№ 17/17

Поведение клетки, слезающей с ветки

 

Нужно защититься от ослепляющего света молекулярной биологии, чтобы понять суть поведения клетки.
В.Я. Александров

Одна из великих загадок биологии — сложные целенаправленные движения клеток. Клетки путешествуют, изменяют форму, охотятся — порой ведут себя, как «разумные» существа. Но ведь это всего лишь мембранные пузырьки! Лишенные мышц и нервов, органов чувств и костей. Откуда же эта способность?

Сегодня такие выражения, как «этология бактерий», «социальность у бактерий» и даже «бактериальный альтруизм» уже не вызывают изумления у ученых. Однако в 1960-е годы они казались бы нонсенсом. Впрочем, наша наука уже тогда испытывала потребность как-то упорядочить наблюдаемые клеточные движения. И в 1970 году В.Я. Александров — цитолог, к тому времени посвятивший научной деятельности почти полвека, — опубликовал статью «Проблема поведения на клеточном уровне (цитоэтология)». В ней вещи были названы своими именами: клетка обладает пусть не высшей нервной деятельностью, но поведением. Что подразумевал под этим автор? — Суть поведения не в самом движении, а в наличии управляющих механизмов.

По мнению Александрова, успехи молекулярной биологии — это прежде всего успехи в изучении химии клеточной жизни. В отношении двигательных актов мы в лучшем случае можем ответить на вопрос, зачем они. Иногда мы приближаемся к ответу, как они осуществляются. Однако сказать, почему движение совершается по данному маршруту и временному графику, мы чаще всего бессильны. А ведь без этого технологии «клеточного завода» не могут быть поняты.

Примеры? Наиболее щедрый пример движения частей клетки предоставляет процесс деления: сложные маневры хромосом, распад мембранных сетей аппарата Гольджи, перераспределение митохондрий — вот неполный перечень только того, что видно в обычный световой микроскоп. И все — словно по выверенным маршрутам.

А между делениями по клетке активно перемещаются лизосомы, вакуоли, пиносомы. Хлоропласты пробираются ближе к свету. Ядро подплывает к тем стенкам клетки, которые прилегают к месту повреждения (чтобы «давать указания» на восстановительных работах).

На этом поведенческом уровне клетка кажется скоплением «умных» элементов, даже социумом, усилиями которого она живет. На более высоком уровне элементом становится сама клетка. Как удобны антропоморфные сравнения, когда перед глазами простейшие — все эти хищно рыскающие инфузории и равнодушно пасущиеся амебы! Есть клетки со сложным поведением и в многоклеточном организме. Скажем, макрофаги, что спешат к очагу воспаления и набрасываются на бактерий. А бывает, что жертвы движутся навстречу едоку. Так у многих животных к развивающейся яйцеклетке стремятся тысячи особых клеток — трофоцитов, чтобы вскормить ее своей «плотью».

Поразительно подвижны клетки губок. Когда они строят ажурные иглы скелета, им можно приписать талант скульптора. А некоторые клетки — фороциты — берут на себя роль «свахи». Дело в том, что попадающий в полость губки сперматозоид не может добраться до яйцеклетки — мешает слой воротничковых клеток. Однако некоторые из них позволяют сперматозоиду проникнуть в себя, «бросают» основную работу и отправляются на поиски яйцеклетки, а найдя — бережно передают заключенный внутри сперматозоид.

Может показаться, что незаурядные движения — какая-то редкая экзотика. Нет, каждый организм имеет «за плечами» опыт невероятных клеточных миграций. В частности, все меланоциты кожи, обеспечивающие нам ровный до кончиков пальцев загар, когда-то мигрировали из области… загривка. Действительно, именно отсюда, из нервного гребешка клетки в ходе эмбриогенеза проникают в стенки сердца, кишечника, в надпочечники, помимо того, что образуют ткани мозга. Так же и половые клетки некоторых животных не сразу оказываются в гонаде, а ползут к ним, словно амебы, по кровеносным сосудам. А пока развивается зародыш, клетки-бластомеры, образовавшиеся при делении яйца, могут вначале разбрестись и самостоятельно «пастись» на желтке, и только после этого собраться вместе (так происходит у плоских червей). Именно благодаря регуляции движений и развития клеток в ходе эмбриогенеза получается организм, а не комок плоти.

