этих отростков тянет бугорок роста вместе с растущим аксоном вперед. Эти отростки ощупывают окружающую среду и определяют, в какую именно сторону следует направиться растущему аксону. Направление движения бугорка роста определяется молекулами, испускаемыми поверхностью тех клеток, над которыми он проходит. Одни молекулы «отталкивают» его, другие, наоборот, «притягивают».

Как иллюстрацию к сказанному можно рассмотреть то, как оптический нерв, исходящий из сетчатки глаза, устанавливает необходимые соединения с соответствующими долями головного мозга. Этот механизм изучен на примере лягушек, однако те же самые принципы задействованы и в человеческом организме. Светочувствительные клетки сетчатки активируют нервы, которые образуют оптический нерв, и нервы из правого глаза протягиваются в левое полушарие мозга, в то время как нервы из левого глаза устанавливают соединение с нервными клетками правого полушария. Существует абсолютно точное соответствие между отдельными областями сетчатки и соответствующими им зонами головного мозга. Во время экспериментов на лягушках в случае, если оптический нерв перерезали и глаз лягушки поворачивали на 180 градусов так, что он оказывался направленным вниз, аксоны вырастали вновь и устанавливали прежний контакт с соответствующими им зонами головного мозга. Однако в этом случае взгляд лягушки был «повернут» на 180 градусов: когда лягушка хотела схватить муху, она совершала движение головой в противоположном от нее направлении.

Механизм, позволяющий нервам правильно соединяться с другими нервами и с соответствующими клетками головного мозга, работает благодаря особым молекулам на поверхности оболочки бугорка роста и их взаимодействию с молекулами, находящимися на оболочках тех клеток, с которыми движущийся вперед бугорок роста вступает в контакт. В настоящее время исследователи полагают, что и аксоны оптического нерва, и клетки головного мозга имеют характерные для них позиционные значения, которые позволяют им устанавливать правильные контакты. Это позволяет бугорку роста оптического нерва при движении по поверхности клеток мозга выбирать соответствующую ему клетку, с которой устанавливается контакт через синапс. Когда же движущиеся вперед аксоны пытаются установить контакт с клеткой, которая им не предназначена, то происходит реакция отторжения и они вынуждены двигаться дальше.

В ходе развития нервной системы многие клетки погибают и отмирают. В районе формирования растущей конечности образуется до 20 тысяч моторных нервов, однако затем половина из них исчезает. Перспективы дальнейшего существования нервов зависят от того, установят они контакт с мышечными клетками или нет. И даже если им удастся установить такой контакт, то в конечном счете из всех нервов, установивших контакт с мышцей, выживет лишь один — он и станет рабочим. Нервы соревнуются друг с другом, чтобы сохранить себе жизнь, и в результате контакт с мышцей устанавливает самый сильный из них. Соответственно и передаваемый по нему нервный импульс будет самым сильным. То, что аксоны обязательно находят надлежащие мышечные клетки, наглядно иллюстрируется экспериментом, во время которого часть спинного мозга переворачивается нижней стороной вверх: хотя теперь аксоны входят в конечность совсем не там, где должны, они все равно находят соответствующие им мышцы.

Возвращаясь к головному мозгу, следует отметить одно поразительное обстоятельство: несмотря на различие тех функций, которые выполняют разные участки мозга, нервные клетки, из которых они состоят, в своей основе одинаковы. Одна зона мозга отличается от другой прежде всего количеством нервных клеток и тем, как они соединены друг с другом. Именно соединение клеток придает им особое качество и определяет чрезвычайно сложную структуру мозга. Кроме того, в любой, даже небольшой, размером с песчинку, области нашего мозга содержатся тысячи миллионов синапсов. А сколько всего таких «песчинок» содержится в нашем мозгу…

Нам вряд ли удастся когда-либо понять работу мозга, если мы не найдем какие-то новые подходы. Ведь сейчас мы даже толком не понимаем в принципе простые схемы взаимодействия нейронов. Что же тогда говорить о миллиардах синапсов, от которых зависит сама наша человеческая сущность? Этот механизм характеризуется сложностью, возведенной в высочайшую степень сложности.

Существуют две накладывающиеся друг на друга стадии, от которых зависит, как наши нервы будут взаимодействовать друг с другом — а значит, и то, как мы будем мыслить, учиться, чувствовать и запоминать. Первая стадия приходится на период эмбрионального развития и проходит в основном под контролем генов. Во время же второй стадии идет тонкая настройка системы, и основой ее служит приобретаемый человеком опыт. Наша память сохраняется в связанных друг с другом в мозгу сообществах нервных клеток, которые также отвечают за наши способности к обучению.

Как же мы запоминаем и как мы приобретаем опыт, то есть учимся? Суть этих явлений таится в нервных клетках, она все еще не до конца разгадана, однако ясно, что многие ответы коренятся в наших синапсах. Механизм обучения связан с уменьшением эффективности синаптической передачи импульсов от сенсорных нервов к моторным. Это хорошо показал эксперимент, проведенный, однако, не с участием людей, поскольку очень сложно проследить за изменениями в синаптических связях человека и других позвоночных (в них задействовано великое множество клеток). Героем этого эксперимента стал морской слизень аплизия. В ответ на касание жабр слизень смыкал их. Но с каждым разом жабры смыкались с меньшей силой. Это, как показало исследование, происходило вследствие уменьшения числа пузырьков-трансмиттеров, которые выбрасываются нервами в синапсах, что, в свою очередь, явилось следствием снижения синаптического потенциала в реагирующих нервах. Увеличение или уменьшение количества пузырьков-трансмиттеров, скорее всего, и является основой механизма действия так называемой «короткой памяти», базирующейся на взаимодействии сетей нервных клеток.

Долгосрочная же память основывается на активности генов и синтезе белков, которые устанавливают одни синаптические соединения и удаляют другие. В этих случаях могут также происходить изменения в синапсах, благодаря чему они передают больше либо меньше нервных импульсов.

Есть надежда, что изучение компьютерных соединений, которые имитируют соединения между нервными клетками, поможет ученым понять принципы поведения соединенных между собой нервных клеток в человеческом мозгу. Всмотревшись в компьютерные нейросети, мы, возможно, разберемся наконец в том, как работают наши мозги. Ведь искусственные нейросети отчасти ведут себя подобно нервным клеткам.

Концепция нейросетей основана на работах гениального математика Алана Туринга и других исследователей высшей нервной деятельности, которые пытались разработать принципиальную схему человеческого мозга на основе компьютерной модели. Уподобляемые нервным клеткам ячейки компьютерной сети могут быть либо активными, либо бездействующими. Каждая из них соединена с множеством других ячеек; причем все ячейки взаимно влияют одна на другую. Ключевым фактором во взаимодействии компонентов сети являются их соединения, которые проверяют силу импульсов, побуждающих к активизации, либо импульсов, требующих остановить действие. Это похоже на то, как если бы вы говорили «Давай» или «Прекрати» своему соседу громко либо тихо. Будет ли затем активирована ячейка, зависит от нее самой: ячейка анализирует все импульсы, проверяет их силу и принимает решение. Фундаментальное качество мест соединений отдельных компонентов сети, которые можно уподобить синапсам между нервными клетками, заключается в том, что оценка импульсов может меняться. Это определяет поведение сети и наделяет ее функцией обучения.

Различные исследования, в том числе и с применением компьютерных моделей, помогают понять, как разнообразные стимулы и возбудители, воздействующие на поверхность нашего тела, передаются в виде нервных импульсов в мозг и обрабатываются там.

Знания об этом нам следует дополнить знанием о том, как функционируют сложные нервные сети. Часть нашей памяти хранится в гиппокампе, отделе головного мозга, который содержит в себе объемную карту пространства, в котором мы движемся. Наше положение кодируется в виде импульсов, испускаемых отдельными клетками, — их называют пространственными. Когда мы находимся в каком-то конкретном положении, импульсы будет испускать только какая-то одна клетка. Если мы двинемся дальше, то импульсы испустит следующая, и так далее.

Часто высказывается мнение, будто наши действия определяются не генами и клетками, а свободным волеизъявлением. Подобные взгляды не вызывают у меня симпатии, поскольку они слишком далеки от реальности. Хотя я понимаю, как трудно людям смириться с тем, как много в их судьбе определяется фактором наследственности.

Тем, кто со мной не согласен, я просто советую задуматься о различиях между мужчинами и женщинами. Вряд ли кто-то способен предположить, что все различия между ними лежат в сфере культуры. Мы же уже знаем, что лишь в течение короткого времени после зачатия человеческий эмбрион нельзя отнести к мужскому или женскому полу. Но затем у эмбрионов мужского пола появляются яички, которые начинают выделять тестостерон. Этот гормон воздействует на клетки эмбриона, активирует многочисленные гены, и это приводит в конце концов к существенным отличиям мужчин от женщин.

Если вы сомневаетесь в том, что гены предопределяют криминальные наклонности, вам не стоит читать далее, ибо доказано, что преступления с применением насилия совершают в основном мужчины, а не женщины. Существуют данные о доминировании мужчин в математике; в то же время у женщин, в отличие от мужчин, способности к языкам и пространственному мышлению обнаруживаются сразу в обоих полушариях мозга. Представляется, что тяга и любовь к детям у женщин являются врожденными, в то время как у мужчин эти качества следует воспитывать. Между мозгом мужчин и женщин существуют определенные структурные различия, что объяснимо с точки зрения эволюции, поскольку в деле воспроизводства потомства мужчинам и женщинам объективно суждено играть разные роли. У мужчин не существует эквивалента женского менструального цикла и его психологических и физиологических последствий.

Почему же естественная мысль, что гены играют такую важную роль в нашем поведении, сталкивается со столь сильным сопротивлением? Вероятно, причиной этому стала так называемая стандартная социально-научная модель человеческого поведения, основой которой является убеждение в том, что наше поведение определяются культурой и что мы рождаемся с мозгом — по сути своей чистым листом. В противовес этой модели в настоящее время формируется другая, которая исходит из того, что именно биологические особенности определяют функционирование человеческого мозга, но которая в то же время вовсе не отрицает важность непосредственного опыта и культуры.

Мы рождаемся с намного более совершенным, нежели думали раньше, набором функций мозга, все из которых запрограммированы генами. Вскоре после рождения мы овладеваем умением определять причины и следствия явлений в окружающем нас материальном мире, а это и отличает нас от животных — без этого качества люди не стали бы изготавливать орудия труда. Наша способность говорить подразумевает наличие особого высокоспециализированного отдела мозга; наше влечение к противоположному полу также требует развития особых отделов мозга. Многим из нас присущ врожденный страх перед змеями, однако ни один младенец — не важно, сколько раз предупреждают, — не испытывает страха перед электрической розеткой.

Необходимо понять, как гены программируют развитие мозга, дабы наделить нас конкретными особенностями мышления. Знания об этом были бы очень полезны. Если бы мы выяснили биологическую подоплеку криминальных наклонностей, появилась бы возможность предотвратить многие преступления. Если бы удалось выявить генетическую основу гомосексуальности, то это хотя бы уменьшило, по крайней мере у некоторых, ощущение родительской вины, а кое-кто смог бы сэкономить на оплате услуг психоаналитиков.

Главная нерешенная проблема в отношении нашего мозга — как он порождает сознание, как мы осознаем самих себя и свои чувства. Как, с помощью какого механизма клетки заставляют нас испытывать радость или горе? Эта загадка ждет ответа.

9. Как мы растем и почему мы стареем

Как клетки размножаются, растут и приходят в упадок

Подобно большинству других животных, мы рождаемся очень маленькими и затем растем. Причем рост начинается уже во время нашего эмбрионального развития. Хотя эмбрион и слишком мал по сравнению со взрослой особью, в которую ему предстоит превратиться, основные принципы строения нашего тела закладываются именно на эмбриональной стадии развития. Схема будущего тела человека в целом сформирована уже тогда, когда конечности и главные органы достигают всего лишь нескольких миллиметров в длину.

Части тела новорожденного ребенка вырастут в дальнейшем в разной степени, пропорции его тела изменятся, и, например, голова перестанет казаться такой уж большой относительно туловища. Рост каждой части тела в значительной степени программируется в клетках эмбриона на ранней стадии развития.

Человекообразные черты на стадии эмбрионального развития мы начинаем приобретать, когда эмбрион достигает 1,5 сантиметра в длину. В момент появления на свет наша длина составляет уже около 50 сантиметров. Затем мы вырастаем примерно до 180 сантиметров — при этом рост зависит от половой принадлежности. Расти человек перестает после достижения стадии половой зрелости.

Основной способ роста — это, разумеется, размножение клеток. Но важную роль играет также увеличение размеров самих клеток. Вспомним хотя бы, как увеличиваются нервные клетки и их отростки: после того как нервная клетка сформирована, она уже никогда больше не делится, однако она может очень серьезно вырасти. Точно так же никогда больше не делятся и клетки мышц, однако они увеличиваются в размерах и объединяются со специальными клетками, подобными стволовым, и все это для того, чтобы создавать более крупные мышцы. Третий способ роста — увеличение пространства между клетками, как это происходит с хрящами и костями.

Во всех случаях рост клеток и увеличение отдельных органов сопровождаются значительной гибелью клеток.

В определении степени роста клеток и их конечного размера важную роль играют как внутриклеточные механизмы контроля, так и получаемые клетками извне разнообразные сигналы. Роль внутриклеточных механизмов контроля хорошо демонстрирует пример развития селезенки. Если в эмбрион мыши на ранней стадии развития поместить несколько эмбриональных зачатков селезенки, то каждая селезенка будет в результате намного меньше нормальной. Общая же величина этих нескольких селезенок будет равняться величине одной нормальной селезенки. Это означает, что существуют постоянно циркулирующие по организму молекулы-ингибиторы, которые определяют, насколько большой вырастет селезенка. Подобные молекулы — факторы ограничения роста — могут вырабатываться и выбрасываться в организм самой селезенкой. Они будут замедлять дальнейший рост селезенки по мере роста своей концентрации, в результате чего величина селезенки будет зависеть от общих размеров живого организма.

Это столь же верно в отношении печени, и даже если удалить две трети печени взрослого человека, то она отрастет обратно до нормальной величины, поскольку уменьшится концентрация факторов ограничения роста, производимых ею. Способность печени к регенерации ярко иллюстрирует древнегреческий миф о Прометее. За то, что Прометей разгневал Зевса, он был обнаженным прикован к скале, и орел каждый день раздирал его плоть и клевал печень, которая за ночь вновь вырастала. Невольно возникает вопрос: не была ли известна древним грекам фантастическая способность печени к самовосстановлению?

Напротив, клетки некоторых органов, например клетки конечностей, жестко контролируют размеры этих органов, но при этом им нет совершенно никакого дела до того, растут ли рядом такие же органы или нет. Это столь же верно и в отношении вилочковой железы, которая имеется в единственном экземпляре (у человека она расположена в верхней части грудной клетки). Если пересадить в растущий эмбрион мыши несколько вилочковых желез от эмбрионов других мышей, то каждая из них вырастет до стандартных размеров.

Аналогичный механизм роста характерен и для поджелудочной железы, которая содержит клетки, выделяющие инсулин — важнейший гормон, обеспечивающий снижение концентрации глюкозы в крови. Если искусственно уменьшить количество клеток в развивающейся поджелудочной железе, то вырастет лишь маленькая по размерам поджелудочная железа. Представляется, что клетки растущей поджелудочной железы запрограммированы на то, чтобы совершить определенное, строго ограниченное число циклов деления. При этом не существует механизма контроля роста поджелудочной железы, который регулировал бы ее размеры сообразно общим размерам организма или же предусматривал возможность регенерации.

