Поведение клетки, слезающей с ветки

Кирилл Ефремов • 14 сентября 2016
Одна из великих загадок биологии — сложные целенаправленные движения клеток. Клетки путешествуют, изменяют форму, охотятся — порой ведут себя, как «разумные» существа.

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

    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?