Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым

Попытка понять действие механизмов внутри живой клетки до какой-то степени аналогична попытке разобраться, как работает автомобиль, не имея представления о том, что находится под капотом. Мимо нас по улице проезжают машины, и мы понимаем, что внутри них имеются какие-то механизмы, позволяющие им двигаться. Мы можем остановить машину и вынуть ключ из зажигания – тогда машина больше не заведется. Если мы сумеем открыть капот, то, возможно, сможем разобрать находящийся там механизм и рассмотреть все его части – до последнего винтика, последней шайбы и прокладки. И если мы посмотрим еще внимательнее, то увидим, что все части собраны в исключительно точной последовательности; однако у нас нет никакой инструкции касательно того, как их собирать. Если мы не поймем, для чего какая часть предназначена, то никогда не сможем сообразить, как все эти приспособления позволяют машине ехать по дороге. Однако, рассматривая по отдельности поршень или аккумулятор, не говоря уже о компьютере, мы, вероятно, сможем получить какое-то представление о том, какую роль эта конкретная часть выполняет и каковы ее функции в общем механизме.

Параллель между попыткой понять принцип действия автомобиля и исследованием функционирования клетки, разумеется, весьма приблизительна. Клетки устроены гораздо сложнее, нежели автомобили. Автомобили не могут собирать сами себя, не воспроизводятся самостоятельно и, как ни жаль, не умеют сами себя чинить. Поэтому, наверное, не следует чересчур удивляться тому, что, хотя биологи и смогли разобрать клетку на части, чтобы посмотреть, как работают отдельные компоненты, им до сих пор так и не удалось заново собрать эти части с нуля и получить полностью работоспособный, самовоспроизводящийся организм. Нам предстоит еще долгий путь к пониманию того, что находится «под капотом» у клеток. Тем не менее на протяжении трехсот лет, прошедших с тех пор, как Гук описал базовую структуру клеток, мы далеко продвинулись вперед в распознавании многих ключевых элементов и уже начинаем догадываться, как работают эти внутриклеточные наномеханизмы. Это знание позволило нам увидеть закономерности в организации клеток на генеалогическом древе жизни. Собственно, оно дало нам возможность понять, что это вообще такое «жизнь». Однако перед тем как мы начнем детально разбирать «колесики и винтики», давайте вкратце рассмотрим, как эти элементы были обнаружены.

Идентификация отдельных элементов клетки началась в XIX веке благодаря усовершенствованию микроскопов, а также пытливому и терпеливому характеру биологов – как правило, достаточно зажиточных мужчин. В 1831 году шотландский ботаник Роберт Броун при внимательном исследовании под микроскопом выделил темное пятно в центре клетки орхидеи, а впоследствии и в пыльце. В статье, представленной им Линнеевскому обществу в Лондоне, ученый назвал эту структуру ядром (нуклеус); это была первая из идентифицированных внутриклеточных структур. В 1869 году Фридрих Мишер, швейцарский доктор, работавший в Германии, обнаружил, что найденные Броуном внутриклеточные структуры содержат любопытные молекулы, которые не являются белками, и назвал это новое вещество нуклеином . Почти столетием позже обнаружится, что эти молекулы несут информацию, необходимую для строительства новых клеток.

В последней четверти XIX и начале XX века изготовители инструментов принялись разрабатывать все более совершенные объективы и другие компоненты оптических микроскопов, позволившие ученым в буквальном смысле заглянуть внутрь крупных клеток. Еще большей наглядности удалось добиться при помощи разнообразных красителей и пигментов, избирательно окрашивавших те или иные компоненты клетки. Благодаря подобным усовершенствованиям ученые смогли прийти к довольно глубокому пониманию положения некоторых компонентов в эукариотических клетках, то есть клетках, содержащих ядро. Растения и животные по существу представляют собой организованные скопления эукариотических клеток.

Благодаря более совершенным объективам, красителям и микроскопам с еще большим увеличением в течение относительно короткого отрезка времени было сделано несколько открытий. В 1883 году еще один ботаник, немец Андреас Шимпер, обнаружил, что крахмал, окрашивающийся в присутствии йода в темно-бурый цвет, производится в растениях микроскопическими зелеными тельцами, которые он назвал хлоропластами . В 1890 году другой немец, Рихард Альтман, выяснил, что, судя по всему, в любых животных клетках присутствуют скопления маленьких частиц, которым он дал название биобласты – позднее они станут известны как митохондрии . Альтман обнаружил также, что «нуклеин» Мишера имеет кислотную природу, и переименовал это вещество в нуклеиновую кислоту . В 1897 году итальянский врач Камилло Гольджи описал еще одну структуру, получившую впоследствии название «аппарат Гольджи». Вначале ученые сочли, что эта структура является артефактом – побочным эффектом красителей, которые использовал Гольджи, и лишь в середине XX века было подтверждено, что она реально существует. Позднее было описано еще несколько крупных структур; это сделали очень терпеливые наблюдатели, работавшие с лучшими оптическими микроскопами того времени. Однако, как бы ни были хороши объективы, существуют физические ограничения того, что можно увидеть при помощи микроскопа, использующего видимый свет.

Структуры, размеры которых составляют меньше тысячной доли миллиметра (иначе говоря, микрометра), попросту очень трудно разглядеть в деталях при помощи видимого света. Диаметр человеческого волоса составляет около 100 микрометров, диаметр же большинства бактерий и других микроорганизмов – около 1–2 микрометров, а порой даже меньше. Чтобы разглядеть их невооруженным глазом, нужно выстроить в ряд около 100 таких клеток, и тогда их длина будет равна диаметру человеческого волоса. И поскольку эти микроорганизмы так малы, для нас практически невозможно различить находящиеся внутри них структуры. Есть ли там миниатюрные ядра? Митохондрии? Хлоропласты? Эта попытка визуализации внутриклеточных структур может напомнить выдвинутую ранее Левенгуком концепцию анималькулей, которых он представлял как микроскопических животных. На протяжении нескольких десятилетий научный прогресс в области изучения очень маленьких клеток или маленьких частей внутри крупных клеток оказался застопорен из-за ограничений в разрешении и увеличительной способности оптических микроскопов.

Прорыв в этом направлении произошел в 1930-х годах, когда два немецких физика, Макс Кнолль и его студент Эрнст Руска, разработали микроскоп нового типа, в котором использовались высокоэнергичные электроны – они ускорялись в вакууме и как лучи проецировались на образец, который либо поглощал их, либо пропускал, либо рассеивал. Получившееся изображение могло передавать структуры с разрешением в десятые доли микрометра, то есть с более чем в сто раз большим увеличением, чем то, какое было достижимо в оптических микроскопах. Открылся целый новый мир – мир, в котором мы впервые действительно получили возможность заглянуть клеткам «под капот».