В связи с чем у природы возникла нужда в двух различных системах контроля за ростом органов, не вполне ясно.

Развитие эмбриона в утробе матери имеет важные последствия для здоровья человека. Дети, вес которых при появлении на свет ниже нормы, имеют значительно больше шансов по достижении зрелого возраста стать пациентами кардиолога. Эксперименты на животных продемонстрировали, что во время развития эмбриона действует биологический механизм, который в зависимости от факторов внешней среды изменяет степень проявления его генов. Ключевыми факторами при этом являются питание, образ жизни матери и ее конституция — полная она или худая. Исходя из полученных данных, эмбрион может «предугадать», что в будущем, после появления на свет, его может ожидать недостаточное количество пищи, и это отразится на его внутриутробном развитии.

Чуть больше половины взрослого населения США страдают от избыточного веса и ожирения. И хотя, как показывает изучение ДНК, существуют гены, вызывающие ожирение, проблема лишнего веса связана прежде всего не с генами, а с перееданием. Ожирение является следствием избытка жира, содержащегося в жировых клетках. Это явление связано со многими заболеваниями, включая диабет второго типа и болезни сердца.

Жировая масса нашего тела состоит из примерно 40 миллиардов жировых клеток. При этом большая часть жира сосредоточена под кожей. Жировые клетки не похожи на другие клетки: жир в них занимает 95 процентов внутриклеточного объема и все остальные структуры клетки, вроде ее ядра, сдвинуты к оболочке клетки. В белых жировых клетках жир, находящийся в полужидком состоянии, сконцентрирован в одном месте. В коричневых жировых клетках жир в виде отдельных капелек рассеян по всему пространству клетки. Жир коричневых жировых клеток, известный также под названием «детского жира», используется для выработки тепла.

Объем жира, содержащийся в теле отдельного человека, зависит от количества жировых клеток и от их размеров. Люди появляются на свет с определенным количеством жировых клеток, при рождении у женщин их больше, чем у мужчин. Число жировых клеток вырастает в позднем детстве и в начальном периоде полового созревания, после чего сохраняется в организме практически неизменным. Поэтому тучность в зрелом возрасте непосредственно связана с полнотой в детстве. Люди полнеют из-за того, что их жировые клетки начинают жадно поглощать жир. Таким образом, ожирение развивается тогда, когда жировые клетки увеличиваются в размерах.

Люди, имеющие лишние жировые клетки, могут уменьшить их за счет диеты и физических упражнений и добиться замечательных результатов, однако жировые клетки при этом не исчезнут. Однажды появившись в человеческом теле, они остаются там на протяжении всей жизни человека, хотя определенный их круговорот все же происходит: раз в месяц один процент жировых клеток погибает и заменяется новыми. Когда содержащийся в жировой клетке жир сгорает, она сильно уменьшается в размере. Однако все жировые клетки только и ждут, чтобы их накормили опять, — они хотят снова и снова вбирать в себя жир; поэтому радикально уменьшить вес и сохранить его после этого неизменным не так-то просто.

Жировые клетки участвуют в формировании энергетических резервов организма. Они — центр сложной системы передачи информации и обмена данными, который регулирует многие функции тела и постоянно информирует мозг о том, сколько еще энергии остается в теле, сигнализирует мышцам, когда они могут сжигать жир, дает команды печени и другим органам, когда следует пополнять запасы жира. Жировые клетки контролируют поступление энергии в клетки и ее извлечение из них. Они постоянно обмениваются химическими сигналами с мозгом, костями, половыми железами и иммунной системой. Ключевым элементом сигнальной системы является гормон лептин, представляющий собой один из основных факторов ожирения. Лептин циркулирует в системе кровообращения. Он вырабатывается жировыми клетками, и чем больше эти клетки, тем больше лептина они производят. Лептин сигнализирует мозгу о том, что мы насытились, и подает сигнал к тому, чтобы уменьшить ощущение голода, однако при этом ему приходится вступать в конкуренцию с другими отделами мозга, которые провоцируют ненасытность и тягу к удовольствиям.

Примером того, как действует система, которая еще на раннем этапе программируется на определенный рост, служит наша рука. Когда у растущего эмбриона формируется рука, запястье одинаково по размерам с плечом, с предплечьем и с локтевой костью. Однако по мере развития руки запястье растет в гораздо меньшей степени и в результате оказывается значительно меньше остальных элементов руки. Очевидная разница в размере костей различных частей человеческой руки отражает разницу в степени их роста, которая программируется на ранней стадии развития.

Как же именно растут наши конечности? Как мы уже видели, зачатки их будущих костей закладываются в эмбрионе в виде хрящевых стержней. Затем эти хрящи при помощи специальных клеток начинают заменяться на кости. Этот процесс начинается в центре и распространяется к концам хрящей, где затем формируется так называемая полоска роста и происходит рост кости. В таких костях, как плечевая, полоски роста формируются на обоих концах. На краях полосок роста находятся стволовые клетки. За ними следуют клетки, которые размножаются путем деления, а затем, когда процесс деления прекращается, превращаются в хрящевые клетки, которые, в свою очередь, начинают постепенно увеличиваться в размерах. Но на концах полосок роста хрящевые клетки отмирают и заменяются костными клетками. Таким образом, полоска роста удлиняет кость, увеличивая размеры хрящевых клеток и частично заменяя их костными клетками. Полоски роста различных костей отличаются друг от друга, и соответственно они в разном количестве производят новые клетки и по-разному влияют на их размеры.

Полоски роста работают на увеличение длины костей до наступления половозрелого возраста. Прекращение их деятельности вызывается гормональными изменениями. При этом вполне возможно, что и сама полоска роста запрограммирована на рост в течение определенного промежутка времени или же на строго ограниченное количество делений клеток. Установлено, что если число делений клеток в полоске роста уменьшается относительно нормы, то затем происходит усиленный рост с целью наверстать упущенное.

Наши нижние и верхние конечности развиваются из зачаточных конечностей эмбриона, размером не более сантиметра, и у взрослых людей достигают около метра длины. Каждая пара конечностей практически одинакова — различия есть, но они столь незначительны, что о них не стоит говорить. Поразительно то, что в течение пятнадцати лет роста между конечностями не наблюдается никакой системы связи и координации, ничего такого, что могло бы сигнализировать одной конечности о степени роста другой. Мы и не знаем, за счет чего это достигается, но тем не менее их развитие происходит синхронно. Типичная полоска роста конечности достигает двух сантиметров в диаметре и одного сантиметра в глубину. В такой полоске содержится около 10 миллионов клеток, разбитых на 300 тысяч столбиков, каждый из которых составлен из 40 вытянутых в длину клеток. Ежедневно в каждом столбике прибавляется по одной клетке, и при этом одна клетка заменяется костной.

Мышцы в конечностях также растут, однако мышечные клетки, после того как они сформировались, больше уже не могут делиться снова. Но они способны просто увеличиваться в размерах; среди прочего это происходит благодаря слиянию с особыми клетками, которые ассоциируются с мышечными и обеспечивают их дополнительными ядрами. Эти особые клетки представляют собой нечто вроде мышечных стволовых клеток.

Рост мышц в огромной степени зависит от роста костей, к которым они прикреплены. Когда кости растут, мышцы начинают растягиваться. В силу этого процесс роста костей и мышц носит скоординированный характер, и мышцам достаточно руководствоваться лишь тем, насколько сильно их растягивают. На любое напряжение мышцы всегда реагируют собственным ростом.

Мы рождаемся с мозгом, в котором содержится около 100 миллиардов нервных клеток. После нашего появления на свет деление этих клеток практически останавливается. При рождении человека вес мозга весит примерно 300 граммов, что составляет 10 процентов от общей массы тела. По контрасту мозг взрослого человека, веся 1400 граммов, составляет лишь 2 процента от общей массы тела.

Размер мозга увеличивается с возрастом и достигает максимума в возрасте между шестью и четырнадцатью годами. Увеличение размеров мозга происходит не вследствие размножения нервных клеток, которые уже не делятся после того, как приобретают специализированные функции, а за счет размножения клеток, поддерживающих их работу, а также благодаря увеличению размеров самих нервных клеток, которые выбрасывают новые нервные отростки и устанавливают новые нервные соединения.

Новые синапсы в изобилии образуются в первые месяцы жизни новорожденного — их количество становится максимальным в возрасте от шести до двенадцати месяцев. После этого число синапсов плавно снижается — это происходит либо из-за того, что они не используются, либо из-за того, что они приходят в негодность по естественным причинам. В результате в мозгу ребенка сохраняются только часто используемые синапсы. Поэтому сенсорные ощущения, которые получает ребенок в самом раннем возрасте, крайне важны — они способствуют формированию и сохранению большего числа синапсов.

Большинство из нас предпочло бы избежать смерти, однако старение и сопровождающие его недуги также вряд ли могут рассматриваться в качестве предпочтительного варианта. Но если клетки такие умные, почему же тогда они — и мы с ними — стареют? Ведь к шестидесяти годам мы проживаем не более четверти срока, отпущенного нам с точки зрения генетики. Виной всему следует признать эволюцию, которая заинтересована в том, чтобы мы обеспечивали свое воспроизводство, но не в том, чтобы мы оставались здоровыми после выполнения этой задачи.

Любая действующая механическая система стареет из-за того, что подвергается износу, и то же самое происходит с клетками в биологических системах. После того как мы переходим шестидесятилетний рубеж, признаки старения становятся более чем очевидными. Наша память уже не такая, какой была прежде, мы двигаемся не так быстро, наши колени начинают болеть — этот список можно продолжать до бесконечности.

Неизвестно, почему у разных животных столь разная продолжительность жизни: мыши живут всего три с половиной года, в то время как киты могут дожить до восьмидесяти лет. Однако все доступные нам данные свидетельствуют о том, что старение не является основным фактором, приводящим к смерти диких животных, поскольку другие факторы — такие, как нападения хищников и болезни, — вызывают их гибель значительно раньше. Более 90 процентов мышей, живущих в природных условиях, погибают уже в первый год своего существования.

Старение не является элементом нашей программы развития, и не существует таких генов, которые способствовали бы старению. Напротив, в ходе эволюции выработаны клеточные механизмы, которые препятствуют старению. Однако эти механизмы действуют лишь до той поры, пока воспроизводство остается важной составляющей частью жизнедеятельности организма.

Воздействие процессов эволюции становится очевидным, если сравнить мышь двухлетнего возраста со слоненком такого же возраста. К этому моменту мышь уже стара, тогда как слон еще детеныш. Эволюция выработала механизмы, которые препятствуют старению слона до той поры, пока у него не появится потомство.

Природа разработала особые механизмы, которые позволяют затормозить начало процесса старения до того, пока не вырастет следующее поколение. Но затем процесс идет по нарастающей. В этом состоит суть теории «выбрасываемых после употребления тел», согласно которой люди и животные становятся ненужными после того, как взращивают свое потомство.

Но если старение не запрограммировано нашими генами, то отчего же оно тогда случается? Ответ прост: по той же причине, по какой стареют и выходят из строя автомобили и стиральные машины, — по причине износа. Старение происходит вследствие накопления невосполнимых повреждений клеток и молекул в организме, а также из-за достижения предела возможностей организма поддерживать в работоспособном состоянии клетки, ДНК и белки.

Сохранение целостности ДНК является основной задачей для любой клетки, поскольку повреждение цепочки ДНК приводит, с одной стороны, к исчезновению в клетке жизненно важных белков, а с другой — к появлению ненужных белков и белков, способных принести вред. Подобные негативные явления накапливаются в организме с того самого момента, когда начинают образовываться клетки и ткани. Повреждения накапливаются также в митохондриях и в клеточных оболочках. То, как долго сможет жить организм, определяется прежде всего его способностью исправлять различные возникающие по разным причинам повреждения.

То, что наши клетки стареют, показывает простой с точки зрения биологии опыт. Если взять клетки из соединительной ткани молодого человека и поместить в искусственную питательную среду, то количество их делений составит около 50 циклов. Если же проделать аналогичный эксперимент с клетками шестидесятилетнего человека, то их размножение ограничится примерно 30 циклами. Меньшее число циклов деления как раз и отражает эффект старения. Однако при этом в теле человека существуют клетки, которые старению на первый взгляд не подвержены и продолжают активно размножаться на протяжении длительных периодов времени. Речь идет прежде всего о стволовых клетках.

Старение также хорошо иллюстрирует поведение клеток человека, страдающего от синдрома Вернера, который выражается в преждевременном старении, — такие клетки делятся в искусственной питательной среде намного меньшее число раз, нежели клетки, взятые у здорового человека. Люди, пораженные синдромом Вернера, имеют характерный невысокий рост и к сорока годам выглядят заметно состарившимися. Обычно они умирают ближе к пятидесяти годам от рака и болезней сердца. При этом развитие синдрома Вернера вызывается повреждением всего лишь одного гена, однако этот ген необходим для репликации и починки ДНК.

Одно из объяснений снижения способности клеток к делению кроется в том, что при каждой репликации утрачивается часть находящихся на концах генов теломер. Это происходит из-за отсутствия энзима теломеразы, при участии которого теломеры восстанавливаются после каждого деления клетки. Этот энзим присутствует в репродуктивных клетках, находящихся в яичках и в яичниках, а также в некоторых взрослых стволовых клетках, где отвечает за предотвращение их старения. Возможно, путем укорачивания теломер накладывается определенное ограничение на количество делений каждой клетки и ведется своеобразный подсчет числа этих делений. Подобный механизм может действовать для того, чтобы защитить организм от неконтролируемого размножения клеток, характерного, например, для рака, и тогда старение является той платой, которую мы платим за предотвращение появления раковой опухоли.

Во время заболеваний, которые ведут к преждевременному старению, теломеры укорачиваются ускоренными темпами. Так, например, происходит при синдроме Вернера и прогерии, которую называют еще детской старостью. Прогерия вызвана крошечным дефектом в одном из белков ребенка. Большинство детей, рожденных с этой болезнью, умирают к тринадцати годам и к этому моменту выглядят как старики.

Труднее всего сохранить целостность на протяжении срока своего существования хромосомам. ДНК в каждой хромосоме ежедневно подвергается тысячам химических преобразований. Несколько из ключевых биологических механизмов, вызывающих старение, негативно воздействуют на ДНК, и поэтому существует связь между продолжительностью жизни и способностью ДНК к восстановлению. Клетки стараются предотвратить тот ущерб, который может быть нанесен ДНК, оборачивая ДНК вокруг особых белковых нитей, и чем плотнее свернута спираль ДНК, тем лучше она защищена — однако это может привести к тому, что транскрипция гена будет затруднена и возникнут трудности с синтезом белков.

На возникновение опасных повреждений ДНК, которые ведут к неправильному синтезу белков, клетки отвечают совершением апоптоза, то есть самоубийства. Это своего рода шлагбаум на пути их превращения в злокачественные. Гораздо чаще апоптоз происходит в старых тканях, в которых выше уровень различных повреждений, накопленных за годы жизни организма; потеря клеток, вызванная апоптозом, также ускоряет процесс старения.

Ряд организмов тратит весьма серьезные усилия на поддержание ДНК в неприкосновенности. Благодаря этому достигается стабильность в состоянии генов, следствием чего, во-первых, становится более позднее старение и, во-вторых, уменьшается риск возникновения рака. Люди куда реже болеют раком, нежели мыши, поскольку в человеческом организме заложены более серьезные механизмы восстановления и починки поврежденных ДНК. Впрочем, несмотря на то, что механизмы поддержания целостности клеток в долгоживущих организмах достаточно мощные, они со временем, рано или поздно, все равно приходят в упадок.

