Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

История клетки начинается в 1665 г. с Роберта Гука, члена незадолго до того созданного Лондонского королевского общества, одной из первых академий наук в мире. Как часто происходит в науке, открытию способствовало появление новой технологии. Поскольку большинство клеток невозможно увидеть невооруженным глазом, их обнаружения пришлось дожидаться, пока в начале XVII в. не был изобретен микроскоп. Ученые часто сочетают в себе теоретика и искусного ремесленника, это полностью справедливо в случае Гука, он в равной степени свободно чувствовал себя в физике, архитектуре или биологии, поскольку изобретал научные приборы. Он конструировал микроскопы собственного изобретения и затем с их помощью исследовал странные миры, не видимые невооруженным глазом. В числе других вещей Гук рассматривал тонкий срез коры пробкового дерева. Он обнаружил, что пробковая древесина состоит из рядов окруженных стенками полостей, очень похожих на концы корней лука, которые 300 лет спустя увидел я, учась в школе. Гук назвал их cells (от латинского слова cella, что значит «комнатка» или «келья»). В те времена Гук не знал, что зарисованные им клетки были, в сущности, основным компонентом не только растений, но и всего живого. ================================================================================= Спустя недолгое время после Гука голландский исследователь Антони ван Левенгук сделал другое важное наблюдение, открыв одноклеточную жизнь. Он обнаружил микроскопические организмы плавающими в пробах воды из пруда и развивающимися в налете, который он соскреб со своих зубов, что, надо сказать, его порядком расстроило, так как он гордился гигиеной полости рта! Он дал этим крохотным существам ласковое имя, которым мы сегодня не пользуемся, – animalcules («маленькие животные»). Те, кого он нашел благоденствующими в собственном рту, были, по сути, первыми описанными бактериями. Левенгук обнаружил целую новую область крохотных одноклеточных живых организмов. ================================================================================= В 1839 г. ботаник Маттиас Шляйден (Шлейден) и зоолог Теодор Шванн обобщили результаты собственной работы и выводы других исследователей и написали: «Мы увидели, что все организмы состоят из подобных по своей сути частей, а именно клеток». Наука добралась до вносящего ясность вывода, что клетка суть фундаментальная структурная единица жизни. ================================================================================= Делением клетки объясняется также кажущаяся чудодейственной способность тела заживлять раны и исцеляться. Если вы пораните палец краем этой страницы, то вокруг пореза начнется местное деление клеток, чтобы заживить ранку и сохранить здоровье. А вот онкологические заболевания, на беду, вступают в диссонанс со способностью тела стимулировать новые циклы клеточного деления. Рак вызывается бесконтрольным ростом и делением клеток, могущих распространять злокачественность, наносить урон или даже убить тело. ================================================================================= На деле у клеток много общих характеристик с животными, растениями и грибами. Они растут, воспроизводятся, поддерживают свое существование и при всем том выказывают целеустремленность: настоятельный долг продолжать существование, оставаться живыми, воспроизводиться во что бы то ни стало. Все клетки, начиная от бактерии, обнаруженной Левенгуком у себя на зубах, до нейронов, которые дают вам возможность чтения этих слов, делят эти свойства со всеми живыми существами. Если мы поймем, как функционируют клетки, то приблизимся к пониманию того, как устроена жизнь. ================================================================================= Сходство родителей с их потомством – отличительная черта всех живых организмов. Об этом давным-давно писали Аристотель и другие мыслители Античности, но основные принципы биологического наследования оставались неразрешимой загадкой. С течением времени выдвигались различные объяснения, некоторые из них сегодня выглядят довольно экстравагантно. Например, Аристотель предположил, что единственное влияние матерей на детей в утробе подобно воздействию определенного вида почвы на развитие растения из семени. Другие считали, что все объясняется «смешением кровей», то есть дети наследуют усредненную смесь характерных черт своих родителей. Грегор Мендель, аббат монастыря в Брно (ныне – Чешская Республика), был первым, кто приоткрыл завесу тайны наследственности. Но он не занимался изучением часто непонятных наследуемых признаков в семьях человека, а вместо этого дотошно экспериментировал с горохом, придя к выводам, в итоге вылившимся в открытие того, что сегодня мы называем генами. ================================================================================= Одной из начальных подсказок стало открытие микроскопических структур в клетках, похожих внешне на тонкие нити. Первым их обнаружил в 1870-е гг. немецкий военный врач, ставший клеточным биологом, по имени Вальтер Флемминг. С помощью лучших современных на тот период микроскопов он смог описать интригующее поведение данных микроскопических нитей. Флемминг увидел, что, когда клетка была готова к делению, нити расщеплялись пополам в продольном направлении