Лет 40 назад клетка — основная ячейка, из которых состоит всякий живой организм,— представлялась нам загадкой, хотя и сравнительно нетрудной. В учебниках биологии изображали так называемую «идеальную» клетку. По форме она напоминала слегка вытянутую сферу, и все в ней, как положено, отвечало своему назначению. Имелась оболочка, или мембрана, через которую содержимое клетки не может просочиться наружу, но зато могут просачиваться внутрь питательные вещества. Важнейшую часть клетки составляет сферическое ядро, заключающее в себе клубок хромосом и окруженное протоплазмой, или цитоплазмой, в которой во взвешенном состоянии находятся частички различных размеров — гранулы, глобули и вакуоли. Мы воспринимали как должное, что 30 триллионов этих маленьких устойчивых телец— шарообразных, многоугольных, чашевидных, звездоподобных, вытянутых, кубических, судя по назначению, — в совокупности образуют ткани, из когорых в свою очередь состоят органы и скелет, а все вместе взятое, гармонически сочетаясь, составляет организм человека.
За последние 30 лет, по мере совершенствования средств наблюдения и изучения клетки, накопилось огромное количество сведений о ее строении, сложной системе перепонок и оболочек — грубых, гладких, внутренних, внешних; о происходящих в ней химических процессах; о входящих в ее структуру частичках —то ладьеподобных, то напоминающих зернышки, трубочки, столбики, сложенные из дисков, спиральки. Узнали мы и о тысячах других вещей. Но мало что удалось узнать до конца, и чуть ли не с каждым днем клетка, этот микромир, постоянно сбивающий с толку исследователя, предстает перед нами все более сложной и загадочной. Если кончиком очень тонкой иглы чуть надколоть лист книги, так чтобы отметинка была не видна, то она все же окажется в два-три раза больше клетки печени, поперечник которой равен примерно 1/50 дюйма (1). Если еще чуть-чуть протолкнуть иглу, так чтобы острие только прошло через бумагу, но не двинулось дальше, то отверстие будет величиной примерно с яйцеклетку человека, диаметр которой равен 1/10 миллиметра; при хорошем зрении ее можно разглядеть. Еще меньше некоторые белые кровяные тельца: их поперечник составляет всего 1/300 миллиметра. Внутри всех этих микроскопически малых телец непрестанно что-то происходит: эта многообразная деятельность и есть жизнь.
Иногда же в них случается нечто, ведущее к катастрофе, к злокачественной опухоли. Неподготовленный человеческий разум не в состоянии спроецировать себя в подобный микромир, равно как и в галактики, находящиеся за пределами нашей Вселенной и открываемые при помощи радиоастрономии. Вся картина преобразуется. Если мы вообразим, что клетки нашего тела имеют такую же величину, как, скажем, мяч для настольного тенниса, то сами мы должны быть не менее мили ростом.
Точно так же для наглядности представим себе, что клетка состоит из двух мешков, или отделений, из которых один помещается внутри другого (2). Внутренний мешок, называемый ядерной оболочкой (мембраной), заключает в себе ядро (нуклеус), в котором содержится генетический материал. Наружный мешок носит название плазменной оболочки и содержит цитоплазму — прозрачное вещество, в котором находятся частички разного вида.
До недавнего времени цитоплазму (или, что то же, протоплазму) описывали как густую прозрачную жидкость и дальше этого не шли. Однако электронный микроскоп показал, что в ней имеется сложная система перепонок и тяжей, совокупность которых назвали эндоплазматическим ретикулумом (попросту говоря, эндоплазматической, или внутриплазменной сетью). Внутри
----------------------------------------
1 Очевидно, в оригинале ошибка. Автор, видимо, хотел сказать 1/500, что, кстати, соответствовало бы сказанному далее о размерах яйцеклетки.— Прим. перев.
2 Излишне говорить, что так обстоит дело лишь в нашем представлении. Не станет же человек, описывая себя, говорить, что он состоит из двух мешков, или полостей: грудной и брюшной, с различными придатками вверху, внизу и по бокам.
-----------------------------------------
они соединяются с ядерной оболочкой, являющейся их продолжением, а снаружи — с плазменной оболочкой, в которую точно так же переходят. Ретикулум составляет своего рода внутренний скелет клетки, омываемый цитоплазмой. В цитоплазме находятся различного рода и вида сложные тельца, или органеллы: до тысячи или больше митохондрий, напоминающих по форме сосиски (это «силовые станции» клетки, ее топка); несколько меньшее число телец, похожих на стопки мембран с загнутыми краями (так называемые тельца Гольджи); рибосомы — маленькие округлые образования, обрамляющие некоторые части эндоплазматической сети. Вплотную к ядерной оболочке примыкает маленькая частица — центриоль, состоящая из девяти двойных палочек, которые расположены по окружности, так что все вместе похожи на бочонок или цилиндр, скрепленный двумя поясками, или обручами. Центриоль представляет собой часть аппарата ядра.
Ядро, насколько нам сейчас известно, не заключает в себе ничего, кроме хромосом, носителей наследственности, и одного-двух зерновидных телец, называемых ядрышками.