Природа и эволюция тонко посмеялись над людьми, сделав так, что наша жизнь сильно зависит от кислорода, который, с одной стороны, жизненно необходим для выработки энергии, а с другой стороны, является главным фактором старения и последующей смерти. Одна из возможных причин повреждений ДНК и других молекул — именно видоизмененные агрессивные молекулы кислорода. Они образуются при выработке митохондриями АТФ; эти молекулы потенциально способны причинить вред многим клеточным образованиям, включая ДНК. Они также способны повреждать митохондрии, что ведет к сниженному уровню производства энергии, что само по себе является признаком старения.

Ключевой фактор сохранения жизнеспособности клетки — устойчивый уровень оборота в ней белков, предусматривающий, что поврежденные либо лишние белки своевременно выводятся наружу. Связанный со старением упадок этой функции приводит к тому, что в клетке накапливаются дефективные белки. Существуют данные, указывающие на то, что накопление в клетке поврежденных или видоизмененных белков приводит к возникновению целого ряда характерных для старческого возраста заболеваний, включая болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Проведенные на животных опыты свидетельствуют, что уменьшение объема принимаемой пищи способно значительно продлить жизнь многих видов животных. Крысы, получающие вдвое меньше еды, чем их собратья, живут на 40 процентов дольше. Крыса, которая вдоволь получает пищи, живет не более одной тысячи дней, в то время как крысы, находящиеся на строгой диете, дотягивают до полутора тысяч дней. У крыс-самок диета позволяет продлить способность к воспроизводству потомства до 30-месячного возраста (в обычных условиях она утрачивается в возрасте 18 месяцев). При этом в диету необходимо включать витамины и минералы, однако чего больше входит в пищу — углеводов, белков или жиров, — не имеет значения.

Уменьшение количества потребляемой пищи приводило к снижению заболеваемости контрольных групп животных характерными для старости недугами — такими, как рак, гипертония и атеросклероз мозга. Если же диету отменить и вновь перейти на высокий уровень потребления пищи, то, как показали исследования, процессы старения ускоряются.

Существуют данные, указывающие на то, что и люди способны отсрочить наступление старости за счет уменьшения количества съеденного. На японском острове Окинава процент долгожителей, чей возраст перевалил за сто лет, гораздо больше, чем на остальной территории Японии. Смертность от инсульта, сердечно-сосудистых заболеваний и рака здесь ниже на треть, чем в среднем по стране. Ответ на эту «аномалию», возможно, кроется в том, что в силу культурно-исторических традиций жители Окинавы едят на 20 процентов меньше прочих японцев, а окинавские школьники потребляют лишь две трети обычного пищевого рациона японских школьников.

Очевидно, что продолжительность жизни связана с инсулином, — это доказывается опытами на червях и плодовых мушках. Так, черви-нематоды, число генов у которых примерно в два раза меньше, чем у человека, и которые обычно живут около 25 дней, резко ограниченные в еде, вместо того чтобы развиться во взрослых особей, превращаются в особую форму личинки. Эти личинки не могут ни производить, ни выкармливать потомство. Однако при улучшении условий своего содержания они развиваются во взрослых червей и обретают способность к воспроизводству себе подобных. При этом они живут 60 дней, то есть в два раза больше, чем нематоды в нормальных условиях. Это достигается, как выяснилось, за счет изменения способа выработки инсулина, поскольку блокируется ген, который кодирует выработку инсулиновых белков. Механизм этого процесса понять до конца пока не удалось, но уже ясно, что он действует не только в отношении инсулина, но и многих других белков.

Снижение интенсивности бомбардировки клеток химическими соединениями, подобными человеческому инсулину, увеличивает и продолжительность жизни дрозофил. Кроме того, недавние эксперименты показали, что снижение уровня сигналов инсулиновых рецепторов в организме мышей или даже только лишь в одном мозгу увеличивает продолжительность их жизни на 18 процентов. Таким образом, эффект от снижения уровня питания действует на организм через снижение уровня выделения инсулина. Голодание действительно уменьшает выработку инсулина; впрочем, людям, которые надеются с помощью голодания продлить свою жизнь, следует проявлять осмотрительность — снижение выработки инсулина в организме может привести к диабету.

Известны примитивные организмы — например, гидра, простейшее животное, представляющее собой трубочку с щупальцами, — которые демонстрируют очень слабые признаки старения. Отдельные животные, бывшие объектами наблюдения на протяжении четырехлетнего периода, не продемонстрировали вообще никаких возрастных изменений — ни в отношении способности к выживанию, ни по части производства себе подобных. Причина этого не совсем ясна, но она может быть связана со способностью гидры размножаться путем образования почек, которые далее развиваются во взрослых особей, то есть давать потомство без сексуального контакта; сказывается также ее способность к полной регенерации из почти любой сохранившейся части тела. Ведь большая часть клеток гидры способна обеспечить регенерацию и замену утраченных частей тела, потерянных любым образом, в том числе в результате отпочкования от гидры зародышей.

Гидре крупно повезло — в отличие от людей, которым наступление старости грозит и физической немощью, и утратой значительной части умственных способностей. Наиболее страшной в этом смысле является болезнь Альцгеймера, названная так, поскольку доклад о ней впервые представил миру в ноябре 1906 года немецкий ученый Алоиз Альцгеймер. Он исследовал мозг женщины, которая страдала от прогрессирующей потери памяти и ориентации, и обнаружил признаки атрофии и необычные образования. Значительно позже, уже благодаря исследованиям с помощью электронного микроскопа, было установлено, что эти образования представляют собой спутанные нейрофибриллярные клубки, состоящие из нервных волокон и бляшек, представляющих собой ткани головного мозга, которые подверглись атеросклеротическим повреждениям и перерождению. Перерождение тканей головного мозга в бляшки, как выяснилось, вызывает микроскопический белок амилоид-бета. Другой белок, протеин-тау, приводит к спутыванию нервных волокон.

Болезнь Альцгеймера — следствие повреждений и гибели нервов в мозге человека. Почему это происходит, не вполне ясно. Однако установлено, что дегенерация нервных клеток, которая может начаться за двадцать и даже тридцать лет до появления первых очевидных симптомов болезни, связана с определенной генетической предрасположенностью. Увы, но почти половина людей, возраст которых перевалил за восемьдесят лет, демонстрируют те или иные признаки болезни Альцгеймера либо иных форм старческого слабоумия.

Если меняются условия, в которых существуют клетки, они часто реагируют на это усиленным ростом, что, хотя и не ведет к образованию раковых опухолей, создает серьезные проблемы для жизнедеятельности человека. Яркий пример — опухоль простаты, которая часто поражает мужчин старших возрастных групп: растущая простата начинает давить на мочевой пузырь и вызывает учащенное мочеиспускание. Сама опухоль представляет собой разросшиеся клетки эпителия и соединительной ткани.

Как ни странно, до сих пор нет ответа на вопрос, умирают ли люди от старости. Ведь смерть человека всегда, в любом возрасте, связана с ненормальным поведением его клеток.

Иногда задается вопрос: «Когда человек делает первый шаг навстречу смерти?» Вероятно, это происходит уже в момент рождения, а может быть, и зачатия. Две тысячи лет тому назад Марк Аврелий написал: «Смотри, как быстротечна и преходяща участь человека: вчера он — еще зародыш, а завтра — уже мумия или горстка пепла».

10. Как мы выживаем

Как клетки обороняются от бактерий и вирусов

Когда мы заболеваем, то это, в сущности, означает, что в ненормальном и болезненном состоянии оказались наши клетки. Человеческий организм выработал специальные механизмы, позволяющие обороняться от вторжения бактерий и вирусов, которые ищут подходящее место, где они могли бы размножаться, и от физического ущерба, который наносят нашим клеткам, например, порезы и ожоги. Особые клетки немедленно устремляются в пораженную область, чтобы ликвидировать повреждение. Ключевую роль в этих процессах играют клетки иммунной системы, распознающие в организме инородные тела.

Главные биологические враги наших клеток — бактерии и вирусы. Инфекционные заболевания являются виновниками каждой третьей смерти. Один лишь только вирус СПИДа унес жизни 20 миллионов людей. Болезнетворные бактерии и вирусы, если им удается проникнуть в клетку, используют для своих целей ее ресурсы — во внутриклеточном пространстве они находят все необходимые для жизни и воспроизводства питательные вещества. Многие болезнетворные микроорганизмы сумели создать защитные механизмы, которые включаются, когда клетка пытается их уничтожить. Они также способны перемещаться из клетки в клетку в поисках более комфортной для себя среды.

Бактерии являются простейшей формой жизни, поскольку они не содержат в себе внутренних структур, таких, как, например, ядро, чтобы хранить там свои ДНК, и не имеют митохондрий для производства энергии. Типичная бактерия имеет сферическую или палочкообразную форму и часто обладает относительно прочной оболочкой. Бактерии делятся каждые 20 минут, в результате чего уже через 11 часов одна бактерия способна породить 5 миллиардов новых. Количество бактерий в наших телах огромно — на каждую человеческую клетку приходится по десять бактерий. Каждый раз, открывая рот, мы выбрасываем в воздух тысячи бактерий.

Основная причина, по которой мы миримся с подобным поведением бактерий и позволяем им вести себя внутри нас как дома, заключается в том, что их присутствие предотвращает вторжение в организм других по-настоящему опасных микроорганизмов, — ведь привычные бактерии уже оккупировали все уютные ниши, возникающие между нашими клетками. К тому же многие бактерии приносят нам не только вред, но и очевидную пользу — так, без бактерий невозможно нормальное пищеварение. Различать нужные человеку бактерии от нежелательных пришельцев позволяет иммунная система.

Дети, находящиеся в утробе матери, не сталкиваются с бактериями, однако вскоре после появления на свет их кишечник становится местом весьма плотного скопления бактерий. Они проникают в организм через нос, задний проход, рот, любую поврежденную область кожи. Важная преграда на их пути — кожный покров. Специальными средствами защиты, позволяющими обезопасить человека от проникновения бактерий, обладают клетки внутренних тканей. А клетки, устилающие наши дыхательные пути, покрыты слоем защитной слизи, которая вместе с бактериями выводится при помощи специальных ресничек.

Что до «полезных» бактерий, то надо иметь в виду: в определенных условиях они могут стать злейшими врагами человека. Например, бактерии, помогающие нам переваривать пищу, несут ответственность за возникновение целого ряда заболеваний, среди которых кишечные воспаления и рак толстой кишки. Язва желудка, как выяснилось совсем недавно, также вызывается бактериями. Сделавший это открытие врач поставил опыт на себе — он принял внутрь чистую культуру «язвообразующей» бактерии, и у него действительно развилась язва желудка.

Само образование язвы чаще всего связано с токсинами, которые выделяются бактериями. Эти токсины разъедают слизистую стенку желудка и создают очаг инфекции, где бактерии размножаются во всевозрастающих количествах и откуда, расширяя сферу своего влияния, распространяются далее. И если бы в борьбу с ними не вступала иммунная система, фатальный результат был бы неизбежен.

Для начала рассмотрим явление воспаления, которое является признаком работы врожденной иммунной системы человеческого организма. Клетки хорошо справляются с лечением таких ран, как порезы кожи, — при условии, правда, что рана не слишком велика. Поврежденные кровеносные сосуды испускают из себя кровь, которая собирается в сгустки благодаря действию тромбоцитов. Эти кровяные клетки собираются вместе и связываются белковыми нитями, образуя своего рода затычку раны, — из нее впоследствии разовьется сухая корка. Нейтрофилы, белые кровяные тельца из кровеносных сосудов, направляются в поврежденную область, и благодаря этому под коркой начинают активно размножаться клетки кожи, образуя новый слой эпидермиса. Сюда же направляются и макрофаги, которые съедают мертвые клетки, чье содержимое может оказаться вредоносным для соседних с ними неповрежденных клеток и затормозить процесс излечения.

При относительно небольших повреждениях рана вскоре затягивается, и след от нее постепенно исчезает. Однако если потеря кожи составляет больше двух дюймов и рана достаточно глубока, для эффективного излечения потребуется пересадка кожи. Эту кожу берут с других участков тела либо, пользуясь современными технологиями, выращивают в искусственной питательной среде.

Если сломана кость, процесс восстановления проходит по-другому. В этом случае определяющую роль в процессе излечения играет состоящая из соединительной ткани покрывающая кость оболочка. Именно она поставляет большую часть клеток, жизненно необходимых для излечения поврежденной кости, — из этих клеток образуется хрящ. После того как происходит повреждение кости, стенки кровеносных сосудов сжимаются и образуется кровяной сгусток, что предотвращает дальнейшее кровотечение. Затем все клетки, образовавшие кровяной сгусток, отмирают. Спустя несколько дней в месте перелома образуется соединительный хрящ, который затем заменяется костной тканью благодаря особым клеткам — остеобластам, вырабатываемым костным мозгом.

Воспаление является первоначальным ответом на травму нашей врожденной иммунной системы. Это тот механизм, который применяется для защиты от практически любого неблагоприятного воздействия — при инфекциях, механических повреждениях тканей или перегреве. Воспалительный процесс вынуждает расположенные в области повреждения клетки просить помощи у других клеток тела, включая клетки иммунной системы. Однако есть момент, который тоже не следует упускать из виду. Воспаление ведет к уничтожению вредоносного микроорганизма, но при этом оно само может причинить вред тканям, как это бывает, например, при туберкулезе.

Проникновение болезнетворных бактерий или вирусов заставляет клетки генерировать три типа химических сигналов. Первая реакция на боль заключается в том, что расположенные в поврежденном месте нервные клетки выделяют особые, «сигнальные», молекулы. Затем каждая из поврежденных клеток выделяет белки, которые сигнализируют о том, что ей требуется помощь. И если клетки идентифицируют присутствие бактерий, то это приводит к испусканию еще одного типа химических сигналов.

В число тех клеток, которые участвуют в генерации сигналов при активизации врожденной иммунной системы, входят так называемые тучные клетки, или мастоциты. Они выделяют вещества, которые увеличивают приток крови, и за счет этого способствуют появлению воспаления. Тучные клетки разбросаны по кожному покрову человека и обеспечивают самую раннюю реакцию на инфекцию, выделяя основные сигнальные молекулы. Их часто называют «химическими фабриками»: тучные клетки производят 10 тысяч различных молекул, способных сделать кровеносные сосуды проницаемыми и активировать иммунную систему. Выделения тучных клеток способны вызвать и зуд на коже, и течь из носа, и даже спровоцировать удушающие приступы астмы. Однако — это стало ясно совсем недавно — они являются ключевыми элементами в деле борьбы с инфекциями, поскольку направляют в инфицированное место лимфоциты и активируют действие иммунной системы. К отрицательным сторонам воздействия тучных клеток относится то, что они могут вызвать ревматоидный артрит и способствуют уничтожению шванновских клеток — защитных оболочек нервов, что вызывает рассеянный склероз, а при заболевании раком они участвуют в привлечении кровеносных сосудов к месту опухоли. Все это наносит вред здоровым клеткам, в силу чего возникла необходимость в развитии механизмов, которые могли бы предотвратить деятельность тучных клеток после того, как опасность со стороны бактерий миновала.