и становились короче и толще. Затем, когда клетка делилась надвое, нити отделялись друг от друга, и одна половина оказывалась в каждой из вновь сформированных дочерних клеток. То, что увидел, но не понял в то время Флемминг, было материальным воплощением генов, предполагаемых менделизмом передающихся по наследству частиц. То, что Флемминг назвал нитями, мы сегодня называем хромосомами. Хромосомы – это физические структуры, которые есть во всех клетках, содержащих гены. Примерно в то же время еще одна крайне важная подсказка в отношении генов и хромосом возникла из совсем необычного источника: оплодотворенных яиц нематод, или паразитических круглых червей. В ходе тщательного исследования самых ранних стадий развития нематод бельгийский биолог Эдуард ван Бенеден увидел через микроскоп, что первая клетка вновь образованного зародыша содержит ровно четыре хромосомы – по две от женской и мужской половой клетки. ================================================================================= Другой огромной задачей, вставшей перед биологами, было выяснение того, что же на деле представляют собой гены и как они действуют. Первый большой прорыв случился в 1944 г., когда небольшая группа ученых в Нью-Йорке во главе с микробиологом Освальдом Эвери провела эксперимент, в ходе которого было установлено, из какого материала состоят гены. Эвери и его коллеги изучали бактерии, вызывающие пневмонию. Им было известно, что безвредные штаммы этих бактерий, смешиваясь с остатками мертвых клеток вирулентного штамма, способны превращаться в опасные, вирулентные виды. Принципиально важно то, что данное изменение было наследуемым; став вирулентными, бактерии передавали это свойство всему своему потомству. Тогда Эвери сделал вывод, что ген или гены передавались в виде химического соединения из останков мертвых опасных бактерий к живым безвредным бактериям, навсегда изменяя их природу. Он понял, что, если ему удастся обнаружить часть мертвых бактерий, отвечающую за это генетическое преобразование, он в итоге сможет продемонстрировать всем и вся то, из чего состоят гены. Оказалось, что это было вещество, называемое дезоксирибонуклеиновой кислотой, скорее всего известной вам в виде аббревиатуры ДНК, которое и обладало ключевым преобразующим свойством. К тому времени уже было известно, что хромосомы, переносящие гены в клетках, содержат ДНК, но большинство биологов считали, что ДНК – слишком простая и заурядная молекула, чтобы отвечать за столь сложный феномен, как наследственность. Они заблуждались. Каждая из ваших хромосом имеет в своей основе одну цельную молекулу ДНК. Хромосомы могут быть чрезвычайно длинными и содержащими сотни, а то и тысячи генов друг за другом в цепочке. К примеру, человеческая хромосома номер 2 содержит цепочку из более 1300 генов, а если растянуть этот кусок ДНК, он протянется более чем на 8 сантиметров. Отсюда получаются удивительные статистические данные: 46 хромосом в ваших крохотных клетках вместе составят более 2 метров ДНК. В результате чудес упаковки все это размещается в клетке диаметром всего в несколько тысячных миллиметра. А еще восхитительней то, что, если каким-то образом соединить и потом растянуть все ДНК, свернутые в нескольких триллионах клеток вашего тела, в одну тонкую нить, длина ее составит порядка 20 миллиардов километров. Этого хватит, чтобы протянуть ее от Земли до Солнца и назад шестьдесят пять раз! ================================================================================= Однако мы не можем игнорировать те разрозненные вариации, которые храним в наших генах. Хоть суммарно их очень мало, они могут сильно влиять на нашу индивидуальную биологию и жизненный путь. Некоторые из этих вариаций общие для меня, моих дочерей и внуков, и ими объясняются некоторые аспекты нашего семейного сходства. Другие генетические варианты уникальны у каждого из нас, и это наделяет нас отчетливой индивидуальностью, влияя на внешность, здоровье и образ мысли неуловимым или все же заметным образом. ================================================================================= Над проблематикой эволюции возвышается фигура натуралиста XIX в. Чарльза Дарвина, который путешествовал по земному шару на весьма небольшом корабле королевского флота Великобритании «Бигль» и собирал образцы растений, животных и окаменелостей. Дарвин азартно копил наблюдения в поддержку идеи эволюции и предложил замечательный механизм – естественный отбор – для ее объяснения. Он изложил все это в книге 1859 г. «Происхождение видов». Среди всех великих идей биологии эта, возможно, самая известная, хотя и не всегда должным образом понятая. Дарвин не был первым, кто предположил, что живые существа эволюционируют со временем. Как он отмечает в «Происхождении видов», Аристотель утверждал, что части тела животных могут возникать и исчезать за долгие периоды времени. В конце XVIII в. французский ученый Жан-Батист Ламарк развил эту мысль, показывая, что различные виды соединены друг с другом в цепочки сходства. Он предположил медленное изменение видов через процесс адаптации, когда их форма реагирует на перемены в окружающей среде, и изменение характера поведения. Он прославился утверждением, что у жирафов удлинилась шея из-за того, что с каждым поколением им приходилось ее тянуть, чтобы достать листья