Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Но это история клеточной биологии, а не клетки. История клетки началась за миллиарды лет до зарождения клеточной биологии. Первые клетки (наши самые простые, самые примитивные предки) появились на Земле от трех с половиной до четырех миллиардов лет назад, примерно через семьсот миллионов лет после рождения самой Земли (если задуматься, это очень короткий отрезок времени; Земля прожила лишь пятую часть своей истории до того, как на ней стали воспроизводиться живые существа). Как появилась “первая клетка”? На что она была похожа? Эволюционные биологи искали ответы на эти вопросы много десятков лет. Простейшая клетка, назовем ее “протоклеткой”, должна была иметь систему генетической информации, способную к самовоспроизводству. Почти наверняка первоначальная система репликации клетки состояла из нитевидной молекулы рибонуклеиновой кислоты, или РНК. В лабораторных экспериментах при условиях, напоминающих атмосферные условия на первозданной Земле, из простых элементов в слоях глины ученым удается получить предшественников молекул РНК и даже нити РНК.
Но переход от молекулы РНК к самореплицирующейся молекуле РНК – значительный эволюционный скачок. Скорее всего, нужны были две такие молекулы: одна служила бы матрицей (носителем информации), а другая (дубликатор) создавала бы на этой матрице копию.
Встреча этих двух молекул РНК, матрицы и дубликатора, возможно, была самой важной и взрывной историей любви в ходе эволюции на нашей живой планете. Влюбленным следует избегать расставаний, и, если бы эти две последовательности РНК разошлись в разные стороны, копирование было бы невозможно, следовательно, не существовала бы и клеточная жизнь. Это объясняет необходимость появления структуры (сферической мембраны), заключающей внутри себя эти компоненты.
Возможно, эти три элемента (мембрана, носитель информации и дубликатор) и были составляющими первых клеток27. Если самореплицирующаяся система на основе РНК заключена в сферическую мембрану, внутри этого пространства можно произвести больше копий РНК, а увеличить размер системы можно за счет расширения мембраны.
Биологи считают, что в какой-то момент ограниченная мембраной сферическая частица расщепилась надвое – ив каждой половине оказалась своя система копирования28. (В лабораторных условиях Джек Шостак и его коллеги показали, что простые сферические структуры, удерживаемые мембранами из жировых молекул, могут поглощать другие жировые молекулы, расти и в какой-то момент разделяться надвое.) И с этого момента “протоклетка” начала свой длинный эволюционный путь, приведший к появлению современных клеток. Эволюция отбирала клетки с более и более сложными свойствами, и в конечном итоге роль носителя информации стала играть не РНК, а ДНК.
Примерно три миллиарда лет назад из простого предшественника возникли бактерии, которые продолжают эволюционировать до настоящего времени. Археи, по-видимому, являются не менее древними, чем бактерии, и возникли примерно в то же самое время (хотя точное время их возникновения все еще горячо обсуждается), и они тоже существуют и эволюционируют до сих пор[31].
А что можно сказать о клетках, не принадлежащих бактериям или археям, – иными словами, о наших клетках? Примерно два миллиарда лет назад (опять-таки точная дата этого события все еще неизвестна) эволюция совершила неожиданный и необъяснимый поворот. Именно тогда на Земле появилась клетка, являющаяся общей предшественницей клеток человека, растений, грибов, зверей и амеб. “Их общий предок, – пишет Лейн, – уже имел сложную структуру «современной» клетки и отличался беспрецедентным молекулярным динамизмом, основанным на действии сложных наномашин, кодируемых тысячами новых генов, отсутствующих у бактерий”29. Новые данные подтверждают, что “современные” эукариотические клетки возникли среди архей30. Иными словами, жизнь состоит всего из двух доменов – бактерий и архей, а эукариоты (“наши” клетки) составляют сравнительно новую ветвь архей. Вероятно, мы появились позднее, как опилки, оставшиеся от выпиливания из дерева двух главных доменов жизни.
В следующих главах мы поговорим о современных клетках. Мы рассмотрим их сложную внутреннюю анатомию. Обсудим их “беспрецедентный молекулярный динамизм”, лежащий в основе репродукции и развития. Мы поймем, как организованные системы клеток (многоклеточные системы со специализированной формой и функцией) обеспечивают формирование и работу органов и систем органов, поддерживают постоянство функций тела, восстанавливают сломанные лодыжки и противодействуют разложению. А еще поговорим о будущем, в котором мы сможем использовать эти знания в медицине и научимся создавать функциональные части нового человека, чтобы улучшать его состояние или излечивать от болезней.
Но на один вопрос мы не ответим и, возможно, ответить не сумеем никогда. Происхождение современных клеток – эволюционная загадка. У нас имеется лишь самая скудная информация об их предках, и не осталось никаких следов от их двоюродных или троюродных “братьев и сестер”, никаких достаточно близких живых родственников и никаких промежуточных форм. Лейн называет это “необъяснимым вакуумом – черной дырой в самом сердце биологии”31.
Вскоре мы перейдем к анализу анатомии, функции, развития и специализации современных эукариотических клеток. Но эту вторую историю – историю о происхождении наших клеток – пока не может рассказать в полной мере ни эта книга, ни эволюционная наука.
Часть вторая
Одна и много
Слова “организм” и “организованный” имеют общий корень. Оба происходят от греческого слова organon (и более позднего латинского organumj, обозначающего инструмент, орудие или даже логический метод, предназначенный для достижения какой-то цели. Если клетка – это основная единица жизни, живой инструмент, формирующий организм, то для какой цели она “предназначена”?
Сначала клетка эволюционировала как самостоятельная единица, существующая в виде независимого живого элемента. Эта независимость, в свою очередь, определяется организацией – внутренней анатомией клетки. Клетка – не скопление химических веществ, в ней есть дискретные структуры, или субъединицы, которые обеспечивают ее независимое существование. Субъединицы нужны для получения энергии, выведения отходов жизнедеятельности, запасания питательных веществ, связывания токсичных продуктов и поддержания внутриклеточной среды. Кроме того, клетка устроена так, что способна размножаться, в результате чего одна клетка может произвести все остальные клетки, составляющие тело организма. Наконец, в многоклеточном организме клетка (по крайней мере первая клетка) предназначена для дифференцировки и превращения в другие специализированные клетки, что позволяет формировать разные части тела – ткани, органы и системы органов.
В этом заключаются первые и самые главные свойства клетки: независимость, воспроизводство и развитие[32].
На протяжении столетий эти главные свойства казались не поддающимися изучению. Внутренняя анатомия клетки и ее внутренний гомеостаз оставались, скажем так, внутренними черными ящиками. Репродукция и развитие происходили в третьем черном ящике – в утробе матери. Но по мере углубления наших знаний о клетке мы смогли раскрыть эти черные ящики и изменить фундаментальные свойства элементов живых существ. Можем ли мы починить клеточную субъединицу с нарушенной функцией? И если
