Чтение онлайн

Несмотря на активные исследования, никто пока не обнаружил подобные кинетину моторные белки в прокариотических клетках (бактериях и археях). С точки зрения биофизики это закономерно: не то чтобы бактерии не смогли развить их в ходе эволюции – они просто не испытывают в них необходимости. В малых масштабах броуновское движение происходит быстро, в крупных – медленно. Поскольку бактерии в большинстве своем малы, они могут спокойно положиться на случайность в удовлетворении своих внутренних транспортных потребностей.

Транспортировка вне бактерий и перемещение их самих тоже не обходятся без случайности. Большинство бактерий подвижны и могут, например, плавать в жидкости. Так, у E. coli есть несколько нитевидных жгутиков, при вращении которых в одну сторону организм движется вперед, а в другую – кувыркается [34] . Эти микробы постоянно пребывают в движении, и под микроскопом видно, как они снуют из стороны в сторону в чашке с водой.

Можно подумать, что бактерии плавают ради поглощения пищевых частиц, подобно миниатюрным усатым китам, собирающим криль на своем пути, но физика это опровергает. E. coli плавает со скоростью около 10 микрометров в секунду, а значит, если бы в микрометре от нее (то есть на расстоянии, сравнимом с длиной ее тела) находилась пища, бактерии понадобилось бы около десятой доли секунды, чтобы к ней подплыть. Их пища – это сахара и другие молекулы размером менее одной тысячной микрометра, такие маленькие, что за миллисекунду могут преодолеть расстояние в целый микрометр. Будь вы бактерией, пища достигала бы вас путем диффузии гораздо быстрее, чем вы до нее доплывали бы! Как отметил физик Эдвард Пёрселл, «вы можете носиться как угорелый, но тот парень, что спокойно сидит в ожидании диффузии», получит не меньше.

Зачем же тогда им плавать? Бактерии вроде E. coli измеряют концентрацию питательных веществ в окружающей среде по изменению загруженности клеточных рецепторов их молекулами и перемещаются в направлении повышения концентрации. И снова процитирую Пёрселла: «(Бактерия) может находить места, где пища лучше или где ее больше. То есть она движется не как пасущаяся на лугу корова, а стремится туда, где луга зеленее». Благодаря многолетним исследованиям мы теперь можем в подробностях описать, как E. coli оценивает обстановку и принимает решения: как обнаружение питательных веществ поэтапно воздействует на белки, контролирующие жгутики, чтобы те позволяли клетке дольше плыть прямо по градиенту концентрации питательных веществ и чаще крутиться при движении в менее удачном направлении. Механизмы такого же типа работают у очень разных бактерий, включая тех, что привыкли прокладывать себе путь в организмы животных6. Похожие системы характерны и для многих эукариотических клеток – например, иммуноцитов, мигрирующих к ранам.

Итак, мы познакомились со многими компонентами клеток и физическими закономерностями, управляющими их сборкой, динамикой и принятием решений. Клетки, конечно, восхитительны – это живые, растущие, размножающиеся сущности, которых только в каждом из нас триллионы. Но клетки поражают нас еще сильнее, когда работают вместе. Во второй части этой книги мы расширим поле зрения до клеточных объединений, включая эмбрионы, органы, бактериальные сообщества и целые организмы всех форм и размеров, – и снова увидим в работе общие биофизические принципы, потому что взаимодействующие клетки тоже осуществляют самосборку, принимают решения с помощью регуляторных схем, имеют дело со случайностью и увеличивают свои размеры масштабированием.

Мы познакомились с главными строительными элементами жизни и тремя общими принципами, лежащими в основе их взаимодействий: концепцией самосборки, предсказуемой случайностью микроскопического движения и построением регуляторных схем. Затронули мы и четвертый принцип, масштабирование, находящий отражение в зависимости броуновского движения от размера частиц и в продолжительности диффузии на большие расстояния. В следующих главах мы рассмотрим масштабирование подробнее.

В первой части мы иллюстрировали эти принципы примерами на уровне одиночных клеток и их внутренних механизмов. Но те же самые правила применимы к бьющимся сердцам, бананам, трехпалым ленивцам и прочим проявлениям жизни более крупного масштаба. Биофизические закономерности проливают свет на скопления и сообщества клеток, включая целые организмы, и среди них мы найдем изящные иллюстрации сложности, основанной на простоте.

Вместо того чтобы начать с малых групп клеток, с отдельных тканей и органов, давайте сразу бесстрашно окунемся, пожалуй, в самый сложный и поразительный феномен живого мира – развитие такого животного, как мы, из единственной оплодотворенной яйцеклетки. Наши представления об эмбриональном развитии углублялись стремительно. Всего несколько веков назад господствовало мнение, что в этой клетке, зиготе, содержится гомункул – миниатюрный, но полностью сформированный человек, постепенно разрастающийся в младенца и затем взрослого1. Собственно, кое-кто из первых микроскопистов даже смог убедить себя, что видит через окуляры этих человечков, преформированных в сперматозоидах или в неоплодотворенных яйцеклетках. Теперь мы знаем, что в одноклеточном эмбрионе просто содержится геном – ДНК от матери и отца, – а также белки, РНК и другие полезные ингредиенты, заложенные в основном матерью. Клетка с таким стартовым багажом далее делится, и делится, и делится. Ее потомки не только разделяются, но и меняют свои размеры, форму, профиль экспрессии генов и положение, пока не обретут размеры, форму, профиль экспрессии генов и положение, характерные для работоспособного организма.