Необходимость изучения клетки, как подвижного целого, Александров сформулировал в то время, когда казалось, что успехи биохимических методов автоматически приведут к «расшифровке» биологии клетки. Сегодня мы переживаем сходную ситуацию: многим кажется, что расшифровка генома сразу приведет к разгадке тайны жизни. Однако от последовательности нуклеотидов до организма — «бездна незнания».

Сегодня молекулярную биологию уже нельзя упрекнуть в невнимании к целому. Достаточно сказать, что в таком фундаментальном труде, как «Молекулярная биология клетки», движению клетки и формированию организма посвящено… два тома из трех. Управление движением и структура опорно-двигательной системы клетки ныне изучаются сразу многими направлениями биологии. С чем можно сравнить их задачу? Попробуйте, например, разобраться в морских узлах, вантах, шкотах и прочих брамселях, имея возможность только рассматривать в бинокль плывущий парусник. Биологи решают куда более сложные проблемы (ведь молекулы «разглядеть» намного труднее).

Оказывается, клетка пронизана ажурной сетью нитей — филаментов, на которых закреплены все ее структуры. Основной белок цитоскелета — актин. Один конец актиновой нити все время наращивается за счет присоединения новых частиц белка, другой — растворяется. И хотя общая длина не меняется, нить постоянно движется в одном направлении. Все, что на этой нити закреплено, движется вместе с ней, как белье на прищепках.

При другом способе филаменты перемещаются сократительными белками (в первую очередь миозином). Те действуют, словно крючки, толкающие длинный шест (или сами ползущие по нему). Так, миозин вызывает сокращение мышц, точно так же он формирует потоки цитоплазмы. Без этих потоков для просачивания белковой молекулы из одного конца клетки в другой понадобились бы недели. А в длинных аксонах нервной клетки — даже годы. Однако благодаря актин-миозиновой «канатной почте» вещества от ядра транспортируются по аксону относительно быстро.

Способность частиц актина быстро объединяться в прочный «шест» дает клетке основное орудие движения. Когда клетка «ползет», на ее переднем крае, армированном актином, словно миллионы карликов упираются шестами в стенку огромного мешка. А если «шесты» объединить, возникает «таран». Так, например, происходит у сперматозоида на подступах к яйцеклетке. Его верхушка — акросома — битком набита частицами актина. При контакте с яйцеклеткой изменение химических условий вызывает их взрывообразную полимеризацию. Акросома вытягивается как гарпун, набухает и прокалывает оболочку яйца. Это как бы вторая эрекция, если хотите, элемент полового поведения — уже на уровне клетки.

Однако работа цитоскелета — это еще не вполне этология. Этология появляется там, где мы пытаемся найти ответ, почему клетка движется именно туда и именно в данный момент. Но для этого нужно учесть все многообразие взаимодействия клеток друг с другом и со средой (это уже удел современной иммунологии). Здесь-то и приходится пользоваться такими понятиями, как клеточные «социальный контроль», «агрессия», «альтруизм», «коммуникация». Ибо группа клеток обычно ограничивает собственное деление, исходя не из числа, а из размера скопления. Те, кто перестал повиноваться этому контролю, объявляются «вне закона» и либо гибнут в пасти макрофага, либо объявляют войну организму и дают начало раковой опухоли.

А если развивать эту линию? Заговорят ли когда-нибудь о «материнском поведении», «научении» или даже психологии клетки? Об этике, лингвистике? Словами Александрова: «Отрицание психики у организмов, не имеющих головного мозга, так же необоснованно, как отрицание дыхания у организмов, не имеющих легких».

Клетки, как и люди, общаются — посредством веществ, механических взаимодействий, электрических полей, вибраций, лучей. И здесь много открытий, а чем их больше — тем больше загадок. В.Я. Александров говорил, что полную ясность в цитологии он испытывал лишь в 1920-е годы, когда был студентом. В дальнейшем клетка становилась все более загадочной и непонятной, казалось даже, что она сама себя усложняет, чтобы остаться непознанной.

Сегодня наблюдается большой прорыв в области молекулярной цитологии. Безусловно, в будущем акцент сместится на цитологию биофизическую (и тогда вместо стихийных учений об энергетике жизни появится наконец научная парадигма). Сменится еще много поколений биологов, прежде чем люди достигнут понимания работы клетки от А до Я. И научатся управлять ею. Вопрос только: сохранится ли в том необходимость?