Пример острого воспаления — аппендицит. Больной при аппендиците чувствует боль, а также весьма часто — тошноту и жар. Обычно закупоривание какого-то отдела червеобразного отростка слепой кишки вызывает в нем повышение давления, что влияет на кровоснабжение и повреждает стенку аппендикса. В травмированное место вторгаются бактерии, в результате чего возникает воспаление.

При травме к месту повреждения увеличивается поступление крови, и там накапливаются красные кровяные тельца. Одновременно в дело вступают лейкоциты — белые кровяные тельца иммунной системы. Они проникают сквозь растянувшиеся стенки сосудов и принимаются за важную работу по уничтожению инородных тел и «поеданию» остатков умерших клеток. Лейкоциты включают в свой состав такие клетки, как макрофаги, чья функция заключается в очистке организма от ненужного мусора. Эти клетки устремляются к месту повреждения, следуя за особыми химическими сигналами о помощи и именно в том направлении, где концентрация таких сигналов наивысшая. Очень часто так сигнализируют о себе продукты жизнедеятельности вторгшихся бактерий. Когда лейкоциты оказываются поблизости от скопления бактерий, они могут даже пройти через слой тканей для того, чтобы подобраться к нему вплотную; затем они обволакивают и убивают бактерии. При этом выделяются энзимы, которые атакуют вредоносные микроорганизмы. У лейкоцитов есть биологические механизмы для распознавания инородных тел. Однако они порой уничтожают и здоровые ткани в непосредственной близости от себя. Ведь убить вторгшиеся бактерии, не нанеся при этом вреда нормальным клеткам, не так-то просто; это показывает, например, развитие в организме туберкулеза.

Заболевание туберкулезом вызывается бактерией, открытой Робертом Кохом в 1878 году. Несмотря на успехи, достигнутые в борьбе с этой болезнью, ныне по меньшей мере треть населения земного шара подвержена воздействию палочки Коха; считается, что каждую секунду в мире заражается туберкулезом один человек. Однако туберкулез вызывает не сама пробравшаяся в наш организм вредоносная бактерия и не выделяемые ею токсины — болезнь возникает как ответ человеческого организма на проникновение туберкулезной бактерии. Когда туберкулезные палочки через дыхательные пути проникают в легкие, они обычно вызывают повреждение ткани легких диаметром примерно в один сантиметр и начинают в этом месте размножаться. Макрофаги, естественно, реагируют на это вторжение и принимаются пожирать вредоносные бактерии. Затем к этому месту прибывают Т-лимфоциты, о которых пойдет речь ниже; они связываются с макрофагами, заставляя эти клетки уничтожать оказавшиеся внутри них бактерии. Все это вызывает местное воспаление, из-за которого гибнут многие нормальные клетки легких.

Еще одно тяжелейшее заболевание — воспаление легких, которое вызывается либо бактериальной, либо вирусной инфекцией. Бактерии или вирусы вторгаются в легкие и вызывают местное воспаление, которое наполняет воздушные полости легких жидкостью и тем самым препятствует усваиванию кислорода. Эти респираторные инфекции распространяются воздушно-капельным путем; они являются причиной смерти большого количества людей, и прежде всего детей, во всем мире.

Существует множество других болезней, вызываемых бактериями, и среди них есть очень опасные. Гигантское число людей выкосила чума, известная под названием «черная смерть». В прошедшие эпохи она распространялась чрезвычайно широко и быстро вела к летальному исходу — в несколько недель вымирали целые города.

Бактерия, вызывающая чуму, практически всегда вносится в кожу через укус зараженной блохи и затем распространяется по лимфатическим путям. Блохи же заражаются чумными бактериями от грызунов, на которых живут. Когда блоха кусает инфицированную крысу, она проглатывает бактерии, которые размножаются в ее пищеварительном тракте и образуют твердую массу, закупоривающую кишечник. Блоха из-за этого теряет способность глотать кровь и испытывает постоянное чувство голода. В желании насытиться она многократно кусает животное-хозяина, изрыгая при этом обратно в его кровоток возбудителей чумы. Места укусов действуют как очаги их распространения. Если животное погибает, что и происходит в большинстве случаев, блоха перескакивает на другую живую крысу. Если количество живых крыс снижается, блохи перемещаются на другого теплокровного хозяина — им может быть человек или домашние животные. Так создаются условия для начала эпидемии. Поэтому люди заражаются лишь в тех случаях, когда они находятся рядом с мертвыми грызунами. Лишь в редчайших случаях бактерии чумы передаются от человека к человеку. Ныне, к счастью, заболевания чумой крайне редки и обычно связаны с передачей чумной бактерии человеку от диких животных.

Бактерия, вызывающая дифтерит, выделяет токсин, который блокирует синтез белков. Это приводит к прогрессирующей деградации защитных миелиновых покровов нервных клеток, входящих в состав центральной и периферической нервной системы, что приводит к ухудшению контроля за моторикой мышц и потере осязания. Эта бактерия распространяется воздушно-капельным путем и способна сохраняться даже в сухих местах.

Бактерия столбняка представляет собой подвижную палочкообразную структуру, живущую в бескислородной среде, — часто она встречается в земной почве. При попадании в глубокую рану эти бактерии выделяют токсин, который связывается с синапсами нервов-ингибиторов, в результате чего моторные нервы, освобожденные от сдерживающего влияния нервов-ингибиторов, вызывают ненормальные сокращения мускулатуры.

Бактерия проказы поражает многие органы — кожу, глаза, кости, яички. Сифилитическая инфекция передается половым путем. Начинаясь в виде небольшого поражения ограниченного участка ткани, он может затем распространиться по всему организму, поразив многие органы тела.

Кариес вызывается бактериями, которые вырабатывают кислоту. Обязательное условие их деятельности — присутствие на поверхности зубов сахаров. Увеличение уровня кислотности во рту негативно воздействует на зубы, разрушая их минеральное основание.

В 1928 году Александр Флеминг открыл пенициллин, способный уничтожать многие виды бактерий. Работая в лаборатории госпиталя Святой Марии в Лондоне, он заметил, как вокруг пятнышка плесени, оказавшегося в чашке с искусственной питательной средой, где размножались бактерии, образовался круг, в пределах которого бактерии не могли размножаться. Флеминг пришел к выводу, что плесень выделяет вещества, сдерживающие рост бактерий и убивающие их. Термин «пенициллин» Флеминг предложил для того, чтобы обозначить фильтрат чистой культуры плесени. На ранних стадиях исследований пенициллина Флеминг обнаружил, что он наиболее эффективен лишь против определенных видов бактерий. Это несколько охладило его пыл. Сначала Флеминг выразил оптимизм по поводу того, что пенициллин может стать панацеей от многих болезней, однако в ходе дальнейших экспериментов пришел к выводу о том, что пенициллин не в состоянии находиться в человеческом теле достаточно долго, чтобы успеть поразить бактерии.

Но в 1939 году австралийский ученый Говард Флори и группа исследователей из Оксфордского университета сумели доказать, что, будучи впрыснутым в ткани животных, пенициллин чрезвычайно эффективно расправляется с бактериями. Попытки этих ученых лечить людей оказались поначалу не слишком успешными из-за недостаточных объемов вводимого пенициллина, но тем не менее им удалось значительно продвинуться вперед и заложить фундамент для дальнейших исследований свойств чудесной плесени. В 1942 году группе исследователей из Оксфордского университета впервые в мире удалось успешно применить пенициллин для лечения человека. К 1944 году пенициллин производился уже в массовом порядке. Во время Второй мировой войны применение пенициллина стало основным фактором снижения уровня смертности в войсках антигитлеровской коалиции — считается, что благодаря пенициллину удалось спасти от 12 до 15 процентов от общего числа раненых. Воздействие пенициллина на болезнетворные бактерии происходит за счет того, что он взаимодействует с определенными белками, входящими в состав оболочек бактериальных клеток, и тем самым приводит к смерти бактерии. Но вот воздействовать на вирусы пенициллин уже не может.

Вирусы являются мощными источниками инфекции. В состав вирусов входят те же самые молекулы, которые присутствуют и в клетках, однако вирусы не способны размножаться самостоятельно — в этом смысле они не являются вполне живыми существами. Размножаться они могут, лишь попав в клетку и используя для этого клеточные механизмы. Их называют «химическими зомби», и эти «зомби» причиняют серьезный вред, когда им удастся проникнуть внутрь клетки. Вирусы исключительно малы и поэтому способны свободно проходить через самые совершенные фильтры. Они содержат в себе относительно малое число генов — от трех до нескольких сотен, которые заключены в белковую оболочку. В дополнение к нуклеиновым кислотам, из которых построены ДНК либо РНК вирусов, вирусы содержат также три класса белков: белки, необходимые для их размножения, белки, необходимые для создания структуры вирусов, и белки, которые будут воздействовать на клетку, когда вирус в ней окажется.

При попадании вируса в клетку она предпринимает попытки предотвратить его размножение, для которого вирус использует особую молекулу РНК, состоящую из двойной спирали. Один из способов защиты клетки заключается в производстве белка интерферона, стимулирующего активность гена, который повреждает РНК и тем самым предотвращает размножение вирусов. Но при этом клетки подвергают опасности свои собственные РНК, над которыми также нависает угроза уничтожения, и порой случается так, что клетка уничтожает саму себя ради того, чтобы предотвратить размножение вируса. Интерферон также усиливает активность отдельных клеток-убийц, входящих в состав адаптивной иммунной системы, — они призваны уничтожать клетки, инфицированные вирусами. Несмотря на это, многим вирусам удается беспрепятственно проскользнуть через защитные рубежи.

Первый шаг на пути распространения вирусной инфекции состоит в установлении связи вируса с клеточной оболочкой. Вирус соединяется с оболочкой, становится ее частью — и просачивается внутрь клетки. Так поступает, например, вирус СПИДа. Существует и более сложный способ проникновения в клетку, связанный с «пробиванием» бреши в клеточной оболочке. В любом случае, оказавшись в клетке, вирус начинает паразитировать на ней, активно используя ее биологические механизмы для синтеза своих собственных белков. Это происходит благодаря наличию во многих вирусах белков, которые воздействуют на деятельность клеток таким образом, что они вместо производства собственных белков начинают вырабатывать белки вируса. Образовавшиеся внутри клетки белки и нуклеиновые кислоты вируса тут же соединяются и образуют новые вирусы.

Размножение вирусов внутри инфицированной клетки может привести к тому, что клеточная оболочка лопнет, клетка разорвется и из нее наружу будет выброшено множество новых вирусов, которые станут заражать соседние клетки. Так происходит, когда мы простужаемся, — существует около сотни вирусов, вызывающих простуду. Вирус простуды предпочитает инфицировать клетки, выстилающие носовые и дыхательные пути. Обычные для простуды симптомы, такие, как жар, головная боль и усталость, вызываются веществами, которые выделяют инфицированные клетки. Впрочем, эти вещества не причиняют вреда тканям организма.

В отличие от вируса, вызывающего обыкновенную простуду, вирус гриппа способен наносить вред тканям; поэтому сопровождающие грипп болезненные симптомы не являются следствием лишь одной воспалительной реакции организма на вирус. В тяжелых случаях грипп может привести к воспалению легких. До начала XX века воздействие вируса гриппа на людей было относительно мягким, однако затем появились новые его разновидности. Одна из них вызвала эпидемию 1918 года, которая унесла жизни более 40 миллионов человек по всему миру — больше, чем погибло за всю Первую мировую войну. Этот вирус провоцировал иммунную систему организма на чрезмерную реакцию: сигналы, которые призывали клетки иммунной системы к месту заражения, оказывались настолько сильными, что место заражения начинало буквально кишеть клетками иммунной системы, из-за чего дыхательные пути блокировались и разрушались ткани.

Гены некоторых вирусов записаны не в ДНК, а в РНК. Когда такие вирусы проникают внутрь клеток, то их РНК преобразуется в ДНК, и эта ДНК начинает синтезировать белки, из которых образуются новые вирусы. Так происходит с вирусом СПИДа, гены которого закодированы в РНК; образующаяся на ее основе ДНК может скрываться в ДНК хозяйской клетки, находящейся в хромосоме. Это затрудняет борьбу с ней при помощи антивирусных препаратов. Еще один пример вируса на базе РНК — вирус бешенства. Он размножается в клетках мышц и в нервных окончаниях и по нервам мигрирует в центральную нервную систему, вызывая схожие с гриппом симптомы, которые могут привести к частичному параличу, деменции (слабоумию) и даже к смерти.

Антивирусные препараты действуют на болезнетворные штаммы вирусов — они связываются либо с находящимися на клеточной оболочке рецепторами (с ними вступает в контакт сам вирус, когда пытается проникнуть в клетку), либо с той частью оболочки вируса, которая контактирует с клеточной оболочкой; в обоих случаях вирус теряет способность проникнуть в клетку. Но к сожалению, вирусы и бактерии в состоянии вырабатывать сопротивляемость лекарствам. Бактерии даже способны обмениваться между собой генетической информацией путем передачи генов и за счет этого передавать невосприимчивость к антибактериальным препаратам новым поколениям бактерий. Соединение двух бактерий с передачей через это соединение ДНК со стороны похоже на примитивный половой акт.

Неправильное использование антибиотиков помогает вредоносным бактериям вырабатывать защиту от действия лекарств. Если не соблюдать должный уровень дозировки антибактериального препарата, то можно довести дело до того, что бактерии, имеющие мутации в сторону повышенной сопротивляемости, получат шанс выжить и, следовательно, передать свои качества новым бактериям, которые разовьют их еще больше. Вот почему так важно продолжать принимать предписанную дозу антибиотиков даже тогда, когда вы уже почувствовали себя лучше: необходимо уничтожить всех нежелательных пришельцев, проникнувших в организм.

Существуют также вредоносные организмы, не являющиеся ни бактериями, ни вирусами. Малярия — инфекционное заболевание, распространенное в тропических и субтропических регионах, ежегодно поражает от 300 до 500 миллионов человек, проживающих в Африке к югу от Сахары, и вызывает от одного до трех миллионов смертных случаев в год, в основном среди детей. Эта болезнь вызывается укусом комара, который впрыскивает в кровь одноклеточного паразита, живущего в комарином кишечнике. Эти паразиты размножаются внутри красных кровяных телец, уничтожая их и вызывая различные болезненные симптомы — анемию, жар, озноб, рвоту.

Мутация гена, кодирующего синтез гемоглобина в красных кровяных тельцах, способна защитить от развития малярии. Процент содержания такого гена намного выше у людей, живущих в тех районах, где малярия является эндемическим заболеванием. Люди, в организме которых есть мутировавший ген (не важно, от кого он достался — от отца или от матери), известный как ген серповидной анемии, имеют пониженный уровень гемоглобина в крови, однако при этом они живут нормальной жизнью и, главное, малярией болеют редко. В то же время люди, в организме которых присутствует не один, а сразу два гена серповидной анемии — и отцовский, и материнский, — страдают от анемии и редко доживают до наступления половой зрелости.

К повышенному иммунитету от заболеваний малярией ведет и еще один вид генных мутаций, который одновременно вызывает расстройство работы кровеносной системы, — эта болезнь известна как талассемия.

В начале 1980-х годов по Великобритании распространилась паника после того, как довольно большое число людей заболело, а некоторые умерли от последствий инфекции, которая прежде встречалась крайне редко. Болезнь вела к деградации мозговых тканей и напоминала симптомами и течением коровье бешенство. Ученые пришли к выводу, что по крайней мере часть заболевших ела мясо, зараженное возбудителем коровьего бешенства.