Такая структура свойственна всем клеткам, за исключением бактерий. У бактерий хромосомы распределены по всей цитоплазме или же лишь неплотно собраны в «ядерной зоне», лишенной оболочки. (Вирусы, являющиеся неклеточными организмами, представляют собой не что иное, как клубки ядерного материала, окруженные протеиновой, белковой мантией и не содержащие ничего похожего на цитоплазму.) Все растения, насекомые, животные имеют схожее клеточное строение и состоят из одних и тех же веществ. Это превосходно выразил французский микробиолог Андре Львов:
«Рассматривая мир живых существ на клеточном уровне, мы обнаруживаем единство. Единство плана: каждая клетка имеет ядро, окруженное цитоплазмой. Единство функций: метаболизм в сущности одинаков у всех клеток. Единство строения: главные макромолекулы всех живых существ состоят из одних и тех же малых молекул. Таким образом, для того чтобы создать нее многообразие живых существ, природа воспользовалась строго ограниченным количеством строительных элементов... Каждой макромолекуле свойственна специфическая функция. Машина построена, чтобы делать именно то, что она делает. Можно восхищаться ею, но не надо терять голову. Если бы живая система не выполняла своих задач, она не существовала бы».
То обстоятельство, что клетка состоит из двух «отделений» (опять-таки мы упрощаем суть дела), позволяет ей играть двоякую роль. Прежде всего, она в целом выполняет свои функции по отношению ко всему организму. Так, клетка печени выполняет свои, только ей присущие функции; клетка кожи выполняет свои и т. д. Но, кроме того, когда приходит время, клетка дает жизнь новому поколению себе подобных.
В известном смысле цитоплазма вместе с органеллами, находящимися внутри плазменной оболочки, представляет собой как бы миниатюрную фабрику, гораздо более производительную, чем любая фабрика, выстроенная руками человека. Здесь клетка изготовляет новые части взамен износившихся, очищает и собирает воедино различные белки, превращает питательные вещества в энергию и обеспечивает течение жизненных процессов. Сама плазменная оболочка отнюдь не только удерживает все составные части клетки, ее значение гораздо важнее. Она избирательно пропускает внутрь молекулы веществ, необходимых для клетки, а изнутри выбрасывает как ненужные, уже переработанные продукты, так и продукты, которые данная клетка вырабатывает для других клеток (например, гормоны). Плазменная оболочка обладает достаточной гибкостью, чтобы придать некоторым клеткам подвижность вроде той, какая присуща амебе; она облегчает сообщение между клетками, служит своего рода отражателем для антител (и рецептором для вторгающихся извне организмов); обладая специфической «силой притяжения» то ли механического, то ли электрического свойства, она обеспечивает прочное сцепление клеток друг с другом при образовании тканей.
Что касается ядра, столь явственно выделенного и размещенного в своем собственном особом отделении, то оно представляет собой регулирующий центр клетки, который контролирует ее рост, развитие и деление. Если при помощи микроскопической иглы удалить ядро, клетка постепенно погибнет; если заменить ядро другим, заимствованным из клетки такого же вида, то при условии, что все пошло благополучно, клетка сможет жить и дальше.
Контроль, как предполагают, осуществляется при помощи хромосом, унаследовавших от своих клеточных предшественников инструкции о том, как должна себя вести данная клетка. Эта информация затем перейдет — опять-таки через хромосомы — к следующему поколению клеток. Важно, однако, отметить, что на микрофотографиях мы видим хромосомы в сжатой, компактной форме, которая, по-видимому, характерна только для того момента, когда начинается деление клетки. По большей части, в течение так называемой интерфазы, хромосомы трудно разглядеть, даже если окрасить их специальными красителями. Они покоятся внутри ядра в виде клубка длинных тонких нитей. Таково обычное состояние, в котором хромосомы выполняют свои функции до тех пор, пока процессы, происходящие в клетках, не потребуют, чтобы они собрались в двадцать три самостоятельные пары (в клетках человеческого организма).
Тайна истинного строения хромосом еще не разгадана. По-прежнему загадочны и их подлинная природа, и все значение их деятельности. Мы знаем, что хромосомы состоят из нуклеиновых кислот и различных белков. Сейчас общепризнано, что конечными носителями наследственности служат молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), обладающие способностью раздваиваться, причем новые молекулы с неизменной точностью воспроизводят ту, при расщеплении которой они возникли.
Клетки размножаются с различной быстротой. Например, у клеток печени интервал составляет около полутора лет. Есть клетки, деление которых происходит только тогда, когда они полностью сформируются, и если такие клетки гибнут, то им не находится замены. Лучшим примером этого могут служить нервные клетки. Исключительно интенсивна деятельность клеток крови, и в результате они быстро изнашиваются, так что для них замена требуется постоянно. То же относится и к другим клеткам, которые в нашей повседневной жизни расходуются в силу необходимости быстро; к ним относятся клетки кожи, внутренней поверхности пищеварительного тракта, мужские половые клетки.