Кирилл Ефремов

Научный взгляд

  • Звездные карты галактики «Человечество»
    В генетическом плане человеческий вид — континуум, где между расами нет четких границ. Границ нет, но континуум неоднороден, в нем наблюдаются «сгущения родства»: популяции, типы, расы, стволы.
  • Игра в жизнь, или Не сотвори себе микроба
    Кого же призовут к жизни создатели генетического алфавита? Возможно, на свет появятся организмы, готовые питаться радиоактивными отходами, словно травой на лугах. Другие микробы примутся расщеплять молекулы воды, изготавливая водород — источник энергии будущего.
  • Еще один важный шаг
    Израильские исследователи идентифицировали ген, ответственный за одну из неизлечимых наследственных болезней. В сущности, во всем мире ею страдают лишь несколько тысяч человек, однако это открытие явилось еще одним важным шагом на пути постижения генетики человека
  • Немецкие ученые утверждают: теория относительности Эйнштейна лжива!
    Большинство людей убеждены в том, что Альберт Эйнштейн был одним из величайших гениев в истории человечества, а его частная теория относительности явилась одним из крупнейших достижений науки. Неужели теперь всем нам впору «сжечь все, чему мы поклонялись»?
  • Прав ли Эйнштейн?
    Вряд ли какое-нибудь из научных свершений ХХ века можно сравнить по масштабам воздействия не только на ученый мир, но и на «широкие народные массы», с теорией относительности Эйнштейна.
  • Ревизия биологических вех
    Как известно, в ходе биологической эволюции на Земле то и дело происходили перерывы, когда в результате той или иной (климатической, геологической, космической и т.п.) катастрофы погибали многие прежние виды, а освободившиеся жизненные ниши захватывали новые
  • Давайте подождем, доктор Антинори!
    Доктор Джонатан Хилл из Корнельского университета, который занимается клонированием крупного рогатого скота, говорит, что примерно треть подсаженных в матку эмбрионов отторгается уже на первом месяце.
  • Вечная молодость мозга
    Разумеется, ученые нашли объяснение, почему у ящериц и других примитивных созданий мозг всю жизнь прирастает нейронами, а мы этого прибытка лишены. Каждый наш нейрон со всеми его связями, материализующими опыт, неповторим.
  • Кто бы мог подумать?
    Американские ученые вот уже который год подряд привязывают к серьезной и торжественной стокгольмской процедуре вручения высочайших научных наград свою насмешливую и веселую затею вручения «Иг-Нобелевских» знаков отличия за самые смешные исследования и бесполезные открытия года.
  • Космический мирок микробов
    С помощью генетических манипуляций можно заранее, еще при подготовке к полету, изменить ДНК этих микроорганизмов, приспособив их к марсианскому образу жизни. Со временем, когда климат на Марсе удастся изменить, а бактерии взрыхлят его почву и насытят ее питательными веществами, можно будет выселять на Марс высшие растения.
  • Зеркальные нейроны
    Тот факт, что зеркальные нейроны именно «повторяли» наблюдаемое действие, а не просто возбуждались при его наблюдении, подтвердился, когда экспериментаторы поощряли обезьян проделать то же действие своими руками.
  • «Make love, not war»
    «Наивысшей точкой их интеллектуальной жизни является умение решать конфликты и чуткость в отношениях с близкими».
  • Мы не обезьяны. И обезьяны — не мы
    Человек — венец природы. Это принимается «for granted» и приятно щекочет наше человечье самолюбие. Хотя у тех из нас, кто имеет склонность к сомнениям и самоанализу, нередко возникает вопрос: не льстим ли мы себе?
  • Феномен Пригожина
    Фундаментальные характеристики мироздания, утверждает он — нестабильность, неравновесность, нелинейность, ни к чему простому не сводимая сложность.
  • И все-таки — Африка!
    В давнем и яростном споре «африканистов» и «мультирегионалистов» произошло очередное важное событие.
  • О предках, потомках и друзьях человека
    Рыцарские замки нашей фантазии украшены залами, где взорам гостей предстают блистательные портреты хозяев, а по обе стороны от них тянутся ряды предков, поражающие проблесками фамильного сходства, но уводящие к портретам совсем незнакомым
  • Время прощаться с квазарами