Микроскопический возбудитель, вызывающий это заболевание, весьма примечателен. Его нельзя отнести к вирусам обычного типа, поскольку он не содержит нуклеиновых кислот, а лишь одни белки. Такого рода микроорганизмы называют прионами; они не только вызывают заболевания, ведущие к разрушению нервной системы, но и вовлечены в длительные процессы воспроизводства красных кровяных телец. Белок приона присутствует в качестве обычного безопасного белка во многих наших клетках. Полагают, что он становится вредоносным и начинает неконтролируемо размножаться только в том случае, если по каким-то причинам его структура меняется, то есть происходит мутация.

Эволюция не позволяет себя обмануть. Наши клетки за время эволюции обзавелись отличной оборонительной системой, известной как адаптивная иммунная реакция, которая включается после того, как отработает врожденная иммунная система. Целью этой реакции является уничтожение вторгшихся инородных тел — бактерий и вирусов, а также вредоносных токсинов, которые те производят. Иммунная система вырабатывает особые белки — антитела, способные связываться с инородными молекулами, которые именуются антигенами. Связывание антител с антигенами приводит к уничтожению антигенов и тех клеток, к которым прикреплены антигены, на самой ранней стадии их существования.

Именно адаптивная иммунная система является основной защитой от всех окружающих человека инфекций. Она может спасти от смерти, которой грозит инфекция, и, что очень важно, вырабатывает иммунитет, способный защитить нас от всех будущих нападений этого вредоносного микроорганизма.

Поскольку клетки нашей адаптивной иммунной системы атакуют гигантское многообразие инородных клеток и молекул, они должны принимать особые меры предосторожности, чтобы не навредить при этом нормальным клеткам собственного тела. Они обязаны в любой момент различать своих и чужих. Иммунная система также не должна атаковать полезные инородные тела — например, молекулы пищи и полезные бактерии, которые живут в кишечнике и помогают переваривать пищу. Когда же вследствие какого-либо сбоя клетки адаптивной иммунной системы ошибаются, развивается аутоиммунная болезнь, при которой антитела атакуют органы собственного тела. Но к счастью, так происходит нечасто — в действительности умение клеток различать своих и чужих просто поразительно.

За адаптивный иммунитет отвечает особый класс белых кровяных телец — лимфоциты. В нашем теле содержится примерно столько же лимфоцитов, сколько и нервных клеток, — то есть миллиарды. Лимфоциты начинают действовать только тогда, когда врожденная иммунная система активизируется из-за вторжения инородных микроорганизмов, которые ищут для себя в теле человека удобное убежище с богатой питательной средой. Лимфоциты адаптивной иммунной системы способны узнавать весьма специфические признаки отдельных вредоносных микроорганизмов и деятельно атаковать незваных пришельцев.

Существует два основных типа лимфоцитов. В-лимфоциты вырабатывают антитела — белки, способные распознавать чужеродные антигены, а затем помечать их особым химическим кодом, чтобы в дальнейшем они были уничтожены другими клетками. Т-лимфоциты защищают тело, убивая инфицированные клетки организма или же побуждая инфицированные клетки освободиться от инфекции. Кроме того, они помогают В-лимфоцитам вырабатывать антитела.

Истоки происхождения этих двух видов лимфоцитов заключаются в кроветворной системе организма, однако происходят они при этом из различных органов тела. Местом зарождения и В-лимфоцитов, и Т-лимфоцитов является костный мозг, однако затем Т-лимфоциты переходят в вилочковую железу, чтобы продолжить там свое развитие и «научиться» не нападать на себе подобных. Те лимфоциты, которым сделать это не удается, подвергаются уничтожению.

По внешним признакам В-лимфоциты и Т-лимфоциты различить невозможно — даже с помощью электронного микроскопа. Их свойства активизируются лишь тогда, когда они входят в соприкосновение с антигеном. Тогда В-лимфоциты выделяют антитела, которые дезактивируют токсины, выделенные бактериями. Когда же антитела связываются непосредственно с бактериями или вирусами, они помечают их, чтобы впоследствии их могли распознать и уничтожить макрофаги. Т-лимфоциты не только убивают зараженные инфекцией клетки, но и содействуют активизации В-лимфоцитов и макрофагов. Благодаря Т-лимфоцитам в организме сохраняется иммунная память о конкретных бактериях и вирусах, что и служит основой вакцинации.

Каждый В-лимфоцит вырабатывает лишь один тип антител. Молекула антитела внедряется в клеточную оболочку, где служит в качестве клеточного рецептора, позволяющего опознавать соответствующий антиген. Затем, когда антиген связывается с этим рецептором, в В-лимфоците начинают вырабатываться и в значительном количестве выделяться необходимые антитела.

Простейшие антитела представляют собой молекулы в форме буквы «Y». Антиген связывается в этом случае с двумя поднятыми вверх «руками». Обычно же антитела — это весьма сложные по структуре белки, имеющие дополнительные участки для связывания с антигенами. Базовая структура наиболее распространенного типа антител состоит из четырех коротких белковых цепочек — двух тяжелых и двух легких (последние легче за счет того, что располагают меньшим числом аминокислот). Концы этих цепочек сходятся вместе, образуя участки для связывания с антигенами. Именно последовательность аминокислот в участках для связывания с антигенами придает антителам неповторимость и разнообразие.

Установлено, что иммунная система способна вырабатывать многие триллионы различных молекул антител. Очевидно, что за выработку каждого отдельного типа антител не может отвечать отдельный ген, поскольку количество вариаций антител намного превышает общее количество генов в организме человека — их насчитывается около 30 тысяч. Вместо этого клетки изобрели весьма умный механизм, основанный на принципе соединения относительно небольшого количества генных сегментов в различных комбинациях, чтобы синтезировать белки антител. Например, комбинация так называемой «легкой цепочки» молекулы антитела определяется определенным участком одной из наших хромосом. В состав этого участка хромосомы входят наборы копий сегментов генов «V» и «J». Прежде чем может быть синтезировано антитело, один из отрезков сегмента гена «V», например отрезок V34, комбинируется с одним из отрезков сегмента гена «J», например J21, и создает последовательность цепочки ДНК, которая станет кодировать изменяемую часть легкой цепочки антитела. После того как эти изменения в структуре В-лимфоцита состоятся, ничего больше в нем меняться уже не будет — этот лимфоцит станет вырабатывать только антитела с отрезками сегментов V34 и J21, которые будут содержаться в легкой цепочке этих антител. В результате схожего процесса образуется и работающая генная матрица для синтеза «тяжелой цепочки» антитела.

Процесс комбинирования сегментов генных участков происходит в каждом развивающемся лимфоците. Эти комбинации способны привести к образованию гигантского разнообразия вариаций антител, исчисляемого миллиардами.

Комбинация молекул в разном порядке с целью придания получающимся образованиям различных функций является крайне важным и мощным инструментом в арсенале клеток.

Лимфоциты постоянно циркулируют в крови, но лишь некоторые из них столкнутся с конкретным антигеном и опознают его. Когда В-лимфоцит встречает антиген, который связывается с его антителом, то он начинает делиться и образует большое количество одинаковых клеток, предназначенных для производства и выделения в кровь этого конкретного антитела. Некоторые из этих клеток сохраняются в организме на протяжении длительного времени, так что если соответствующий антиген объявится вновь, то его сразу встретят готовые к борьбе лимфоциты. Этот механизм лежит в основе принципов вакцинации: иммунная система запоминает взаимодействие с антигеном, определяющим конкретный вредоносный микроорганизм — такой, как, например, вирус гриппа, — и если этот вирус вновь пойдет в атаку, организму будет чем ответить.

В число клеток, которые выявляют проникшие в организм антигены, входят макрофаги, В-лимфоциты и дендритные клетки иммунной системы, исполняющие эту функцию наиболее действенно. Недоразвившиеся дендритные клетки располагаются во всех разделах тканей человеческого организма. Когда они сталкиваются с вторгшейся в организм бактерией, они поглощают либо ее саму, либо продукты ее жизнедеятельности и затем находят и активируют Т-лимфоциты, чтобы те завершили работу по уничтожению инородного микроорганизма. При этом необходимо отметить, что для бактерий и вирусов, которые прячутся в атакуемых Т-лимфоцитами инфицированных клетках, антитела, производимые В-лимфоцитами, не страшны — их защищает оболочка клеток. То есть вся надежда тут на Т-лимфоциты. И в целом они со своей задачей справляются, вынуждая инфицированные клетки совершить самоубийство — апоптоз.

Рядом с Т-лимфоцитами действуют особые клетки, Т-помощники, которые сами бактерии и вирусы не убивают, но способствуют активизации как Т-лимфоцитов, так и макрофагов, побуждая их утилизировать остатки инородных тел, уничтоженных лимфоцитами.

Т-помощники являются объектами нападений вируса иммунодефицита. В вирусе иммунодефицита всего девять генов — ничтожное количество по сравнению с тем множеством проблем, которые этот вирус порождает. Главная же из них — это синдром иммунодефицита, при котором иммунная система начинает давать сбои, позволяя действовать в организме угрожающим жизни инфекциям. Когда вирус иммунодефицита проникает в клетку, он заставляет ее сделать ДНК-копию своих генов, которые затем помещаются среди генов клетки-хозяйки. Если этот вирус проникает в клетку Т-помощника, он доводит ее до истощения и неминуемой гибели. Когда же число Т-помощников в организме становится меньше определенного критического уровня, теряется иммунитет, и организм раскрывается инфекциям и раку. Создать вакцину против этого вируса, которым заражено до одного процента населения планеты, пока не удается.

11. Как рак поражает организм

Как злокачественные клетки образуют опухоли

Мы представляем собой сообщество клеток, которые удивительным образом взаимодействуют для того, чтобы мы оставались живы и здоровы. Но вот «является» рак и нарушает все принципы сотрудничества в этом счастливом семействе клеток. Раковые клетки стремятся овладеть всем организмом и совершенно не заботятся о соседних клетках, которые приводят к гибели. Рак — это, собственно говоря, развитие вторгшихся в организм злокачественных клеток, которые борются со здоровыми клетками за пространство и ресурсы. И даже одна-единственная клетка из миллиардов клеток нашего организма, ставшая злокачественной, способна породить рак.

Рак возникает при изменении генетической конституции клетки. Из-за этого клетка становится неуправляемой и начинает неконтролируемо расти и делиться, образуя в конце концов целое скопление себе подобных клеток — опухоль. Опухоль может быть доброкачественной и не оказывать негативного воздействия на соседние клетки. Однако даже небольшая опухоль в мозгу способна привести к смерти человека из-за ее воздействия на нервные ткани, приводящего к тому, что нервные клетки теряют способность нормально функционировать; подобные явления могут происходить и в других органах. По мере роста и увеличения опухоли она блокирует воздухопроводящие пути и кровеносные сосуды. Образовавшаяся в кишечнике опухоль может вызвать кровотечение. Рост раковых клеток имеет целый спектр последствий, и в любом случае опухоли наносят серьезный ущерб организму.

Развитие раковой опухоли, как правило, приводит к смерти человека. Это страшное заболевание, и никто из нас не гарантирован от того, что когда-нибудь им не заболеет. Например, согласно статистике, каждые два из пяти граждан США на каком-то этапе своей жизни встретятся с раком.

У рака огромное множество — более четырех сотен — разновидностей, от лейкемии до рака груди. Раковые клетки отличаются от нормальных целым рядом признаков. Определяющих среди них два: во-первых, раковые клетки продолжают делиться вопреки запрограммированным ограничениям; во-вторых, они вторгаются в чужие ткани и уничтожают их.

Имея бесконечный потенциал роста и деления, раковые клетки очень мало зависят от внешних факторов. В случае повреждения они способны избежать апоптоза, которым почти всегда заканчивается жизнь поврежденных клеток — других, но не раковых! При этом раковые клетки постоянно посылают химические сигналы, которые заставляют кровеносные сосуды расти в направлении развивающейся опухоли и тем самым снабжать ее кислородом и питательными веществами. И даже то, что раковые клетки растут относительно медленно и в целом делятся реже, чем нормальные клетки, не очень-то утешает — они генетически нестабильны, и эта нестабильность иногда приводит к их скачкообразному росту и прогрессирующей злокачественности.

Размножение клеток при раке выходит из-под контроля из-за сбоя, который может возникнуть в одной-единственной клетке. Этот сбой практически всегда вызывается ошибкой в ДНК. Это со всей очевидностью проявляется при лейкемии — раковом заболевании белых кровяных телец, вызванном хромосомной транслокацией, при которой части из 9-й и 22-й хромосом меняются местами.

Все раковые клетки имеют подобную хромосомную патологию. Первоначальная раковая клетка многократно делится, порождая все новые клетки, которые могут стать еще более злокачественными и начать вторгаться в другие ткани. Они ведут себя, как террористы, которые не скрывают своего намерения овладеть всем телом. Нам необходимо понять, откуда у них такие способности.

Есть предположение, что рак — это цена, которую мы платим за обладание клетками, постоянно ремонтирующими и обновляющими органы нашего тела. Ведь большинство видов рака возникают в тканях, содержащих в себе делящиеся клетки, — на коже, в легких и кишечнике. Нервные клетки не делятся, поэтому опухоли мозга возникают вокруг них — среди клеток, которые их обслуживают, и среди нервных стволовых клеток.

Чтобы сформировалась опухоль, раковая клетка должна пройти множество циклов деления и последующих мутаций. Лучше всего понять развитие рака можно в рамках эволюционного процесса по Дарвину. По мере размножения потомков единственной раковой клетки, среди них появляется все больше мутаций, и происходит отбор тех клеток, которые обладают наилучшими качествами для выживания, то есть тех, которые оказываются наиболее злокачественными. Многие раковые клетки не только подвержены мутациям, но и генетически нестабильны. Они не в состоянии устранять локальные повреждения ДНК и теряют способность поддерживать нормальный набор хромосом. Такие раковые клетки могут менять места своего обитания, что делает их еще более злокачественными.

Причина практически всех раковых заболеваний, как уже было сказано, в изменениях, которые претерпевает ДНК. Сами же эти изменения могут произойти или под влиянием внешнего воздействия канцерогенных факторов, например радиации или химических веществ, или в результате неправильной репликации ДНК. Время, которое проходит от начала воздействия канцерогенных факторов до появления видимой опухоли, может занять десять или даже двадцать лет, как это бывает в случаях с курением.

Полвека тому назад было высказано мнение, что рак вызывают вирусы, занося в клетки новый генетический материал, меняющий поведение клеток. Ныне установлено, что несколько видов рака действительно вызываются вирусами — например, рак шейки матки у женщин. Вирус СПИДа также способен спровоцировать рак, поскольку он разрушает иммунную систему до такой степени, что другой вирус — вирус герпеса — получает возможность беспрепятственно заражать ткани.

Вредоносное действие вирусов основано на вмешательстве в генную структуру клетки-хозяйки и разрушении механизма контроля над клеточным делением со стороны самой клетки. Так действует, к примеру, вирус Эпштейна-Барр, вызывающий лимфому Беркитта — самую распространенную опухоль у детей в Экваториальной Африке.

Почти все виды рака развиваются из одной-единственной клетки-мутанта, хотя к тому моменту, когда в организме человека обнаруживают рак, эта единственная клетка уже успевает дать потомство, исчисляемое миллиардами злокачественных клеток. Здесь мы сталкиваемся с загадкой: считается, что каждый ген, находящийся в любой из неисчислимого числа делящихся клеток, за время нашей жизни подвергается неоднократным мутациям. Почему же в таком случае раком не болеют все поголовно? Ответ на этот вопрос заключается в том, что для возникновения рака необходима мутация десяти и более определенных генов. Такие мутации обычно случаются только за многолетний период, чем и объясняется то, что риск заболевания раком увеличивается с возрастом.

