Пол Нёрс - Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Но до XVII в. никто не имел понятия даже о том, что эти невидимые клетки существуют, не говоря уж о том, что они функционируют по тем же основным принципам, что и другие лучше видимые живые формы.

В XVIII и в начале XIX в. методы и инструменты микроскопии усовершенствовались, и очень скоро ученые стали идентифицировать клетки у любых типов различных существ. Начали строить догадки о том, что все животные и растения созданы из тех групп простейших, обнаруженных Левенгуком несколько поколений назад. Затем, после долгого периода вызревания, была наконец рождена клеточная теория. 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.

Эта проницательная догадка получила даль нейшее продолжение, когда биологи осознали, что каждая клетка представляет собой самостоятельный живой организм. Эту идею выразил основоположник клеточной патологии Рудольф Вирхов, написавший в 1858 г.: «Все животные появляются на свет как совокупность жизненно важных единиц, каждая из которых несет в себе полный набор характеристик жизни».

Это означает, что все клетки сами по себе живые. Самым наглядным образом это демонстрируется биологами, когда они берут клетки из многоклеточных тел животных или растений и сохраняют их живыми в стеклянных или пластиковых емкостях, чаще всего в тех, что имеют плоское дно и называются чашками Петри. Некоторые из этих клеточных линий выращиваются в лабораториях по всему миру десятилетиями кряду, давая исследователям возможность изучать биологические процессы, избегнув трудностей работы с организмами целиком. Клетки активны; они могут двигаться и реагировать на окружение, их содержимое постоянно находится в движении. В сравнении с целым организмом типа животного или растения клетка может казаться простой, но она явно живая.

Однако в клеточной теории, первоначально сформулированной Шляйденом и Шванном, имелся существенный пробел. Она не говорила о том, как возникают новые клетки. Пробел закрыли, когда учеными было признано, что клетки воспроизводятся делением одной клетки надвое, и был сделан вывод, что клетки могут возникать исключительно делением изначальной клетки надвое. Вирхов популяризировал эту идею с помощью латинской эпиграммы Omnis cellula e cellula , то есть «все клетки возникают из клеток». Фраза эта также помогла противостоять ошибочной идее, в то время еще довольно распространенной, что жизнь спонтанно возникает из косной материи – но это не так.

На делении клеток основан рост и развитие всех живых организмов. Это первый, критически важный этап преобразования одиночной, однородной оплодотворенной яйцеклетки в клубок клеток и затем в итоге в очень сложно организованное живое существо – эмб рион. Все начинается с момента, когда клетка делится и производит две клетки, которые могут иметь разную идентичность. Все последующее развитие эмбриона основано на том же процессе – повторяющиеся циклы деления клеток с дальнейшим созданием еще более сложно структурированного эмбриона по мере того, как клетки развиваются во все более специализированные ткани и органы. Из этого следует, что все живые организмы, независимо от размеров и сложности, возникают из одной клетки. Мне думается, что нам стоит относиться к клеткам с большим уважением, если вспомним, что каждый из нас когда-то был одиночной клеткой, образованной в момент зачатия при слиянии сперматозоида и яйцеклетки.

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.

Рост, способность к восстановлению, дегенерация и злокачественные новообразования – все это связано с изменениями свойств наших клеток в болезни и в здоровье, в юности и в старости. В сущности, можно отследить истоки большинства болезней из нарушения функционирования клеток, а определение неисправностей в клетках ложится в основу разработки новых методов лечения.

Клеточная теория, как и прежде, влияет на пути развития науки о жизни и на медицинскую практику. Она в огромной мере повлияла и на историю моей жизни. С той самой поры, когда я разглядел в микроскоп клетки корней пресловутой луковицы, меня интересовали и клетки, и то, как они функционируют. Когда я занялся биологическими исследованиями, то решил изучать клетки, в частности как они воспроизводят себя и контролируют деление.

Клетки, с которыми я начал работать в 1970-х гг., были дрожжевыми. Большинство из нас думает, что дрожжи годятся только для виноделия, пивоварения и хлебопечения, отнюдь не для того, чтобы браться за фундаментальные проблемы биологии. Но, по сути, они представляют великолепную модель для того, чтобы понять, как действуют клетки более сложно устроенных организмов. Дрожжи – это грибы, но их клетки удивительно похожи на клетки растений и животных. К тому же они малы, сравнительно просты, быстро растут и не требуют дорогостоящих питательных веществ. В лаборатории мы их выращиваем, либо опуская в жидкий бульон, где они свободно плавают, либо на слое желеобразной питательной среды в пластиковой чашке Петри, где они образуют колонии кремового цвета диаметром несколько миллиметров, в каждой из которых находится много миллионов клеток. Несмотря, а точнее говоря, благодаря их простоте дрожжи помогли нам выяснить, как делятся клетки в большинстве живых организмов, включая и человеческие тела. Многое из того, что нам известно о неконтролируемом делении раковых клеток, было впервые получено при изучении простеньких дрожжей.

Клетки – это основные единицы жизни. Это отдельные живые объекты, окруженные мембранами из жироподобных липидов. Но, подобно тому как атомы содержат электроны и протоны, в клетках тоже имеются меньшие составляющие. Сегодня микроскопы стали очень мощными, и биологи с их помощью обнаруживают замысловатые и нередко очень красивые структуры в клетках. Самые крупные из них называются органеллами , каждая из которых имеет свою собственную мембранную оболочку. Среди них командным центром клетки служит ядро, так как в нем находятся генетические инструкции, записанные в хромосомах, а митохондрии – их в некоторых клетках бывают сотни – действуют как миниатюрные энергоустановки, обеспечивая клетку нужной для роста и выживания энергией. Другие разнообразные емкости и отсеки в клетках выполняют сложные функции логистики, постройки, разрушения или повторного использования частей клетки, а также транспортировки материалов в клетку, из клетки и перемещения внутри ее.