    Некоторые открытия впору назвать «закрытиями». Одно из последних событий в астрономии к таковым и относится. В течение десятилетий астрономы изучали квазары, и вот объект их научной страсти исчез.
  • Наши кремниевые коллеги
    А в одном английском университете города Абериствит пошли еще дальше и объявили о создании первого робота-микробиолога. Робот осуществляет эксперименты, разработанные программой ASE-Progol на компьютере в Йоркском университете.
  • Апокалипсиса не будет?
    На Западе защитники окружающей среды и антиглобалисты своими поступками часто напоминают тени знакомого прошлого — русских социалистов ХIХ века. Живя в благополучном обществе, они всячески расшатывают его из сочувствия к «падшим и угнетенным».
  • Как человек сам себя сотворил
    Современный человек — создание во всех отношениях необычное. Оказывается, еще и тем, что генетические различия между всеми людьми Земли ничтожны. Чего не скажешь о внешности — наверное, нет в природе еще одного такого же пестрого вида! Что же сделало возможным такое разнообразие?
  • Химия и жизнь: опасные связи
    В древности основным материалом было дерево; еще и сейчас запах деревянного дома кажется нам «удивительно здоровым». Теперь мы выбираем пластик, прессованные плиты, лаки и краски с их неповторимо резким запахом и надписью на этикетке: «Следует избегать попадания в пищу». А в дыхательные пути?
  • Могущественная крупица
    В известном смысле можно сказать, что гомеопатия лечит ядами, однако берутся они в таких микродозах, что само вещество уже почти не присутствует в растворе. На уровне десятого — двенадцатого разведения исходная субстанция практически отсутствует.
  • Запишите на ваши водофоны!
    Вода не похожа на другие жидкости. Возможно, она обладает памятью! Быть может, в таинственных свойствах воды коренится загадка гомеопатии?
  • Между чумой и эболой
    Болезнь, вызвавшая Черную смерть, бушевала в Европе в течение 300 лет, до 1666 года. За это время вспышки болезни наблюдались в самых отдаленных местах континента почти каждый год.
  • Возбудить ось сверхсознания
    Внушение, зомбирование, программирование поведения требуют измененных состояний сознания. Одна из дверей, ведущих туда, — психоактивные вещества, наркотические снадобья. Но далеко не единственная.
  • Конец прекрасной эпохи?
    Фундаментальная загадка, о которой упоминалось вначале, связана с движением галактик. Эти огромные звездные скопления демонстрируют явные отклонения от законов движения Ньютона.
  • Петербургский десант
    Семиотика — наука о знаках и знаковых системах — давно стала для гуманитарных наук «всем», она помогает навести порядок в изобилии фактов и фактиков.
  • Зигфрид и лесные врачи
    Изучение животных долго сводилось к их изгнанию из естественной среды обитания и последующему наблюдению за ними в неволе. Когда же ученые вошли в глубь леса, в племя обезьян, им предстала чужая — нечеловеческая — культура.
  • Чем человек отличается от обезьяны
    Чем генетически отличается человек от обезьяны и как это отличие возникло — скачком, благодаря нескольким считанным и резким мутациям, или постепенно, посредством накопления многочисленных мелких мутационных изменений?
  • Вторая жизнь генома: от структуры к функции
    Уотсон и Крик в апрельском номере журнала «Nature» за 1953 год сообщили о трехмерной структуре ДНК. Это было официальным началом современной молекулярной биологии, ее мощным стартом.
  • Большой климатический спор
    Вечна ли вечная мерзлота? В чем особенность вечномерзлых пород? Она заключается в том, что из-за наличия в них льда характер грунтов резко меняется при изменении температуры.
  • Новая напасть
    Со времени отказа США участвовать в «Киотском протоколе» — международном договоре о сокращении количества «тепличных» газов, выбрасываемых в атмосферу, — борьба вокруг вопроса о возможных последствиях такого выброса стала еще острее, чем прежде.
  • Селектроны, струны и симметрия
    Когда сложность и запутанность физической картины мироздания стали нетерпимыми, ученые ХХ века предприняли беспрецедентные попытки ее упорядочивания.
  • Левый-правый мозг
    В отличие от краба, человек предпочитает работать не клешнями, а мозгом — который и приобретает у нас наибольшую асимметрию. Причем она неодинакова у разных отделов мозга — и тем выше, чем более «человеческую» функцию этот отдел выполняет.