на ветках повыше, и каким-то образом результаты этой мускульной нагрузки передавались отпрыскам, у которых оказывались шеи чуть длиннее. Сегодня идеи Ламарка несколько принижаются, поскольку он не приводил подробностей эволюционного процесса, однако Ламарк заслуживает большего уважения за то, что выдвинул одну из первых масштабных оценок феномена эволюции, если и не ее причин. Разумеется, Ламарк не в одиночку размышлял об эволюции. Даже в собственной семье Чарльза его колоритный дедушка Эразм Дарвин был еще одним ранним и завзятым сторонником эволюции. На своем гербе он поместил девиз E conchis omnia, то есть «все от моллюсков», декларируя убеждение, что вся жизнь развилась от намного более простых предков типа кажущегося бесформенным в своей раковине моллюска. Однако ему пришлось изменить герб после того, как настоятель Личфилдского собора обвинил Дарвина в том, что тот «отвергает Создателя». Эразм повиновался, поскольку был успешным врачом и понимал, что, не подчинившись, рискует потерять своих солидных и, следовательно, богатых пациентов. ================================================================================= Для того чтобы эволюция происходила путем естественного отбора, живые организмы должны обладать тремя важнейшими свойствами. Во-первых, они должны быть способны к воспроизводству. Во-вторых, они должны обладать системой наследования, с помощью которой задающая характеристики организма информация копируется и передается потомству при размножении. В-третьих, система наследования должна характеризоваться изменчивостью, наследуемой в процессе репродукции. Именно на изменчивости строится естественный отбор. Он превращает медленный и случайным путем образующийся источник изменчивости в представляющийся безграничным и постоянно развивающийся арсенал жизненных форм, существующий вокруг нас. Добавим, что для успешности отбора живые организмы должны умирать. Тогда следующее поколение, которое в потенциале содержит генетические вариации, дающие конкурентные преимущества, может их собой заменить. ================================================================================= В сложных эукариотических организмах дальнейшая изменчивость вносится половым размножением при перемешивании части хромосом в ходе деления клеток, при котором образуются половые клетки (также называемые зародышевыми клетками: сперматозоиды и яйцеклетки у животных, пыльца и семязачатки у цветковых растений) во время мейоза. В этом главная причина, почему родные братья или сестры генетически отличаются друг от друга: если гены их родителей уподобить колоде карт, каждый из них – плод разной генетической «сдачи». ================================================================================= До своей несвоевременной встречи с гильотиной Лавуазье был зачарован процессом ферментации. Он пришел к выводу, что «ферментация – это химическая реакция, в которой сахар исходного виноградного сока превращается в спирт готового вина». До того никто так не думал. Затем Лавуазье пошел еще дальше, предположив наличие некоего «фермента», вроде как исходящего из самого винограда и играющего ключевую роль в химической реакции. Впрочем, он не мог сказать, что представляет собой этот «фермент». Положение дел прояснилось почти полвека спустя, когда виноделы, производившие этиловый спирт, обратились за помощью к французскому биологу и химику Луи Пастеру для решения загадки порчи своей продукции. Они хотели знать, почему брожение жома сахарной свеклы иногда дает вместо этанола едкую, неприятную кислоту. Пастер приступил к поиску решения, как детектив приступает к расследованию. И с помощью микроскопа он нашел разгадку. Осадки в бродильных чанах, в которых получали спирт, содержали дрожжевые клетки. Дрожжи были явно живыми организмами, так как некоторые из них почковались, указывая на активное размножение. Когда же он посмотрел на чаны со скисшим продуктом, никаких дрожжей там не оказалось. На основе этих простых наблюдений Пастер предположил, что трудноуловимым ферментом были микробные живые формы дрожжей: фактор, ответственный за производство этанола. Какой-то другой микроб, возможно бактерия меньшего размера, производил кислоту, разрушавшую партии продукта. Суть в том, что рост живых клеток напрямую отвечает за химическую реакцию. В данном случае дрожжевые клетки преобразовывали глюкозу в этанол. Самое главное, что удалось Пастеру, это шаг от частного к общему, приведший к новому важному выводу. Он указал, что химические реакции не просто интересная черта жизни клеток – это один из определяющих жизнь факторов. Пастер блестяще обобщил это словами «химические реакции являются выражением жизни клетки». ================================================================================= Теперь мы знаем, что в клетках всех живых организмов одновременно происходят многие сотни, даже тысячи химических реакций. Эти реакции создают молекулы жизни, образующие компоненты и структуры клеток. Они также разрушают молекулы, повторно используя клеточные компоненты и высвобождая энергию. Взятое в совокупности огромное количество химических реакций, происходящих в живых организмах, называется метаболизмом. Это основа всего, что делают живые существа: поддержание жизни, рост, организация и воспроизводство и источник всей энергии для реализации