Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Принцип действия антибиотиков, так сильно изменивших лицо медицины, обычно основан на существовании каких-либо различий между микробными клетками и клетками хозяйского организма. Например, пенициллин уничтожает бактериальный фермент, необходимый для синтеза клеточной стенки, так что в стенках бактерий образуются “дыры”. Человеческие клетки не имеют именно таких стенок, поэтому пенициллин оказывается этакой “волшебной пулей” против бактерий, которым важна целостность клеточной стенки.
Каждый мощный антибиотик (доксициклин, рифампицин, левофлоксацин) распознает тот или иной элемент бактериальных клеток, который отличает их от человеческих клеток. В этом смысле каждый антибиотик можно назвать средством “клеточной медицины”: это препарат, действие которого основано на различиях между микробными и человеческими клетками. Чем больше мы узнаем о биологии клетки, тем более тонкие различия мы находим и тем более мощные противомикробные препараты можем создавать.
Прежде чем мы закроем тему антибиотиков и микроорганизмов, давайте немного поговорим об этих различиях. Каждая клетка на Земле (иными словами, каждый единичный элемент каждого живого существа) принадлежит к одному из трех различающихся доменов (или ветвей) жизни. Первый домен составляют бактерии – одноклеточные организмы, окруженные клеточной мембраной; они не имеют характерных структур животных и растительных клеток, но имеют собственные специфические структуры (именно на этом основано действие антибактериальных препаратов, о котором говорилось выше).
Бактерии невероятно, беспощадно, сверхъестественно успешны. Они занимают доминирующее положение в клеточном мире. Мы рассуждаем о них как о патогенах (бартонелла, пневмококк, сальмонелла), поскольку некоторые из них вызывают болезни. Однако на нашей коже, в нашей пищеварительной системе и у нас во рту живет несколько миллиардов бактерий, которые не причиняют нам никакого вреда. (Обширный обзор наших тесных и обычно симбиотических отношений с бактериями представлен в книге научного журналиста Эда Йонга “Как микробы управляют нами”20.) В большинстве случаев бактерии либо безвредны, либо даже полезны. Кишечные бактерии способствуют пищеварению. Как полагают некоторые исследователи, бактерии на коже препятствуют заражению гораздо более опасными микробами. Один инфекционист однажды сказал мне, что человек – лишь “красивый чемодан для переноса бактерий по миру”21. Наверное, он прав.
Изобилие и приспособленность бактерий поражают воображение. Одни живут в горячих источниках на дне океана, где температура воды близка к температуре кипения, так что они вполне могут выживать в чайнике. Другие прекрасно чувствуют себя в кислой среде желудка. А третьи столь же легко приспособились к жизни в самых холодных точках планеты, в неприступной тундре, где земля смерзается в камень на десять месяцев в году. Это независимые подвижные существа, способные общаться друг с другом и воспроизводиться. Целостность их внутреннего содержимого поддерживается мощными механизмами гомеостаза. Это полностью самодостаточные особи, но они могут общаться между собой и обмениваться ресурсами.
Мы с вами относимся ко второй ветви, или домену, называемой эукариотами. Слово eukaryote носит формальный характер: оно означает, что наши клетки, а также клетки животных, грибов и растений содержат особую структуру, называемую ядром (karyon, или kernel по-гречески). Ядро, как мы вскоре узнаем, является хранилищем хромосом. У бактерий нет ядра, и их называют прокариотами (“доядерными” существами). По сравнению с бактериями мы хрупкие, хилые, привередливые существа, способные жить в гораздо более узком диапазоне условий и лишь в некоторых экологических нишах.
Но есть еще и третья ветвь жизни – археи. Удивительный факт из истории таксономии заключается в том, что еще около пятидесяти лет назад эта ветвь живых организмов оставалась неизвестной. В середине 1970-х годов профессор биологии из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейне Карл Вёзе, пользуясь методами сравнительной генетики (сравнивая гены разных организмов), установил, что мы неправильно классифицировали не просто каких-то отдельных загадочных микробов, а целый домен жизни22. На протяжении десятилетий Вёзе в одиночку вел энергичную и жестокую научную борьбу, которая дорого ему обошлась. Он настаивал на том, что в таксономии не хватает целого домена жизни. По его мнению, археи были особенными, а не “почти такими же”, как бактерии или как эукариоты (в устах специалиста по таксономии выражение “почти такой же” является аналогом фразы родителя в отношении ребенка “Отстань, ты мне надоел”)23.
Многие известные биологи высмеивали или попросту игнорировали открытия Вёзе. В 1998 году биолог Эрнст Майр написал на тему трудов Вёзе поучительно-снисходительную статью (“Эволюция имеет дело с фенотипами… а не с генами”24) с абсолютно неверным толкованием работы Вёзе. Он вовсе не опровергал теорию эволюции – он не соглашался с таксономией, которая как раз имеет отношение к генам. У летучих мышей и птиц есть похожие физические характеристики, или фенотипы. Секрет их различия кроется в генах: эти животные принадлежат к разным таксонам. Журнал Science назвал Вёзе “революционером в шрамах”25. Но прошли десятилетия, и мы повсеместно приняли, подтвердили и отстояли его теорию, так что теперь археи считаются отдельным – третьим – доменом живых существ.
На первый взгляд, археи действительно во многом похожи на бактерий. Это крохотные существа, не имеющие некоторых структур, характерных для животных и растительных клеток. Но они безусловно отличаются как от бактерий, так и от растений, животных и грибов. Эволюционный биолог Ник Лейн из Университетского колледжа Лондона в книге “Вопрос жизни: энергия, эволюция и происхождение сложности”26 назвал их Чеширскими Котами в царстве жизни. Они совершенно незаменимы для полноты картины, но демонстрируют “свое присутствие только своим отсутствием”, иными словами, тем фактом, что не имеют определяющих признаков двух других доменов, что отчасти объясняет, почему мы ничего не знали о них до самого последнего времени.
Деление жизни на основные домены возвращает нас к еще одному важному разграничению в нашей истории о клетках. На самом деле здесь пересекаются две истории. Первая – это история клеточной биологии. Мы совершили долгое путешествие по этому пути – от Гука и Левенгука, обнаруживших клетки в конце 1600-х годов, до открытия тканей и органов двумя столетиями позднее и от открытия Пастером и Кохом бактерий как причины гниения и болезней до синтеза первых антибиотиков Эрлихом в 1910 году. Мы прошли путь от истоков клеточной физиологии – от провидческого замечания Распая “Клетка – это… своего рода лаборатория” до дерзкого предположения Вирхова о том, что клетки находятся в