Трансформация клетки в животное может показаться волшебством, даже если применять научную оптику. Давайте отмотаем чуть больше 100 лет назад и заглянем в конец XIX века, время первых прорывных эмбриологических экспериментов. Наблюдая за развитием животных, а также стимулируя, разделяя и пересаживая клетки, ученые постепенно прорисовывали пути, по которым клетки обретают уникальные черты, а ткани – форму. Одним из таких первопроходцев был Ханс Дриш, немецкий биолог, работавший по большей части в Неаполе. Дриш установил, что после разделения двухклеточного эмбриона морского ежа на отдельные клетки из каждой развивается нормальное животное. Даже при разделении четырех– или восьмиклеточного эмбриона из отдельных клеток часто вырастали полноценные организмы. Более того, Дриш обнаружил, что при осторожном надавливании на юный эмбрион клетки смещаются со своих стандартных позиций (например, те, что должны формировать верхнюю часть тела, оказываются внизу) и не возвращаются на них даже после прекращения воздействия. Несмотря на такую перестройку, морской еж развивался нормально, как если бы перемещенные клетки знали, что заняли новые места, и потому вели себя соответствующе. Каждая клетка, заключил Дриш, «вмещает в себя совокупность всех зачатков»2, но такой вывод противоречил простому механистическому представлению о развитии. Если перемешать шестеренки часов или поршни паровой машины, в них не обнаружится глубинного, «врожденного» знания о том, какие новые роли им нужно принять на себя, чтобы механизм работал и дальше. Пораженный явным противоречием между тем, как развивается эмбрион, и тем, что он знал из физики, Дриш бросил эмбриологию и, заняв должность профессора философии, продвигал идею, будто живые организмы подчиняются законам, в корне отличным от руководящих неживой природой [35] .

Даже для того времени концептуальный рывок Дриша казался слишком радикальным. Другие биологи, в частности американский эмбриолог Росс Гренвилл Гаррисон, отстаивали мнение, что развитием совместно руководят те факторы, что заложены в каждой клетке, и те, что рассредоточены по эмбриону. Эта точка зрения, в следующем веке уточненная множеством деталей, соответствует современному представлению о развитии.

Пока у вас не возникло завышенных ожиданий и не мелькнула мысль, что в этой главе мы опишем весь путь от единственной клетки до сложного организма, поспешу отметить, что в эмбриологии остается много белых пятен. Никто не может взять ваш геном и, видя лишь последовательность A, Ц, Г и T, сказать, что вы – двурукое, двуногое, волосатое животное, которое дышит воздухом. По геному морской звезды мы никак не можем предсказать, что это животное пройдет путь от мягкой, свободно плавающей личинки с двусторонней симметрией до жесткотелого хищника с пятилучевой симметрией, прочесывающего морское дно и литорали в поисках жертвы. Не зная организм – источник ДНК, мы можем сказать, что геном морской звезды – это геном морского беспозвоночного, а геном человека – это геном примата, только если сравним их с другими известными геномами, а не смоделируем по базовым биологическим законам активность всех закодированных в нем белков и регуляторных сетей. Тем не менее о развитии мы можем сказать довольно много – особенно благодаря двум обстоятельствам.

Первое обстоятельство таково: гены у разных организмов весьма схожи, и потому, узнав функции какого-то гена в относительно простом для изучения организме – мыши или плодовой мушки, например, – мы сможем многое сказать об этом гене в другом организме, даже в человеческом.

Возьмем для примера ген sonic hedgehog (SHH). Он кодирует белок, необходимый для формирования конечностей и участвующий в разрастании раковых опухолей. В знаменитой статье, опубликованной в 1980 году, Христиана Нюслайн-Фольхард и Эрик Вишаус сообщили об открытии нескольких генов, определяющих план тела плодовой мушки, и назвали один из них hedgehog («ежик»), поскольку его мутации приводили к появлению маленьких шипиков на мушиной личинке3. Позже подобные гены были обнаружены во всем животном царстве. В геномах млекопитающих, включая человека, есть по три гена типа hedgehog. Два из них, desert hedgehog и Indian hedgehog, получили причудливые названия по аналогии с реально существующими видами ежей. Третий, sonic hedgehog, назвали еще причудливее в честь быстроногого героя видеоигры Sonic the Hedgehog: одного из исследователей этого гена вдохновил образ того самого ежа Соника.

Кодируемые этими генами белки удивительно похожи друг на друга. Я изобразил строение одного из участков белка Hedgehog плодовой мушки (слева) и белка Sonic hedgehog человека (справа)4. Оба организованы идентично как пара лежащих под углом спиралей и несколько коротких листов, связанных всевозможными петлями.

Отличить мушку от человека легко, а вот различить их белки семейства Hedgehog очень сложно. Сходство очевидно даже в последовательностях аминокислот. Просто посмотрите на фрагменты из 46 аминокислот – это примерно треть белкового участка с предыдущего рисунка. Я использую здесь устоявшиеся однобуквенные обозначения аминокислот и жирным выделю те, что идентичны у двух белков.