этих процессов. Метаболизм – химия жизни. ================================================================================= Самые маленькие химические зоны в клетке – поверхности самих ферментных молекул. Чтобы получить представление о том, насколько малы эти молекулы, взглянем на очень тонкие волоски на тыльной поверхности руки. Они относятся к самым тонким структурам, видимым невооруженным взглядом, но по сравнению с белками-ферментами они огромны. По диаметру такого волоска могут бок о бок выстроиться около двух тысяч молекул инвертазы. ================================================================================= Открытие новых перспектив влечет за собой и новые вызовы. Как выразился Сидней Бреннер: «Мы тонем в данных, но томимы жаждой знаний». Его заботило то, что слишком многие биологи тратят массу времени на регистрацию и детальное описание живой химии, не всегда полностью понимая, что все это значит. Главное, что необходимо для превращения всех этих данных в полезное знание, – это понимание того, как живые существа обрабатывают информацию. ================================================================================= Другой вид модуля – контур с положительной обратной связью, который может образовывать необратимые переключатели, те, что после включения не выключаются. Подобным образом контур с положительной обратной связью контролирует созревание яблок. Клетки созревающего яблока вырабатывают газ этилен, который и ускоряет созревание и повышает выработку этилена. В результате яблоки не могут стать менее зрелыми, а соседствующие плоды помогают друг другу созревать быстрее. ================================================================================= Но при этом возникают новые вопросы и новые проблемы. Как прийти к согласию о том, что имеется в виду под «общественным благом»? Если новые методы лечения рака стоят неимоверно дорого, кого будут лечить, а кого нет? Считать ли уголовным преступлением пропаганду отказа от вакцинирования без надлежащих доказательств или использование антибиотиков не по назначению? Наказывать ли за определенные преступные действия людей, если их поведение обусловлено их генами? Если редактирование генов зародышевой линии может избавить семьи от болезни Хантингтона, разрешить ли им свободно прибегать к этому средству? Станет ли когда-нибудь допустимым клонирование взрослого человека? А если борьба с климатическими изменениями означает засеивание океанов миллиардами генетически модифицированных водорослей, следует ли это делать? Но очередь политиков после, а не до науки. Страдали люди, когда происходило обратное. Во времена холодной войны в Советском Союзе благодаря работе ученых создали ядерную бомбу и отправили человека в космос. Но работам по генетике и повышению урожайности был нанесен серьезный ущерб, потому что по идеологическим соображениям Сталин поддерживал шарлатана Лысенко, отвергавшего генетику Менделя. В результате народ голодал. Относительно недавно мы стали свидетелями торможения действий, вызванного отрицателями изменений климата, которые не желают знать или активно противодействуют научному пониманию. В дебатах об общественном благе необходимо на первое место ставить знание, доказательства и научное мышление, а не идеологию, ничем не обоснованные убеждения, алчность или крайние политические взгляды. ================================================================================= Фрэнсису Крику представлялось невероятным, что жизнь могла возникнуть здесь, на Земле, за доступное ей время. Поэтому он предположил, что, жизнь, должно быть, зародилась где-то во Вселенной и была доставлена сюда в частично или полностью сформированном состоянии. Но это скорее увертка, чем ответ на самый главный вопрос о том, как жизнь могла излиться из наискромнейших истоков. Сегодня мы можем дать реалистичное, хотя и в настоящее время неверифицируемое объяснение этой истории. Самые древние ископаемые в чем-то похожи на сегодняшние бактерии. Это указывает на то, что жизнь уже могла прочно утвердиться ко времени, когда имелись заключенные в мембрану клетки, наследственная система на основе ДНК и обмен веществ на основе белков. ================================================================================= Безжалостный отсеивающий процесс естественного отбора породил много неожиданного. Одно из самых замечательных явлений – это человеческий мозг. Насколько мы можем знать, ни одно живое существо не разделяет с нами осознание своего существования. Наш обладающий самосознанием разум эволюционировал таким образом (по крайней мере, отчасти), чтобы наделить нас большей свободой действий для регулирования нашего поведения в соответствии с изменяющимся миром. В отличие от бабочек и всех прочих известных организмов мы можем сознательно делать выбор и размышлять о целях, которыми вдохновляемся. ================================================================================= Насколько нам известно, мы, люди, представляем единственную живую форму, которая может разглядеть это глубинное родство и задуматься над его значением. Это наделяет нас особой ответственностью за жизнь на этой планете, которая создана такой, какая она есть, нашими родственниками, близкими и не очень. Нам нужно хорошо относиться к ней и заботиться о ней. И для этого нужно ее понимать.