Книга: Разум побеждает: Рассказывают ученые

А. С. Трошин, член-корреспондент АН СССР От клетки к молекуле

^{А. С. Трошин, член-корреспондент АН СССР}

От клетки к молекуле

Составной и существенной частью научно-технической революции XX в. является происшедший переворот в биологии. В познании явлений жизни достигнут огромный прогресс. Биология круто шагнула вперед по пути выявления молекулярных механизмов важнейших процессов жизни, в понимании качественной специфики живого, в выяснении фундаментальных свойств органической материи, необходимого для постижения сущности жизни, для формирования общей ее теории, для расширения прикладных возможностей биологической науки.

Конечно, далеко не все трудности, связанные с научным анализом сущности жизни, преодолены, и это обстоятельство порождает у некоторых зарубежных биологов стремление отойти от материализма, оживить мысль о непознаваемости жизни, о действии в живом нематериальных или «надматериальных» сил и принципов. Так, известный западногерманский биохимик Шрамм считает, что достижения современной биологии принесли доказательства существования в живом фактора нематериальной природы.

«Благодаря молекулярной биологии, — говорит Шрамм, — мы теперь знаем, что при наследовании передается план, каким должно быть сформировано живое существо». Считая открытие генетического кода, с помощью которого в ДНК записана наследственная информация, фундаментальным открытием, Шрамм с пафосом восклицает: «А ведь до сих пор считали, что изобретение и расшифровка кода свойственны лишь человеку!» «Если мы понимаем, продолжает Шрамм, — генетическую информацию как идею, то при рассмотрении живой природы учение Платона об идеях оказывается поразительно верным».

«Подобно идеям, генетическая информация нематериальна, но однако же реальна, как и идея изобретателя, которая хранится в патентном бюро и может быть продана и куплена».

Как видите, Шрамм рассматривает информацию как идеальный фактор, совершенно независимый от своего материального носителя, что, конечно, совершенно ненаучно, так как информация может быть закодирована и передана с помощью самых разнообразных сигналов материального характера, и это вовсе не свидетельствует об идеалистическом характере информации.

Для исследований в цитологии, как и в биохимии, физиологии, биологии и других биологических науках, весьма характерен подход, который носит название редукционизма. Редукционистский подход состоит в том, что познание сложного, составного, целостного, в том числе и клетки, проводится через расчленение сложного на возможно более простые части, которые и являются фактическим предметом изучения. У нас, в цитологии, клетки разрушают с помощью различных весьма изощренных методов, изолируют составные их части оболочку, ядро, органоиды — и изучают их свойства, структуру и функции. Не может быть сомнений в том, что на этом пути цитология добилась выдающихся успехов. Мы теперь знаем очень подробно о структуре и функции мембран, ядра, митохондрий, рибосом, лизосом и т. д.

Но нужно не забывать, что целое всегда больше, чем сумма отдельных его частей. Мы хорошо знаем, что свойствами поваренной соли не обладают ни натрий, ни хлор. Точно так же характерные свойства биополимеров, например белков, невозможно предсказать на основании свойств образующих их мономеров. Ясно поэтому, что сведение сложного явления, каким является клетка, к сумме его частей, требует и умения пройти этот путь в обратном направлении, то есть от суммы частей перейти к системе, от расчлененности целого к его воссозданию, от редукционизма к интегратизму. Здесь встают задачи дальнейших исканий цитологии: не отбрасывая редукционный подход, напротив, всячески его совершенствуя, продолжать двигаться в сторону изучения и более высоких уровней организации.

Кстати, сейчас широко распространилось представление о биологической иерархии структур, о разных уровнях организации — субклеточном, клеточном, тканевом организменном, популяционном и т. д. Не следует, однако, думать, что, чем выше положение объекта в иерархии, тем он сложнее. Популяция, состоящая из множества индивидуумов, несомненно, гораздо проще каждого из индивидуумов, а такой низший многоклеточный организм, как губка, несомненно, организован проще, чем составляющие его клетки. Это, вероятно, объясняется тем, что путь от начальных примитивных живых форм до одноклеточного организма был куда более длинный, чем от одноклеточной формы до начальных этапов филогенеза. Конечно, на более поздних его этапах — на уровне человека, например, организменный уровень системы сравним или даже превосходит сложность клеточной организации.