  • Опасности года 2020
    Какое же будущее ждет нас, обреченных болеть и в 2020 году? Его попытались очертить Кристофер Мюррей из Гарвардского университета и Алан Лопес, представитель Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ).
  • Филлотаксис – это расположение листьев
    Филлотаксис — это по-латыни. А по-русски — расположение листьев. Вроде, что тут сложного? Ан, нет. Интерес к этому отнюдь не случаен. Он вызван прежде всего тем, что повторяющиеся элементы создают симметричные структуры — паттерны, а в них совершенно четко прослеживаются числовые закономерности.
  • Миры в столкновениях, века в хаосе
    На что же замахивался Великовский своей теорией столкновений? В 1955 году он опубликовал свою третью книгу — «Земля в конвульсиях», — в которой развернуто изложил свои общенаучные взгляды.
  • Обесславленные науки возвращаются в новом обличье
    Френология, или наука о черепах была создана кипуче талантливым человеком, двоюродным братом Дарвина Франсисом Гальтоном. Он утверждал, что все наши качества поддаются количественному описанию, и разъезжал по всей Англии, измеряя людям черепа.
  • Игры всерьез и понарошку на поле любви и секса
    Вообще-то это не удивительно: размножение, продолжение рода — главное, ради чего природа производит нас на свет. Удивительно другое: как ярко и с каким разнообразием игровое начало проявляет себя на поле любви и секса.
  • Пришел, пометил, победил. Вокруг да около секса
    Всего важнее репродуктивное поведение, обеспечивающее виду само существование. Оно отнюдь не ограничивается сексом. Нужны еще три компонента: поиск брачного партнера, ухаживание и забота о потомстве. Как они выглядят у человека?
  • В постели с человеком
    Вопреки известной пословице, далеко не все, что естественно, не безобразно. Например, секс — несмотря на явный потенциал удовольствия, он считается весьма и весьма «безобразным». Почему? Поищем ответ в недрах эволюции культуры и поведения.
  • Запах теплых отношений
    Особые вещества — одоранты — вызывают различные эмоции, от ярости до наслаждения, а феромоны могут даже управлять работой организма, влияя на тонус нервной системы, баланс гормонов, циклические процессы.
  • Этос — значит «дикий нрав»
    Сегодня этологией называют любые исследования поведения. Похоже, споры между разными направлениями в этой области становятся достоянием истории. Но так было не всегда.
  • Кратчайшая история космоса
    В предельно кратком изложении они сводятся к утверждению, что существует бесконечное множество бесконечных во времени «малых вселенных», подобных той, в которой живем мы сами.
  • Сражаться или спариваться —вот в чем вопрос!
    Если не поступает иной команды, самцы мыши готовы спариваться с кем угодно — с самкой, с другим самцом и даже с самцом-кастратом, в точном соответствии с призывом: «Make love, not war».
  • Картинки мироздания из коллекции палеонтолога
    Что же касается концепции стабилизирующего отбора, то сегодня у подавляющего большинства биологов представление о ней весьма смутное. А уж в учебниках — просто уголовное безобразие: там пишут ровно противоположное тому, что говорил Шмальгаузен.
  • Запрет на клонирование Христа?
    Некая дама спросила у известного физика начала прошлого века, в чем ценность сделанного незадолго до того открытия. На что тот ответил вопросом на вопрос: а в чем ценность рожденного младенца? Никто не может знать, кто вырастет из мальчика, который «маленький с кудрявой головой»…
  • Земной шар: грядет время игр
    Время не милосердно ни к людям, ни к планетам. Через шесть миллиардов лет Солнце превратится в «красного гиганта». Его диаметр неимоверно увеличится. Край Солнца будет почти задевать Землю. Наша планета покроется тягучим, раскаленным месивом. Все на ней будет выжжено дотла. Таким окажется финал земной цивилизации.
  • Берегите голову
    Мозг - это десятки миллиардов нейронов, каждый из которых связан с другими 10-20 тысячами связей, В секунду в мозгу возникает 200 тысяч сигналов. То есть это такая система, которую, наверное, никогда нельзя будет воспроизвести, и все разговоры об искусственном интеллекте носят спекулятивный характер.