В результате интенсивных исследований выяснилось, что с раковыми опухолями связано около 350 генов. Эти гены находятся во всех хромосомах, кроме хромосомы Y. Остается, однако, еще выяснить, какие именно из них являются источниками заболевания. Но уже ясно — и это весьма огорчительно, — что мутации развиваются по достаточно случайной схеме при каждом случае заболевания раком, и поэтому практически для каждого случая характерна своя собственная комбинация мутировавших генов.

Удивительно, но большинство генов, вызывающих рак, уже давно известны — это гены, которые участвуют в развитии эмбриона и в силу этого вовлечены в организацию взаимодействия между клетками. В числе таких генов и те, чьи белки служат в качестве сигнальных. Неоднократно упомянутый нами ген «Акустический еж» также связан с развитием рака. Многие «раковые» гены до мутации контролируют деление клеток и прекрасно справляются со своей задачей. Но стоит сбиться программе, и они позволяют клеткам размножаться и в тех случаях, когда это идет во вред организму.

В ряде случаев рак вызывают гены, которые призваны действовать в прямо противоположном направлении и подавлять развитие опухоли. Но стоит им тем или иным путем повредиться и потерять способность исполнять свои обязанности, как природа тут же находит им другое — увы, вредное для человека — занятие. Так, например, начинается один из видов рака кишечника.

Поначалу воздействие мутаций приводит к тому, что убыстряется частота деления клеток и клетки игнорируют обычные запреты. Например, в здоровых тканях кожи стволовые клетки делятся, порождая одну новую стволовую клетку и одну клетку, которая в дальнейшем уже не делится. При заболевании раком деление продолжается таким образом, словно клетки «забыли» обо всех ограничениях.

Общим признаком раковых клеток является то, что они утрачивают способность нормально дифференцироваться. Это особенно верно для раковых клеток в тканях, где происходит постоянное замещение клеток, — например, в коже. Неспособность к нормальному дифференцированию клеток также наблюдается при лейкемии. Пораженные раком клетки становятся злокачественными уже на ранней стадии развития, еще будучи незрелыми.

Существуют данные, что источник образования многих опухолей — это стволовые клетки. Достаточно уверенно можно утверждать, что стволовые клетки играют негативную роль при развитии рака груди. Если здоровой мыши перелить кровь мыши, заболевшей лейкемией, то большинство клеток этой крови не принесут ей никакого вреда. Опасность будет исходить лишь от стволовых клеток, хотя число их относительно невелико.

«Раковый» потенциал стволовых клеток не должен вызывать удивления — ведь это единственные клетки нашего тела с практически неограниченными способностями к делению. Нахождение их в составе раковой опухоли представляет большую проблему при лечении рака, ибо они могут выжить при воздействии на опухоль радиацией или химиотерапией.

Какими инструментами наделила эволюция клетки для защиты от рака? В организме существует ген р53, который называют «хранителем генома». Активизация гена р53 происходит в тот момент, когда в организме происходит сбой и какая-то клетка начинает угрожать перерождением в раковую. Вступая в дело, ген р53 приостанавливает обычный цикл жизнедеятельности такой клетки и вынуждает ее совершить самоубийство. Тут важно, чтобы р53 не активизировался, когда дела в организме находятся в полном порядке. Для этого существует множество белков-регуляторов, которые контролируют процесс активизации генов и обеспечивают необходимые предохранительные меры. В том случае, однако, если мутирует сам ген р53, то опасность развития в клетке рака резко возрастает.

Надо учитывать и еще одно обстоятельство: когда на опухоль оказывают воздействие радиацией или противораковыми препаратами, то это может повредить не только раковые, но и нормальные клетки. При этом ген р53 устремится к нормальным клеткам с тем же энтузиазмом, что и к раковым, и, не дав им восстановиться, добьется в конечном счете их гибели. Поэтому ученые пытаются найти способ в этих случаях как-то отключать ген р53. С другой стороны, крайне полезным было бы научиться активизировать ген р53, чтобы он избирательно боролся именно с раковыми клетками. Последние исследования на мышах показали, что усиление активности гена р53 в опухолях может приостановить рост опухоли и даже заставить ее рассосаться.

Есть предположение, что неконтролируемое деление раковых клеток связано с наличием повторяющихся участков ДНК на концах их хромосом — уже упоминавшихся теломер. В большинстве клеток теломеры укорачиваются при каждом последующем делении клетки, поскольку отсутствует энзим теломераза, способный вновь удлинять их; когда теломеры окончательно исчезают, клетка лишается возможности делиться. Это объясняет то, почему клетки, помещенные в искусственную питательную среду, имеют ограниченные возможности для деления — ведь они не способны восстанавливать прежнюю длину теломерных участков. Раковые же клетки выделяют теломеразу, благодаря чему после каждого деления длина теломерного участка полностью восстанавливается. Вполне возможно, что некоторые виды рака порождены клетками, которые лишились своих теломер, но затем вновь обрели возможность вырабатывать теломеразу, что позволило теломерным участкам отрасти вновь, а значит — вернуло этим клеткам способность делиться.

Вторжение раковых клеток из первоначальной раковой опухоли в другие органы и ткани известно под названием метастазов; это одно из наиболее опасных для человека проявлений активности раковых клеток. Когда они проникают в чужие ткани, находящиеся на некотором расстоянии от места первоначальной раковой опухоли, то первым делом начинают конкуренцию с находящимися там здоровыми клетками за доступ к кислороду и питательным веществам. Как правило, победа оказывается за пришельцами, которые выделяют энзимы, разрушающие ткани вокруг себя, — в результате здоровые клетки повреждаются и погибают. Даже маленькие раковые опухоли способны производить миллион новых клеток в день, и это при нацеленности на дальнейшее распространение. Благодаря этому они достигают кровеносных сосудов, откуда получают вещества, необходимые для роста. Кроме того, раковые клетки выделяют вещества, которые заставляют кровеносные сосуды тянуться к ним.

Чтобы обрести способность к перемещению за пределы первоначальной опухоли, раковые клетки должны освободиться от плотной связки с соседними клетками. Для этого требуется разрушить те молекулы, которые сцепляют их воедино. К тому же раковые клетки, выросшие в слое ткани, не способны перемещаться и мигрировать по организму; для того чтобы передвигаться, им необходимо изменить свои свойства.

Когда нормальная клетка перемещается и встречает на своем пути другую клетку, она перестает вытягиваться в передней части и приостанавливается. Это называется контактной задержкой движения. У раковых клеток нет подобных сдерживающих факторов, и поэтому они перемещаются по организму и добираются до его самых удаленных уголков — особенно быстро это происходит с кровью, если им удается проникнуть в кровеносный сосуд. При этом, когда раковая клетка в своем движении достигает узкого кровеносного капилляра, она вынуждена пробиваться сквозь его стенку. Иногда это ей не удается. Но в путешествиях по телу участвует слишком много злокачественных клеток, и многим из них удается преодолеть все барьеры на своем пути.

Наиболее часто встречается рак груди, легких и кишечника. Нередки раковые опухоли на коже — каждый год в мире регистрируется несколько миллионов подобных случаев. Особой формой рака кожи является меланома, которая развивается из имеющихся на коже пигментных клеток. Эти пигментные клетки зарождаются в области формирующегося нервного гребешка еще на самых ранних стадиях развития эмбриона и затем мигрируют в область кожного покрова, где играют ключевую роль в предохранении нашей кожи от воздействия солнечной радиации и, следовательно, защищают человека от рака кожи. Однако — и в этом состоит горькая ирония — из этих же клеток, в случае их мутаций, может развиться рак. Мутации приводят к разрушению их связей с соседними клетками. И как только пигментные клетки обнаруживают, что плотное кольцо вокруг них исчезло, они начинают безудержно размножаться. Изредка все ограничивается появлением обширных пятен на коже, но куда чаще образуется раковая опухоль, которая распространяется по поверхности кожи и может прорасти внутрь тела.

Есть данные, что такая реакция организма, как воспаление, благоприятствует раку. Ответственность за это несет наша врожденная иммунная система — в то время как более совершенная адаптивная иммунная система отчаянно бьется с раковыми клетками, отправляя на борьбу с ними антитела. Дело в том, что врожденная иммунная система в некоторых случаях воспринимает раковую опухоль как орган, который нуждается в поддержке; отдельными клетками раковая опухоль расценивается даже как рана, которая никак не залечивается. В результате в процесс вовлекаются макрофаги, которые патрулируют тело в поисках незваных пришельцев и теоретически способны убивать раковые клетки. Но в данном случае обманутые раковыми клетками макрофаги начинают вырабатывать химические вещества, способствующие росту опухоли. Более того, вещества, вырабатываемые клетками, поддерживающими воспалительные процессы, побуждают раковые клетки мигрировать в другие части тела и способствуют возникновению метастазов.

12. Как возникают болезни

Когда клетки ведут себя ненормально

Какими бы умными и надежными ни были наши клетки, порой и в их действиях, как видно из предыдущей главы, случаются сбои. Клетки ведут относительно стабильную жизнь и адаптируются к небольшим естественным изменениям в окружающей их среде, однако они подвержены разного рода воздействиям. Причины многих болезней коренятся в том, что клетки повреждаются и начинают вести себя ненормально.

Мы уже рассматривали последствия воздействия на клетки инфекций в виде бактерий и вирусов и разбирали механизм возникновения рака. Сейчас же мы обратимся к другим заболеваниям, возникающим вследствие разнообразных ошибок и сбоев в деятельности клеток. Многие из таких сбоев происходят из-за генных мутаций. Они могут приводить к возникновению различных заболеваний, от фиброза до дистрофии мышц. Однако при этом обычная последовательность «мутации — болезнь» ясно прослеживается далеко не всегда.

Ошибки, совершенные лишь одним-двумя членами большого коллектива, способны оказать отрицательное влияние на его деятельность в целом. Так, функционирование человеческого организма может быть нарушено из-за сбоев в доставке крови по кровеносным сосудам. Ведь именно кровь доставляет в клетки питательные вещества и кислород, в которых они постоянно нуждаются. Даже кратковременное приостановление снабжения может иметь для клеток печальные последствия.

Уменьшение уровня кровоснабжения вызывает анемию, приводит к чувству усталости. Люди с ярко выраженной степенью анемии испытывают трудности с дыханием. Слабое кровоснабжение — вследствие нехватки кислорода — ведет к уменьшению выработки АТФ митохондриями. Если это происходит в сердечной мышце, то клетки не могут из-за этого правильно сокращаться, и это влияет на работу сердца. Тяжелая анемия увеличивает нагрузку на сердце, следствием чего становится сильное сердцебиение, а в отдельных, сложных случаях даже может произойти остановка сердца.

Нехватка АТФ также ведет к тому, что система вывода натрия из клетки через ее оболочку работает на пониженном уровне. При этом ионы натрия и молекулы воды продолжают поступать в клетку, и это заставляет ее разбухать, что вызывает дезорганизацию других функций клетки, и прежде всего синтез белков. Правда, эти изменения обратимы — при условии, что в клетку вскоре вновь начнет поступать кислород, а митохондриям и клеточной оболочке за время «голодания» не был нанесен слишком большой ущерб.

К резкому снижению уровня снабжения клеток кислородом ведут нарушения в работе красных кровяных телец, и особенно негативные изменения в молекулах гемоглобина. Уже упоминалось такое заболевание, как серповидная анемия, при которой красные кровяные тельца теряют гибкость и с трудом проходят сквозь мелкие капилляры. Причина этих изменений кроется в мутации гена, ответственного за синтез гемоглобина, что ведет к изменению строения и структуры одной аминокислоты в составе гемоглобиновой молекулы. Из-за этого вся молекула приобретает совсем иную структуру, которая деформирует красные кровяные тельца. Это — один из наиболее очевидных примеров того, как мутация может оказать сильнейшее воздействие на организм, поскольку в данном случае речь идет о непосредственном и прямом влиянии мутации, а не о сложной и длительной цепочке взаимодействия между мутациями и вызываемыми ими явлениями.

Проблемы, связанные с мутациями, могут возникнуть и в системе циркуляции крови — точно так же, как они возникают в системе насосов и труб в водопроводной системе. Если система циркуляции крови в организме, включающая сердце, которое перекачивает кровь, и многочисленные кровеносные сосуды, артерии, вены и капилляры, дает сбой, то это может привести к серьезному ущербу — от сердечных приступов до инсультов. Впрочем, в организме действуют специальные механизмы, направленные на восстановление поврежденных сосудов.

Свертывание крови — один таких механизмов. Он жизненно необходим, когда нужно остановить кровотечение из поврежденного сосуда, однако крайне важно, чтобы свертывание не происходило в нормальных обстоятельствах. Тогда может произойти закупорка кровеносного сосуда — и вслед за этим катастрофические последствия.

Свертывание крови в поврежденном сосуде происходит благодаря тромбоцитам, которые скапливаются в поврежденной области. Они выделяют химические вещества, которые вместе с ними самими образуют своего рода «пробку», закрывающую поврежденное место и тем самым останавливающую кровотечение. Тромбоциты — это небольшие фрагменты клеток дискообразной формы, вырабатываемые в костном мозге. Их единственная функция — предотвращать потерю крови. Оказавшись на месте повреждения, они меняют форму и превращаются из дисков в сферы, которые выбрасывают длинные тонкие нити.

Но те же самые спасительные тромбоциты в иной ситуации становятся причиной инсультов — если повреждается важный кровеносный сосуд, идущий в мозг. Сгусток, созданный ими на месте повреждения, превращается в тромб, вслед за чем следует повреждение нервных клеток. Тот же эффект вызывает тромб, образовавшийся в артерии и принесенный в мозг кровотоком. Впрочем, чаще всего тромбы образуются в венах, особенно в ножных венах тех людей, которые в течение долгого времени находятся в неподвижном состоянии.

Тромбы опасны еще и тем, что могут срываться с места и двигаться в потоке крови, достигая и блокируя новые участки системы кровообращения. Так, тромб, образовавшийся в вене, способен попасть в правое предсердие или в легкие. Тромб достаточно крупного размера, атаковавший крупную легочную артерию, может привести к резкому падению кровяного давления — и к немедленной смерти. Меньшие по размерам тромбы просто повредят легкие.

Внутренняя оболочка наших сосудов постепенно зарастает фиброзно-жировыми бляшками, что сужает их стенки и повышает вероятность развития атеросклероза. Такие бляшки в основном появляются в артериях. Считается, что они являются хронической воспалительной реакцией на повреждения внутренних стенок сосуда, но точно причина атеросклероза до сих пор не установлена.

Напряженно работающая сердечная мышца очень сильно зависит от хорошего кровоснабжения — ей необходимо постоянно получать кислород и питательные вещества. Сужение же кровеносных сосудов, идущих к сердцу, приводит к перебоям в ее работе и, как следствие, к смерти человека.

Остеопороз, заболевание костей, также может быть вызван уменьшением кровоснабжения, что приводит к активизации клеток остеокластов. В обычной ситуации функция остеокластов заключается в том, чтобы модифицировать кость по мере развития эмбриона и последующего роста человека. Но если ухудшается снабжение кости кислородом, остеокласты приступают к замене «плохо работающих» костных клеток, что делает кость более хрупкой и подверженной переломам.