Возвращаясь к проблеме соотношения редукционистского и интегративного подходов в исследовании клетки, нужно сказать, что если первый из этих подходов принес цитологии большой и общепризнанный успех, то второй путь делает также хотя и самые первые, но уже успешные шаги. В качестве примера можно привести данные о самосборке.

Известно, что многие белки обладают так называемой четвертичной структурой, то есть состоят из субъединиц, которые в подходящих условиях самопроизвольно соединяются между собой с образованием исходной четвертичной структуры. Такой способностью обладает, например, гемоглобин, уреаза и некоторые другие белки. Подобный же процесс самосборки удается наблюдать и на более сложных структурах, например на рибосомах, на мембранах, на вирусах и бактериофагах. Эти структуры построены из разных молекул биополимеров — белков, нуклеиновых кислот, липидов. В рибосомах, например, содержится три разных типа нуклеиновых кислот и около 20 различных индивидуальных белков. В частицу вируса табачной мозаики входит кроме нуклеиновой кислоты более 2000 одинаковых молекул белка. И все эти сложные структуры самопроизвольно собираются из смеси своих составных частей. А недавно известный цитолог Дж. Даниэли описал результаты опытов с самосборкой амеб.

Амебу — одноклеточный организм — расчленили на составные части: оболочку, ядро, цитоплазму. Затем эти компоненты, полученные, разумеется, от большого числа особей, снова смешивали и наблюдали образование заново целых клеток из частей разных индивидуумов: оболочка от одного, ядро от другого и цитоплазма от третьего. Такие «сборные» амебы, по описанию Даниэли, обладают свойственной этим клеткам способностью к движению и размножаются. Следовательно, и на таком сложном организме, как амеба, доказана возможность ее самосборки из составных частей. Однако на пути выяснения свойств интегрированной клеточной системы стоит еще очень много нерешенных вопросов.

Чем больше мы узнаем о структуре клетки и как она работает, тем больше проникаемся мыслью, что самые сложные технические устройства, сконструированные человеком, самые блистательные успехи синтетической химии, самые выдающиеся достижения в области организации производства не идут в сравнение с исключительной сложностью клетки, с поражающим разнообразием, быстротой и эффективностью осуществляемых в ней синтезов, с совершенством ее управления и фантастической миниатюрностью.

Как осуществляется управление этими процессами? Нужно также учесть, что жизнь клетки жестко регламентирована во времени: этапы клеточного цикла четко следуют один за другим, и этим стадиям подчиняется жизнедеятельность клетки. Но как работают эти «клеточные часы»?

В клетке одновременно происходит множество процессов — одни вещества расщепляются, другие синтезируются; происходит заготовка энергетических веществ в запас; заготавливаются материалы, которые потребуются клетке, когда она приступит к делению. Как достигается эта удивительная согласованность всех процессов, как возникает и поддерживается ее целостность? Еще одна тайна — движение веществ внутри клетки и целенаправленные движения самих клеток. Мы знаем, что информационная РНК синтезируется в ядре, но как она переходит из ядра в цитоплазму и как она внедряется в рибосому, остается еще полностью невыясненным. Нужно при этом учесть, что синтезированные вещества перемещаются на расстояния нередко в тысячи раз большие, чем размеры молекул.

В. Я. Александров в своей книге «Поведение клеток и внутриклеточных структур» (М., «Знание», 1975) собрал много примеров целенаправленных движений клеток и внутриклеточных структур. Как осуществляются эти удивительные передвижения, упорядоченные в пространстве и времени, остается загадкой. В. Я. Александров считает, что движения клеток относятся к тому же кругу явлений, которые в процессе эволюционного развития, усложнения и качественного преобразования привели к появлению высших форм поведения животных и человека. На этом основании В. Я. Александров считает целесообразным создание новой науки — цитоэтологии, которая бы использовала для понимания поведенческих актов на клеточном уровне достижения зоопсихологии.