Процесс деления клеток настолько поразителен, что мы, наблюдая его, порой забываем об интерфазе, в которой клетка проводит большую часть жизни, выполняя свои основные функции и готовясь к самовоспроизведению. Ядерный материал должен быть подготовлен таким образом, чтобы могли возникнуть два ряда хромосом. Различные органеллы в цитоплазме должны удвоиться (как и когда это происходит, мы не знаем). Допустим, от деления до деления клетки проходит 18 часов; в этом случае 17 с лишним часов падает на интерфазу и меньше часа — на деление. События начинают развертываться от этапа к этапу (эти этапы носят названия профазы, метафазы, анафазы и телофазы): оболочка ядра понемногу исчезает, спутанные нити хромосом становятся видимыми, вытягиваются, располагаются по поперечнику клетки и затем посредством удивительного механизма, называемого веретеном, или митотическим аппаратом, две цепочки хромосом отталкиваются к противоположным полюсам клетки.
Вокруг каждого ряда хромосом возникают ядерные оболочки, а сами хромосомы вновь принимают форму клубка тонких, едва различимых нитей. Клетка расщепляется на две части, каждая со своим собственным ядром, и теперь там, где была одна клетка, появляются две. Эта потрясающая метаморфоза внушает благоговейный трепет, и ей нет научного объяснения. «Когда я наблюдаю деление клетки,— писал английский генетик Уильям Бэтсон,— я ощущаю, вероятно, то же, что чувствует астроном, видя возникновение двойной звезды: на моих глазах свершается подлинный акт творения». Клетки всех живых существ создаются одним и тем же способом.
Жизнь человека начинается встречей и слиянием материнской зародышевой клетки — яйца и отцовской — сперматозоида. Во время оплодотворения обе клетки находятся в процессе так называемого мейоза (по-гречески: уменьшение в размерах), причем в каждой из них число хромосом сокращается наполовину — с 46 до 23. Таким образом, в оплодотворенной клетке насчитывается нормальное число хромосом — 46, или 23 пары, из которых половина поступила от матери и половина — от отца. Не будь мейоза, оплодотворенная клетка имела бы 92 хромосомы, а при таком ненормальном положении род вымер бы через немного поколений.
Теперь начинается деление оплодотворенной клетки с ее 23 парами хромосом. В хромосомах заложена вся генетическая информация, необходимая для развития и жизнедеятельности отдельного человеческого организма, и в соответствии с этим говорят, что оплодотворенная клетка «тотипотентна», то есть способна обусловливать возникновение клетки любого рода, необходимой зрелому организму.
Одна из самых замечательных особенностей деления клетки состоит в том, что при каждом делении дочерние клетки получают в точности такой же набор хромосом, какой имела материнская клетка. Следовательно, можно считать, что в каждой клетке организма содержится вся информация, потребная для развития и жизнедеятельности зрелого человеческого существа. Это очевидно уже потому, что зрелый человеческий организм — конечный продукт первоначальной оплодотворенной клетки — содержит и зародышевые клетки, которые (соединяясь с соответствующей зародышевой клеткой противоположного пола) обеспечивают возможность начать все сначала. Перефразируя слова Сэмюеля Батлера о том, что для яйца курица является орудием производства другого яйца, можно сказать, что человек — это орудие производства спермоклетками большего числа спермоклеток. Эта мысль не лишена оснований, так как зрелая мужская половая клетка не может воспроизводить самое себя путем деления.
Впрочем, при созревании зародыша человека делящиеся клетки довольно скоро перестают быть открыто тотипотентными. Они начинают «специализироваться», чтобы произвести клетки различного рода, необходимые для организма: нервные, мышечные, кожные, клетки соединительной ткани и так далее; количество форм почти бесконечно. Этот процесс, называемый дифференциацией, представляет исключительный интерес для биологов и онкологов. Он, между прочим, ведет к подавлению той части информации, которая хотя и содержалась в хромосомах, но специализированным клеткам не нужна. Более того, раз специализация началась, она необратима: кожная или мышечная клетка не может развиться вспять и вернуться к ни к чему не обязывающему существованию тотипотентной клетки. Судьба ее решена. И тем не менее во всех дифференцированных клетках хромосомы, насколько мы знаем, остаются носителями всей генетической информации, включая и ту, которая касается подавления излишка информации для каждого отдельного вида клеток.
Наконец, мы подходим к самой захватывающей и самой трудной проблеме клеточной биологии — процессу интеграции, когда все отдельные части и элементы соединяются, образуя цельный, законченный организм. Человек, рыба, мышь рождаются на свет не в виде набора клеток, тканей, органов, но как нечто целое. Как сообщаются друг с другом клетки для достижения этого единства? Как регулируется развитие? Каким образом прекращается рост? Мы, например, знаем, что при повреждении кожи место разрушенных клеток занимают новые, но, как только повреждение устранено, производство этих новых клеток прекращается.
Так какой же механизм следит за тем, чтобы клетки воспроизвели первоначальную структуру кожи? Как достигается в организме такая гармония, что все имеет определенный размер, выполняет определенные функции, что все происходит в определенном порядке? Ответить на эти вопросы очень легко: мы не знаем.
ПРИЧИНЫ И СИМПТОМЫ