Мутации генов являются основной причиной многих заболеваний, от дистрофии мышц до депрессии, поскольку приводят к изменениям или недопоставкам необходимых белков либо к присутствию белков в тех клетках, где они не нужны. К сожалению, в большинстве случаев при анализе заболеваний, вызванных генными факторами, очень сложно понять, как именно те гены, которые подверглись мутациям, вызвали в клетках изменения, которые привели к болезни. Существует вероятность почти в семьдесят процентов, что по крайней мере однажды в жизни у человека произойдет расстройство здоровья, вызванное воздействием дефективного гена, — речь идет в первую очередь о заболеваниях сердечно-сосудистой системы или раке. Около пятидесяти процентов самопроизвольных выкидышей происходят из-за генетических расстройств, а у одного процента новорожденных детей имеются генетические отклонения. Замена всего лишь одного нуклеинового основания на другое из общего числа в миллионы оснований, входящих в состав нашей ДНК, может привести к изменению формулы синтезируемого клеткой белка и, возможно, к появлению какой-то аномалии. Однако при том уровне знаний, каким мы сейчас располагаем, исследование последовательности ДНК какого-то конкретного человека не дает понимания того, какие генетически обусловленные заболевания могут ему грозить.

При 30 тысячах различных генов в человеческом организме синтезируется не менее 100 тысяч различных белков. В каждом из них может произойти сбой, влекущий за собой изменение функций этого белка. При наиболее распространенной форме изменения ДНК меняется всего лишь один нуклеотид из многих миллионов, содержащихся в различных секторах этого основного элемента хромосом. Можно сказать, что в ДНК каждого из нас имеются ошибки, которые, надо надеяться, не приведут к явным негативным последствиям в виде производства ненужных белков или дефицита белков, нам необходимых.

Причинно-следственная связь между аномалиями белков и конкретной болезнью может быть весьма сложной и запутанной; обычно она весьма трудна для понимания. Еще более серьезной проблемой является то, что в возникновении большинства заболеваний повинен не один, а сразу несколько генов, порой — очень большое число генов, и в этой связи почти невозможно отследить, как именно сочетание мутировавших генов приводит к заболеванию. Тем не менее последние исследования выявили 24 генетических фактора риска возникновения таких распространенных заболеваний, как диабет, биполярное расстройство, кишечное воспаление и артрит. Эти данные получены в результате обследования 17 тысяч людей.

Есть и другие примеры генетически обусловленных заболеваний, которые наглядно демонстрируют, как изменения в генах могут повлиять на нашу жизнь. Дистрофия мышц — это наследственное заболевание, связанное с заменой мышечных волокон жировыми клетками. Возникает оно, когда поврежденный ген перестает кодировать белок, который находится вблизи оболочки мышечных клеток; впрочем, пока не ясно, почему это приводит к столь тяжелым последствиям.

Пузырьковый фиброз — это заболевание, связанное с дисфункцией клеточных оболочек. Ее вызывает мутация гена, кодирующего белок, входящий в состав клеточной оболочки и контролирующий канал, через который соли натрия пропускаются в клетку и выходят из нее. Вредоносное воздействие гена, пережившего мутацию, особенно ощутимо в поджелудочной железе и в легких. Необходимый белок синтезируется, однако ген препятствует его движению, в результате чего белок так и не попадает в клеточные оболочки. Это ведет к нарушению функций поджелудочной железы и легких.

Мутация рецептора мужского гормона тестостерона делает клетки мужчины нечувствительными к тестостерону и приводит к тому, что мужчина с хромосомами XY приобретает внешние признаки женщины. При этом у такого мужчины все равно будут развиваться яички. Синдром Кляйнфельтера, являющийся причиной мужской импотенции, обусловлен тем, что у мужчины появляется лишняя хромосома X. Синдром Тернера — отсутствие у женщины внешних женских признаков — связан с наличием лишь одной хромосомы X вместо положенных двух.

Психические заболевания — не все, но многие — также могут быть вызваны генными сбоями. Это доказывается тем, что однояйцовые близнецы, имеющие одни и те же гены, с вероятностью по крайней мере 50 процентов страдают одинаковыми душевными недомоганиями. В случае же с биполярными депрессиями вероятность возрастает до 75 процентов. Шизофрения также имеет генетическую природу; считается, что в мире ею болен 1 процент населения. Но точно определить гены, которые являются непосредственными виновниками психических заболеваний, крайне трудно. Правда, ученым удалось идентифицировать один из многих генов, связанных с возникновением депрессии, — он блокирует поступление в организм серотонина, что, как полагают, и есть одна из причин депрессии. Однако до полного прояснения ситуации еще очень далеко.

Большинство генных мутаций влияют на организм из-за того, что белки, кодируемые генами-мутантами, утрачивают свои функции. Однако некоторые мутации воздействуют на организм и в силу того, что кодируемые белки приобретают новые — нежелательные — функции. В качестве примера можно привести болезнь Хантингтона — дегенеративное расстройство нервной системы, которое приводит к совершению неконтролируемых движений, утрате интеллектуальных способностей и эмоциональному возбуждению. При болезни Хантингтона белок, кодируемый мутировавшим геном, убивает нервные клетки в определенных частях мозга, следствием чего становится гибель нервов, которые регулируют движения. Болезнь Хантингтона обнаруживается во взрослом возрасте (в то время как остальные генетически обусловленные болезни обычно проявляются в детстве), и поэтому те, кто болен ею, часто успевают произвести на свет детей. Мутация гена, обуславливающая болезнь Хантингтона, передается как через мужские, так и через женские хромосомы, и поэтому существует очень большая вероятность, что ребенок обязательно унаследует заболевание от больного родителя.

С утратой нервных клеток головного мозга связана и болезнь Паркинсона, для которой характерны дрожание рук, ног, головы, замедленность движений. Ученые полагают, что и здесь имеется генная подоплека. Но причина болезни Паркинсона не в наследственности, а в исчезновении ряда определенных микроРНК. Кстати, на значительную роль микроРНК как для роста и развития организма, так и для развития ряда заболеваний указывает все больше данных. Возможно, что микроРНК, а точнее, нарушение их функций «виновато» в болезни Альцгеймера.

Лет тридцать назад существовали весьма оптимистические ожидания по поводу возможностей применения генной терапии для лечения ряда заболеваний. Одним из первых кандидатов был пузырьковый фиброз. Суть метода в введении «правильных» генов в клетки больного. Однако выяснилось, что ввести нормальный ген в те клетки, где он отсутствует, крайне сложно, а добиться того, чтобы он стал функционировать, — еще сложнее. Правда, в последнее время в области генной терапии достигнуто обнадеживающее достижение: ученые смогли ввести ген в клетки глазной сетчатки людей, страдающих от генетического сбоя, который приводил к слепоте. И это привело к улучшению их зрения!

После того как мы рассмотрели многие заболевания с точки зрения ненормального поведения клеток, необходимо упомянуть и о взглядах тех, кто исповедует совершенно иной подход к проблеме возникновения болезней. Речь об адептах альтернативной медицины, которые выдвигают самые разные теории, и эти теории, на мой взгляд, совершенно бессмысленны в свете того, что мы знаем о клетках.

Лично я с превеликим удовольствием вступил бы в Общество защиты научных терминов. Тяга к вступлению стала особенно сильной после того, как я попробовал технику шиацу, которая похожа на акупунктуру, но без иголок, что особенно приятно. А если серьезно, то идея о том, что постукивание и массирование отдельных частей тела способны обнаружить специфическую энергию, настолько иррациональна, что может привести в бешенство кого угодно. В результате сеанса шиацу я узнал, что у меня очень низкая почечная энергия.

Наука стремится использовать слова осмотрительно и так, чтобы каждому понятию давалось самое строгое определение. Люди же, не имеющие к науке отношения, используют термины совершенно произвольно — так они придают своим утверждениям мнимый вес. И с особенной очевидностью абсурдность ситуации проявляется при использовании понятия «энергия». Так, «аюрведическая медицина» утверждает, что в нашем теле существуют каналы, по которым переносится энергия. Центральным понятием акупунктуры являются каналы энергии «ци». Лечение при помощи кристаллов основано на передаче энергии. При этом нет никаких указаний на то, каким образом эта «энергия» вырабатывается и в чем ее природа.

Позитивные результаты, которые порой достигаются благодаря применению «альтернативной» медицины, следует, скорее всего, отнести на счет эффекта плацебо. И уж совершенно ясно, что все это не имеет никакого отношения к фундаментальному понятию энергии, используемому в науке. Энергия, как это было признано еще Галилеем, есть способность совершать работу. Поднятие груза при помощи блока требует приложения силы на расстоянии. Производное силы и расстояния есть работа, являющаяся эквивалентом энергии. Единицей измерения энергии является джоуль, который определяется как сила в один ньютон, прилагаемая на расстоянии один метр. Вся энергия ассоциируется с движением — поднятый вверх вес, например, обладает потенциальной энергией для того, чтобы опуститься вниз, и тогда его энергия конвертируется в кинетическую. В движении молекул присутствует химическая энергия, а в тепле — тепловая. Энергия никогда не теряется, она лишь переходит в иную форму энергии. Основным источником энергии в нашем мире является солнечная радиация, образующаяся в результате термоядерных реакций.

Клетки используют энергию для того, чтобы сохранять свою сложную структуру, чтобы расти, размножаться и двигаться, и теперь мы знаем, что эта энергия берется из АТФ. АТФ обеспечивают клетку энергией, когда один из трех входящих в состав этой молекулы фосфатов удаляется. Без АТФ не функционировали бы печень, почки и мозг — одним словом, все наши органы. Не имеется никаких доказательств наличия такой химической или биологической сущности, как энергия «ци» или «почечная энергия».

Подобное злоупотребление научным понятием дело не безобидное, ибо оно придает фальшивую достоверность объяснениям, которые предлагаются широкой публике с целью обосновать лженаучные методы. Я вовсе не утверждаю здесь, что все виды альтернативной медицины неспособны помочь больным или что их воздействие целиком и полностью объясняется эффектом плацебо, — я лишь говорю, что заявлять, будто в основе лечебного эффекта лежит какая-то «энергия», означает совершенно сбивать людей с толка.

13. Происхождение жизни

Загадка первой клетки

Теория Дарвина со всей ясностью говорит о том, что человек развился из самой первой клетки, появившейся миллиарды лет тому назад. Как же возникла эта самая первая клетка? Каково происхождение жизни? Является ли жизнь чем-то большим, нежели просто удачным результатом сложных химических реакций?

То, как отдельные клетки развились во многоклеточные организмы, — гораздо более простой вопрос, нежели вопрос о происхождении первых клеток: когда клетки появились, для них, в сущности, уже не составило проблемы развиться во все остальное, в том числе и в нас, в людей. Эволюция отбирала те клетки, которые эффективнее всего размножались, — те, чьи гены кодировали белки, лучше всего способствующие выживанию клеток.

Изучение древних каменистых отложений позволило обнаружить следы жизни, относящейся к периоду времени от трех до четырех миллиардов лет тому назад. В настоящее время на нашей планете существует более 10 миллионов различных видов живых организмов, и все они состоят из клеток. Живые существа возникали в силу естественного отбора, завоевывали территории, размножались — одни в ходе естественного отбора выживали, другие вымирали.

Клетки всех животных и растений развились из гораздо менее крупных одноклеточных организмов — таких, как, например, бактерии. Одной из наиболее ярких способностей первых клеток было умение формировать многоклеточные сообщества. Возможно, она стала эволюционным преимуществом каких-то групп клеток, поскольку клеткам было свойственно поедать друг друга в тяжелые времена.

Эволюция клеток зависит от мутаций генов, поскольку именно они являются носителями наследственной информации от одного поколения к другому. Изменения в генах приводят к изменениям в синтезируемых белках, а это ведет к изменению поведения клеток; если в результате всего этого выживаемость клетки повысится, то эволюция выберет именно ее, а другие клетки отомрут. Мутации генов обеспечивают материал для эволюции, поскольку в ее распоряжении имеются как прежние гены, так и новые, между которыми можно выбирать.

Эволюция на основе естественного отбора является поразительно мощным инструментом создания сложных функционирующих систем. Представьте, что ваш компьютер в случайном порядке выдает одно за другим решения какой-то конкретной проблемы. Изучив его предложения, вы выбираете наиболее подходящие и отбрасываете все остальные. Затем вы сводите все оставшиеся идеи воедино — можно сказать, скрещиваете их друг с другом путем обмена информацией и добавляете что-то от себя; все этой создает базу для появления новых идей. Эта процедура повторяется снова и снова, и вы каждый раз отбираете то, что, на ваш взгляд, приближает вас к решению изначальной задачи.

Очевидно, что это — весьма действенный подход, и клетки пользовались им для того, чтобы развиться в сложные организмы, подобные человеческому. В итоге эволюция создала такие системы, которые не смог бы разработать ни один инженер.

Наиболее распространенные организмы в мире бактерии — клетки, лишенные ядер и митохондрий, — зародились около трех миллиардов лет тому назад. Затем некоторые из них на каком-то этапе превратились в более сложные и гораздо более крупные по размерам клетки с ядрами, содержащими гены, и митохондриями для выработки энергии. У этих клеток уже не имелось жесткой оболочки, и они могли быстро менять свою форму самыми разнообразными способами. Неизвестно, как именно развились из бактерий подобные клетки, однако ясно, что чувствовали они себя вполне комфортно и развились в различные одноклеточные организмы вроде амебы. Они были и многочисленными, и разнообразными и прекрасно размножались за счет деления клеток. Почему же тогда на Земле появились многоклеточные организмы? В чем было преимущество сообществ клеток?

Насчет преимуществ еще можно ответить. Стандартный ответ заключается в том, что с течением времени это дало возможность для разделения труда между клетками и некоторые из них начали специализироваться на конкретных задачах — например, на переваривании пищи. Однако это не объясняет, как и почему изначально появились многоклеточные организмы.

Возможный сценарий выглядит так. Одна из клеток подвергается мутации, в результате чего при ее последующем делении образовавшиеся дочерние клетки не разделяются, а остаются вместе и продолжают оставаться вместе с каждым новым делением. В результате образуется колония из многих клеток. Когда эта колония становится слишком большой, она просто распадается на части, и эти части вновь вырастают в новые колонии.

Преимущество, которым обладали в силу естественного отбора колонии из многих клеток, заключалось в том, что при нехватке пищи клетки, входящие в колонию, могли питаться своими более слабыми собратьями и таким образом выживать. Этот процесс можно наблюдать на примере гидр и плоских червей. Когда эти животные голодают, они уменьшаются в размерах из-за того, что одни их клетки поглощают другие. Изучая их, несложно представить, как отдельные клетки, находящиеся в центре примитивной многоклеточной колонии клеток, принимались в тяжелые времена пожирать своих соседей и не отказывались от этого и тогда, когда голод отступал. Эти клетки стали прародителями яйцеклетки, поскольку они могли питаться, расти и затем делиться, с тем чтобы породить набор клеток, способных образовать многоклеточную колонию.

Яйцеклетка — это единственная клетка, выживающая при всех равных условиях, поскольку именно она порождает новое животное. Одна из основных функций всех клеток организма самки заключается в том, чтобы обеспечить питание яйцеклетки, и поэтому они легко жертвуют собой ради ее процветания. Таким образом, истоки нашего происхождения могут лежать, с одной стороны, в каннибализме, а с другой — в альтруистическом самопожертвовании клеток.

