Клеточная история

Что особенного в клеточной теории? Прогресс прекрасно обходился без нее: к 1839 году, в котором она оформилась, люди научились переливать кровь и делать прививки против оспы, изобрели паровоз, телеграф, двигатель внутреннего сгорания и даже аналитическую машину (прообраз компьютера); Шекспир написал «Гамлета», Брейгель – «Вавилонскую башню», Бетховен – симфонию № 5… Трудно представить, что все эти замечательные вещи люди сделали, не имея понятия о том, из чего сделаны они сами. Точнее, о том, что их кровь, кости, кожа и другие «подробности» состоят из мельчайших клеток общим числом 75 триллионов.

Интереснее всего то, что даже сегодня, имея микроскопы с миллионным увеличением, человек еще не все знает о клетке. Вы помните плакат «Строение растительной клетки» из программы по биологии за 6 класс? Два слоя оболочки, киселек зернистой цитоплазмы, вакуоль, похожая на большую каплю воды, темное ядро, скрывающее непостижимую ДНК, стопка мембран со звучным названием «аппарат Гольджи», коричневые митохондрии – «фабрики энергии», пластиды, которые дают цвет (у животной клетки их нет, и вакуоли тоже)… Похоже на микро-предприятие с отлаженной структурой и жесткой дисциплиной. Такой клетка казалась не только нам в 6 классе, но и ученым в течение долгого времени. Исследовать ее начали 300 лет назад, еще в пору алхимии, и большую часть этой эпохи клетку, элементарную живую систему, изучали мертвой – иначе просто не получалось сохранить ее структуры в нужном состоянии. С помощью формалина, спирта и других фиксаторов «беготня» на микро-предприятии останавливалась, компоненты выглядели совсем как живые, но живыми не были. По этой статичной картине, которая перекочевала в книги и на школьные плакаты, и составилось наше представление о клетке как о системе разумной, четкой и убийственно логичной. Наверное, в том числе и оно подкрепило позиции механицизма (миропонимания родом из XVII века, но до сих пор очень популярного), который уподобляет живой организм машине или компьютеру.

Однако до конца постичь особенности устройства клетки, ее функционирования статичная картинка не позволяет. Чтобы приблизиться к возможности ее «оживления», клеточной биологии потребовалось обнаружить все органеллы, то есть компоненты (точнее, почти все – новые органеллы открываются до сих пор), разработать методы исследования, которые позволяли бы делать прямо через них тончайшие срезы; открыть в конце XIX века клеточное деление, в начале ХХ определиться с понятием «ген», усовершенствовать световой микроскоп, а потом изобрести электронный, который показал клетку в небывалом разрешении. В конце ХХ века началось изучение молекул, которые «выявлялись» в клетках с помощью антител, ученые научились ставить на белках флуоресцентные метки, а микроскопы пережили новую революцию и переход к «цифре». Только в начале XXI века свершился долгожданный переход к изучению живой клетки – наступило время синтеза биологии клеточной и молекулярной.

Выход на новый уровень вскрыл неожиданный факт: в клетке далеко не все так логично, как предполагает ее статичная модель. Точнее, логичность есть, но не такая, на какую мы рассчитывали, – это не логика машины, для которой клетка устроена слишком сложно.

Например, в литературе по генетике до сих пор можно встретить утверждение о том, что каждый белок имеет свою уникальную функцию, которую можно определить по его локализации. На самом же деле этих функций может быть много. Еще белок внутри клетки быстро движется, и это движение ненаправленное, хаотичное, а половина синтезированного белка почему-то может вообще разрушиться сразу после синтеза. Получается, что четкая работа клетки, а значит, и целостность, и целесообразность всего организма складывается из беспорядка...

По сравнению с физикой или химией, в клеточной биологии преуспевать труднее, и от биологов часто можно услышать, что они пока не понимают клетку. Сейчас дело уже не в необходимости нового прорыва – пожалуй, наукой еще не до конца «переработан» технологический рывок начала XXI века. Живая, живущая клетка сложна для воображения. В микромире другие законы – не противоречащие «нашим», «макромировым», но и не проистекающие из них. Скажем, химия клетки не похожа на химию растворов, потому что цитоплазма гелеобразна, к тому же вся разграничена мембранами. И здесь уже нельзя оперировать понятием «концентрация», как для растворов в пробирках, потому что копий молекул каждого вида в клетке не так много, десятки-сотни. А законам какой механики подчинить молекулы – классической или квантовой? Их размеры вписываются и в те, и в другие…

Поскольку знания о клетке накапливались благодаря достижениям микроскопии, новые успехи клеточной биологии связывают с молекулярным анализом, который должен разобрать «живую фабрику» на самые элементарные части. Но сообщит ли он вожделенную отгадку? Ведь принцип работы системы не объясняется составом ее элементов.