Очень еще мало также продвинута проблема использования наследственной информации. Яйца или клетки раннего зародыша не имеют тех свойств, которые характерны для клеток взрослого организма. У зародыша все клетки очень похожи друг на друга, но по мере развития они начинают различаться между собой. Чем дальше развитие, тем более клетки разнообразны. Во взрослом организме можно насчитать до сотни разных типов клеток — мышечные, эпителиальные, кровяные, печеночные и т. д.

Следовательно, клетки, одинаковые вначале, имеющие одинаковую наследственную информацию, специализируются, или, как принято говорить, дифференцируются. Одни гены работают во все время жизни клетки, другие включаются в определенные моменты, а третьи, видимо, вообще никогда не включаются. Какими силами направляется это развитие, как регулируется деятельность хромосом, еще очень мало понятно, а ведь это очень важно в практическом отношении.

Возьмите проблему злокачественного роста. Нельзя сомневаться в величайшей актуальности и практической важности этой проблемы. Из того, что мы знаем о раковой клетке, можно заключить, что эти клетки утрачивают связь с соседними клетками, размножаются неудержимо, бесконтрольно и образуют опухоль.

Что же удерживает клетки в норме, какова природа той «дисциплины» размножения, которой подчиняются нормальные клетки? Это, очевидно, проблема формирования ткани органа, то есть проблема развития, дифференцировки. Раковые клетки легко отрываются от опухоли, попадают в кровь и разносятся по всему организму. Так возникают метастазы, то есть новые опухоли. Это происходит в результате особых свойств поверхности раковой клетки — в отличие от нормальных клеток раковые клетки связаны между собой гораздо слабее. А это происходит в результате изменения структуры и свойств поверхности раковых клеток. Изменения же поверхности клетки есть результат изменения состава ее белков.

Следовательно, идет нарушение синтеза белков в результате нарушения регуляции работы хромосом. Для того чтобы избавить организм от опухоли, ее удаляют хирургическим путем или убивают раковые клетки рентгеновскими лучами или химическими веществами. Но не всегда удается удалить опухоль так, чтобы ни одна раковая клетка не осталась в организме. При облучении рентгеновскими лучами и действии химиотерапевтическими препаратами также нет уверенности, что удастся убить все раковые клетки. А при увеличении доз этих агентов гибнут и нормальные клетки.

Таким образом, ясно, что, для того чтобы понять причины возникновения рака, его природу, найти средства для его предупреждения и эффективного лечения, нужно знать хорошо природу этих клеток. Для решения этой проблемы разработана программа исследований, осуществляемая под эгидой научного совета АН СССР по проблемам цитологии. Для решения ее привлекаются специалисты разных областей знания. Планируется развертывание исследований всего спектра изменений, возникающих в клетке при воздействии канцерогенов и вирусов, изучение иммунохимических и цитогенетических характеристик злокачественных клеток, устойчивости и репарации клеток и клеточных структур. Несомненно, что разработка целенаправленных мероприятий, их организация и координация не простое дело. Но эти задачи уже стоят перед учеными, и на их решение необходимо направить максимальные, хорошо продуманные и взаимно увязанные усилия.

Указать, когда будут достигнуты решающие успехи в этой области, трудно. Прогнозы в науке вообще смущают ученых. Я приведу в связи с этим один пример. В начале нашего века выступил с большой статьей видный физиолог профессор Бунге и, говоря о нерешенных проблемах жизни, остановился на самой великой загадке ее, на загадке наследственности. Бунге сказал так: «Известен факт, что с помощью сперматозоида, от этой маленькой клетки, 500 миллионов которых занимают объем едва ли 1 куб. см, от отца к сыну передаются все духовные и телесные особенности. Я думаю, что многие тысячелетия пройдут над поколениями людского рода, прежде чем только первый шаг будет сделан к разрешению этой загадки». Но профессор Бунге оказался плохим пророком. Для разрешения этой великой загадки понадобились не тысячелетия, а всего 50 с небольшим лет. Так что лучше не заниматься прогнозами, а больше и энергичнее работать.