Все это, однако, не дает разгадки появления первой клетки, а значит, и происхождения жизни. Одно время ученые полагали, что в космосе присутствует особая сила, которая способствует самопроизвольному ее зарождению. Хотя эти взгляды восходят еще к Аристотелю, они были в ходу еще несколько столетий назад, пока изобретение микроскопа не произвело переворот в научных представлениях. Теория спонтанного самозарождения жизни была окончательно ниспровергнута в 1859 году, когда Луи Пастер сварил в колбе мясной бульон и затем изогнул узкое горлышко колбы так, что в колбу мог проникнуть воздух, но не могли попасть бактерии. Ни одной бактерии так и не удалось развиться в бульоне. Но когда Пастер наклонил колбу так, что в нее могли проникать из воздуха бактерии, то мясной бульон стал быстро кишеть бактериями. Ученые осознали, что бактерии попадали в бульон из окружающей воздушной среды, и теория спонтанного самозарождения жизни была отвергнута.

Подтверждение присутствия в воздухе бактерий явилось фактом исключительной важности. После этого ученые стали искать источник происхождения жизни в далеком прошлом, но так и не решили окончательно, возникла первая клетка благодаря длительному процессу или это было единичное явление, в ходе которого произошла самоорганизация материи.

Под понятием «жизнь» мы подразумеваем систему, которая размножается, обладает такой характеристикой, как наследственность, приносит потомство, имеющее отношение к своим родителям. Все эти качества являются необходимыми для осуществления эволюционного процесса в соответствии с учением Дарвина, и клетки ими обладают.

Самые старые каменные отложения, в которых удалось обнаружить присутствие следов жизни, имеют возраст примерно четыре миллиарда лет. Есть версия, что элементы первых клеток обязаны своим происхождением электрической активности в атмосфере Земли. Например, некоторые из минералов типа пирита, найденные в местах выходов на поверхность вулканов, способны преобразовывать двуокись углерода в такие вещества, как аминокислоты, являющиеся необходимым составным элементом белков, на которых основана земная жизнь. Имеются данные о том, что воздействие солнечного света на некоторые минералы способно породить прекурсоры РНК и ДНК. Самые древние клетки — бактерии — обходились без кислорода, поскольку в ту пору свободного кислорода практически не было. Они использовали механизм фотосинтеза и разлагали с его помощью химические вещества до тех пор, пока около двух миллиардов лет тому назад кислород наконец не появился в земной атмосфере.

Исходными веществами, из которых образовались клетки, являлись вода, двуокись углерода, азот и, возможно, небольшое количество аммиака — не слишком многообещающий набор материалов в не самой благоприятной среде. Число молекул, сыгравших ключевую роль в зарождении жизни и в том ее продолжении, которое мы наблюдаем сейчас, удивительно мало. Это нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК с их длинными нитями нуклеотидов, белки с их длинными нитями аминокислот, два основных типа сахаров для получения энергии, а также некоторые молекулы жиров.

В 1950-х годах ученые исследовали возможность зарождения жизни в земных морях под воздействием солнечного излучения. Но затем это предположение затмила гипотеза, выдвинутая лауреатом Нобелевской премии по химии Гарольдом Юри; она сводится к тому, что жизнь зародилась атмосфере под воздействием электрических разрядов. Один из учеников Юри — Стэнли Миллер поставил эксперимент с целью попытаться создать аминокислоты из составных частей древней атмосферы. Он сконструировал аппарат, соединявший сосуд с нагретой водой с газовым резервуаром, в котором находились метан, аммиак и водород. Газовая смесь пропускалась через два электрода, между которыми периодически проскакивал электрический разряд — искусственная молния. Через несколько дней вода приобрела желтый цвет, а на дне сосуда с нагретой водой появился черный осадок. Исследование этого осадка выявило наличие аминокислот — ключевых компонентов белков, а также других органических молекул. Публикация этих результатов в 1953 году вызвала настоящую сенсацию. Поразительным совпадением является то, что в том же году была открыта структура ДНК. С тех пор при помощи аналогичных методов были синтезированы другие жизненно необходимые молекулы — такие, как молекулы сахаров, обеспечивающие клетки энергией. Важным изменением при проведении новой серии экспериментов стало то, что они велись при более низких температурах. Спустя двадцать лет после опытов Миллера удалось добиться образования молекул, относящихся к классу нуклеиновых кислот.

Тем не менее какими бы поразительными и обнадеживающими ни были результаты подобных экспериментов, показавших, что по крайней мере часть органических молекул могла возникнуть в земных условиях далеких эпох, многие вопросы так и остались без ответа. Ученые не добились синтеза более крупных молекул — белков и нуклеиновых кислот типа ДНК. Неприятным фактом оказалось и то, что воздействие молний и солнца приводило скорее к расщеплению молекул, нежели к тому, чтобы они становились больше.

Новый взгляд на зарождение жизни стал возможен в 1977 году, когда геологи изучили дно моря в районе Галапагосских островов. Исследования проводились на глубине в полторы мили, в районе повышенной вулканической активности, где подогретая в трещинах вулкана горячая вода смешивалась с окружающей холодной морской водой. Здесь ученые обнаружили большое число одноклеточных организмов, и многие из них стали после этого склоняться к мысли, что ключевую роль в зарождении жизни на планете сыграли все-таки глубины океана, но поспособствовал им в этом не солнечный свет, а вулканы.

Это побудило ученых искать следы возникновения жизни на еще больших глубинах; так были обнаружены микробы под гигантским слоем арктического льда и в глубоководных горячих источниках. Однако это не дало ответов на поставленные вопросы и не позволило установить связь между образованием простейших молекул, появлением более крупных молекул и возникновением живой клетки. Не удалось прояснить и вопрос об образовании белков — основного компонента живой клетки, который обеспечивает синтез самих себя и большинства других молекул.

Обнадеживающие результаты принесли исследования камней, особенно ряда минералов. Их поверхность представляет собой благоприятное место для сборки крупных молекул. Особенно большие надежды ученые возлагали на глину, и действительно, было обнаружено, что аминокислоты формировали белки на поверхности глины, когда вода испарялась. Другие минералы могли оказать поддержку при синтезе относительно крупных белковых цепей. Более того, когда в смесь органических веществ, которые образовывали небольшие белки на поверхности глины, добавлялись РНК, это приводило к тому, что частицы глины, покрытые РНК, оказывались внутри формировавшихся пузырьковообразных белковых структур. Это была еще не клетка, но результат выглядел многообещающим. В этой связи были выдвинуты даже теории, гласящие, что частички глины могли сами сформировать первоначальную жизнь на Земле. Однако от всего этого до синтеза белка, кодируемого нуклеиновыми кислотами, чересчур большая дистанция.

Чтобы понять, как могла быть создана первая клетка, следует иметь в виду, что существование клетки невозможно без трех процессов — роста, размножения, или самовоспроизводства, и эволюции. Наибольшую сложность представляет размножение, которое связано с созданием структур на основе использования источника энергии и со способностью передавать такие структуры от одного поколения к следующему — это, собственно, и есть основа генетики. Многообещающими выглядят самовоспроизводящиеся цепи взаимодействующих молекул. Если выяснится, что входящие в них молекулы способствуют воспроизводству других молекул, то мы близко подходим к созданию примитивной клетки.

Самовоспроизводящиеся молекулы — это ключевые элементы эволюции, поскольку их репликация позволяет передавать характерные признаки родителей потомству. В 1980-е годы наиболее популярной была идея о том, что это может происходить на основе использования РНК. Она возникла после открытия рибозимов — нитей РНК, которые не только являются носителями генетической информации, но и действуют как катализаторы, способствующие образованию самих РНК. Это позволило выдвинуть теорию о древнем мире живых организмов, существовавших на базе РНК.

Предположение о том, что самым первым энзимом могла стать молекула РНК, выдвинул британский молекулярный биолог, врач и нейробиолог Фрэнсис Крик. В ныне существующих клетках подобного энзима нет, но в лабораторных условиях подобные образования создать удалось. Поместив в колбу большое количество РНК с разной последовательностью нуклеотидов в нитях, исследователи добились формирования вещества с некоторыми из свойств РНК-энзима, пригодного для обеспечения воспроизводства РНК. Но, несмотря на всю привлекательность итогов эксперимента, до сих пор остается загадкой, как именно такое вещество могло возникнуть.

Ощутить эту проблему можно, взглянув на химическую структуру РНК. Она создана из нитей нуклеотидов, каждая из которых содержит девять или десять атомов углерода, большое количество атомов азота и кислорода, а также фосфат, соединенные вместе в весьма сложную структуру. Существует бесконечное число различных путей, какими эти атомы могут соединяться друг с другом, образуя структуры, не имеющие ничего общего с РНК; поэтому формирование схожей с РНК нити нуклеотидов кажется делом невозможным — совпадением, которое в принципе быть не может. И тут к месту вспомнить слова лауреата Нобелевской премии по медицине Кристиана де Дюва, который призывал «отвергнуть невероятные события, невероятность которых настолько велика, что их можно назвать разве что чудом, феноменами, которые находятся вне сферы научных исследований».

Ученые, исповедующие другой подход к проблеме возникновения жизни, призывают фокусировать внимание не на сообществах молекул, способных к самовоспроизведению, а на маленьких молекулах, которые взаимодействуют друг с другом и за счет этого образуют своего рода систему. Эта система, по их мнению, росла и развивалась, а поддерживать ее жизнь мог механизм, обеспечивающий химические реакции за счет резких температурных перепадов или радиоактивности. Однако даже если принять эту идею за основу, происхождение жизни все равно останется загадкой.

Разумеется, есть и те, кто заявляют, что нет никакой проблемы или загадки, поскольку был творец жизни — например, библейский Господь Бог. И пусть отсутствуют доказательства существования такого творца или проектировщика, однако тем, кто верит в Него, уже не нужно напрягать голову, раздумывая об истоках жизни. Разумеется, их не заботит и проблема возникновения клетки.

Впрочем, и они вряд ли станут отрицать очевидную вещь: что бы мы ни делали, ни думали или ни чувствовали — все это целиком и полностью определяется нашими клетками. Мы должны всегда помнить, что, какими бы умными мы ни считали клетки, они на самом деле намного умнее, чем нам кажется, — и это значит, что впереди нас ожидает еще множество сюрпризов.

Сознавая, что мы являемся результатом эволюции сообщества клеток, мы должны уважать наши клетки и заботиться о них точно так же, как они заботятся о нас.

Словарь

Аденозинтрифосфат (АТФ) — источник энергии для большей части процессов жизнедеятельности клеток.

Аксоны — выходящие из нервных клеток нити, передающие электрические нервные импульсы.

Актин — белковая молекула, которая участвует в процессах сокращения мускулов и движения клеток.

Аминокислоты — молекулы, которые соединяются друг с другом, чтобы образовать белки.

Антиген — чужой белок или сахар, который распознается иммунной системой.

Апоптоз — самоубийство клетки.

АТФ, см. Аденозинтрифосфат.

Бактерии — крошечные клетки, не имеющие ни ядра, ни митохондрий.

Белки — основные рабочие элементы внутри клеток, созданные из цепей аминокислот.

Веретено — возникающая в стадии митоза структура, созданная из микротрубочек, которая вызывает расщепление хромосом и их переход в новообразованные клетки.

Вирус — крошечный вредоносный микроорганизм, который способен размножаться только внутри клеток.

Гаструляция — процесс, характерный для развития эмбриона на ранней стадии, когда отдельные группы клеток, из которых впоследствии сформируются нервная система, мускулы и кости, перемещаются на нужные позиции.

Ген — участок ДНК, задающий последовательность аминокислот в белке.

Геном — наследственная информация, закодированная в хромосомах.

Дендриты — выходящие из нервных клеток нити, благодаря которым образуются соединения с другими нервными клетками (синапсы).

ДНК — генный материал клетки, двойная спираль из нуклеотидов.

Ион — атом или молекула с электрическим зарядом.

Клеточный цикл — рост клетки и ее разделение на две клетки.

Клонирование — получение одинаковых клеток из одной клетки.

Лимфоциты — белые кровяные тельца двух типов, присутствующие в адаптивной иммунной системе. Тип В порождает антитела, тип Т способен уничтожать клетки, в которых присутствуют антигены.

Липиды — молекулы жиров.

Макрофаги — тип белых кровяных телец, которые пожирают инородные тела.

Мезодерма — клеточный слой эмбриона, из которого развиваются его мускулы и скелет.

Мейоз — стадия развития яйцеклеток и сперматозоидов, во время которой количество хромосом уменьшается вдвое.

Метастаз — рост и распространение раковых клеток.

Микро-РНК — крохотные молекулы РНК, контролирующие многие процессы в клетке.

Микротрубки — цепи белков, из которых строятся мельчайшие трубки внутри клеток.

Митоз — стадия в процессе разделения клетки, при которой хромосомы перемещаются во вновь образовавшиеся клетки, а старая клетка разделяется на две.

Митохондрия — крохотные похожие на сосиски образования внутри клеток, обеспечивающие их энергией.

Мутация — изменение ДНК в хромосомах, меняющее кодировку цепочек белков или место их расположения.

Нуклеотиды — маленькие молекулы, которые соединяются в цепи подобно молекулам ДНК и РНК.

Рибосомы — мельчайшие образования в цитоплазме, которые строят белковые цепочки из аминокислот, используя генетический код.

РНК — цепочка нуклеотидов, которая используется в основном для того, чтобы перенести генный код белков из ядра клетки в ее цитоплазму.

Синапс — соединение между аксоном и другой нервной клеткой.

Сомиты — участки ткани, располагающиеся вдоль оси эмбриона, из которых впоследствии формируется позвоночник.

Стволовые клетки — клетки, способные к многократному делению и образованию различных типов новых клеток.

Теломеры — концы хромосом, которые уменьшаются в длине всякий раз при делении клеток.

Транскрипция — передача кода синтеза белка от хромосомной ДНК к РНК.

Тромб — сгусток, закупоривающий кровеносный сосуд.

Фагоцитоз — поглощение клеткой-макрофагом бактерии или отходов жизнедеятельности.

Фибробластомы — клетки соединительной ткани между костями, мускулами и кожей.

Хромосомы — находящиеся в ядре клеток нити ДНК, содержащие генетические коды и белки.

Циклины — молекулы, контролирующие циклы жизнедеятельности клеток.

Цитоплазма — окружающее ядро водянистое вещество внутри клетки.

Эндоплазматический ретикулум — система внутренних оболочек и мембран клетки, в которых происходит синтез белков.

Энзимы — белковые катализаторы, способствующие протеканию химических реакций.

Благодарности

Я выражаю благодарность за помощь, оказанную мне целым рядом людей. Элисон Хоукс читала мои черновики и правила мой стиль. Мой агент Энн Энгель, равно как и Элеанора Лоуренс и Хелен Джефферсон-Браун, вносили ценные предложения во время моей работы над книгой. Как всегда, неоценимую помощь оказали представители издательства «Фабер» — Джулиан Луз и его коллега Кейт Муррей-Браун, которая прекрасно проявила себя как редактор этой книги.

Content

Льюис Уолперт
Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Введение. Чудесная клетка

1. Открытие

2. Как мы живем

3. Как мы функционируем

4. Как работают гены

5. Как заменяются наши клетки

6. Как мы становимся людьми

7. Как мы воспроизводим себя

8. Как мы двигаемся, думаем и чувствуем

9. Как мы растем и почему мы стареем

10. Как мы выживаем

11. Как рак поражает организм

12. Как возникают болезни

13. Происхождение жизни

Словарь

Благодарности