Здесь интересна параллель, которую можно провести с наукой биосемиотикой, возникшей в 1960-е годы (она изучает знаковые процессы в живых системах; пример – невербальное общение между животными и (или) людьми). Биосемиотики считают, что все мы живем в мире значений, а не вещей. Звучит как чисто философский постулат, однако молекулярная биология в биосемиотическую философию очень даже вписывается. Какие у вас ассоциации со словом «генетика»? «Генетическая информация», может быть, «генетический код», а если вы разбираетесь в биологии (или совсем недавно окончили школу) – еще и «транскрипция», и «трансляция», и «считывание», и даже «бессмысленные последовательности». Все эти понятия связаны в нашем контексте с биосинтезом белка, но их объединяет еще и принадлежность к языку – системе знаковой, имеющей целью передачу информации. «Фишка», конечно, не в многозначности слов. Если учесть, что белок, который синтезируется с непременным участием нуклеиновых кислот, химически не имеет с ними ничего общего, его связь с ДНК и РНК оказывается никакой не химической, а только кодовой, информационной. Да и вообще – любая клетка независимо от ее «должности» в организме выполняет, строго говоря, две функции: первая – хранение и передача наследственной информации (ДНК), вторая – «обслуживание» первой функции (выработка необходимой энергии, копирование информации и т. д.). С этой точки зрения любой химический процесс в клетке можно считать процессом коммуникации, а это значит, что святая задача для клеточных биологов – вовсе не разбить клетку на тысячу частей и изучить каждую в отдельности. За такой работой смысл вообще теряется, ведь наша цель – не частное, а общее: нужно объяснить, как тысяча молекул ежесекундно взаимодействует, составляя живую клетку, как и чем процессы внутри нее объединяются в нечто целое. Настолько целое, что среди биологов уже прозвучало предложение называть организмы не объектами, а процессами. Значит, придется оперировать не молекулярными, а надмолекулярными и даже «надклеточными» структурами, анализируя не только информацию в клетке, но и ее обмен с «соседями».

Этой необходимости предшествовало развитие сразу нескольких биологических наук. Общий суффикс «ом» в их названиях – латинский: он означает всеохватность, совокупность. Началось все в 1980–1990 годах с геномики, которая исследует генетический код в широком смысле: последовательность и модификацию нуклеотидов (звеньев ДНК), реализацию генетической информации.

Исследование белков, входившее прежде в компетенцию биохимии, после определения структуры геномной ДНК переместилось в ведение протеомики. Протеом – это, говоря очень грубо, «как геном, только белковый»: совокупность всех протеинов, то есть белков организма (или клетки, или ткани) в определенный период времени при определенных условиях. Протеомика, соответственно, эту совокупность изучает: исследует аминокислотную последовательность протеиновых молекул, их пространственную структуру, модификации.

После протеомики возникла транскриптомика. Уже звучавший термин «транскрипция» обозначает перенос генетической информации. Этот процесс – одна из ступеней биосинтеза белка: чтобы синтезировать белок, его «рецепт» надо сначала считать с ДНК. После считывания образуется молекула РНК, которая называется транскрипт. Транскрипты всех генов клетки в какой-то момент составляют, соответственно, транскриптом. Это самый первый уровень реализации генетической информации, которая заключена в геноме. Так вот наука транскриптомика выявляет и изучает факторы, которые не зависят от генома, но влияют на формирование белков (основных элементов жизни, как мы помним).

Потом появилась метаболомика, которая изучает «следы», «отпечатки» процессов, протекающих в клетке. Метаболиты – это продукты обмена веществ, совокупность метаболитов – метаболом (выражаясь, опять же, по-профански грубо, – это химический аналог генома). Исследователи считают его изучение даже более важным, чем изучение генома: малейшая модификация ДНК приводит к множественным изменениям метаболитного профиля, то есть биохимического состояния системы, его устойчивости и динамики. Весной 2013 года международная группа ученых из Калифорнийского университета презентовала виртуальную интерактивную карту человеческого метаболизма – Recon 2. 

Первую версию, Recon 1, продемонстрировали в 2007 году – в ней было 3300 реакций. Вторая включает более 7400 биохимических реакций и данные о 1800 генах, кодирующих белки (всего таких генов около 20 тысяч, так что Recon 3 тоже будем ждать). Карта позволит диагностировать болезни по отклонениям в метаболических путях, а также заранее оценивать и корректировать эффективность лекарств. В общем, метаболомный анализ сейчас считают одним из перспективнейших направлений в биологии. А ведь когда-то само предположение о скором возникновении науки метаболомики звучало как шутка.

Самое ценное, что биологи и сочувствующие могут получить, распахивая эти благодатные научные поля, – не новые цифры, пугающие карты или первые строки в новостных лентах, а целостное представление о живых организмах. Это одна из задач современной системной биологии: интегрировать данные направлений, перечисленных выше, чтобы понять, не как устроены клетки, а как они взаимодействуют, как обмениваются информацией и как это все координируется. Накопив колоссальный объем знаний о молекулярных и генетических механизмах жизни, мы приблизились к границе, за которой редукционистский подход, объясняющий все с помощью химических реакций, применяться уже не может. А главные проблемы биологии так и остаются неизменными: как произошла жизнь и каковы механизмы ее изменчивости и эволюции? Решение одних вопросов ведет к возникновению новых – в этом логика естествознания.

При том что в целом в течение ХХ века природа изменчивости и эволюции определена, новые важные детали открываются постоянно, а детали видообразования ясны еще не вполне. В общих чертах решена проблема регуляции (как клетки воспринимают сигналы и реагируют на изменения условий, меняя свою работу), но полное решение тоже еще впереди. Наиболее сложная проблема – реализация наследственной информации. Как из линейной записи – генетического кода – формируется сложная трехмерная организация?

Понять клетку – значит понять, что же есть человек на уровне биологическом, а главное – что такое жизнь, живое, и что делает его живым, и почему у живого есть все эти свойства – наследственность, рост, раздражимость, обмен веществ...

Действительно ли это настолько важно? Поскольку биологический ресурс – единственный, способный к воспроизведению, науки о жизни постепенно становятся и станут приоритетными. И, хотим мы того или нет, нам придется учиться контролировать клетку, синтетические и энергетические процессы в ней. Жить-то хочется, по возможности, благополучно, чтобы не ждать от природы не только милостей, но и непредсказуемостей. А они точно будут, потому что грандиозную машину цивилизации (устроенную, по сравнению с клеткой, куда проще и понятнее) уже не остановить.